Universidad Católica de la Santísima...

Universidad Católica de la Santísima Concepción

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Civil

CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DE LA ZEOLITA PROVENIENTE DE LAS

TOBAS DE QUINAMÁVIDA, COLBÚN, REGIÓN DEL MAULE, CHILE.

ELADIO ARTURO LEIVA PEREIRA

MEMORIA PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL

Concepción, Noviembre 2013

Profesor Guía : Dr. Felipe Villalobos Jara.

Profesor Informante: Dr.(Can) Mauro Poblete Freire.

ii

Dedicada a mi familia

iii

Agradecimientos

Quisiera en primer lugar agradecer y dedicar a mi familia este trabajo de investigación. Darle

gracias por el constante el apoyo durante todos estos años de formación. En especial a mi

padre Eladio Leiva Pavez y madre Victoria Pereira Villegas, quienes gracias a sus esfuerzos

me han entregado todas las herramientas, que han estado a su alcance, para lograr el objetivo

de titularme en la educación superior universitaria.

A mi profesor guía el Dr. Felipe Villalobos Jara, por su asesoría constante y paciencia durante

este tiempo, además de sus certeros consejos en las distintas etapas del desarrollo de este

trabajo. Por brindarme la oportunidad de desarrollar esta investigación.

Al profesor Mauro Poblete Freire por los valiosos conocimientos entregados, además de su

confianza durante todos los trabajos realizados en el laboratorio de Geomateriales UCSC.

También por darme la oportunidad ser su alumno ayudante en donde desarrolle una labor

grata y enriquecedora.

A todo el cuerpo docente del departamento de Ingeniería Civil quienes han contribuido con

sus sólidos conocimientos en este proceso de formación profesional.

Mencionar a mis compañeros de carrera y amigos, desde hoy colegas, con quienes hemos

logrado ser del selecto grupo que alcanzó el objetivo de terminar la carrera y ser Ingenieros

Civiles de la Universidad Católica de la Santísima Concepción.

A mi polola Pamela Araneda quien se convirtió en un apoyo importante en este trabajo, dando

fuerzas en aquellos momentos difíciles gracias por estar a mi lado siempre.

Nombrar por ultimo a aquella gente que partió a mejor vida, y estoy seguro que este pequeño

logro conseguido sería de su total orgullo y también les pertenece.

iv

RESUMEN

En este trabajo se reportan resultados del estudio experimental realizado a la zeolita presente

en las tobas de Quinamávida, sector pre-cordillerano de la Región del Maule. La zeolita

analizada corresponde al tipo mordenita y clinoptilolita. Se analizaron tres tipos de muestras

zeolíticas, una de fracción fina inferior a 0.075 mm y dos muestras cuyas curvas

granulométricas presentan una distribución de arena fina (ZGF) y gruesa (ZGG). Se

determinaron propiedades geotécnicas de este mineral no metálico, tales como, propiedades

índices, hidráulicas, resistencia al corte y compresibilidad. Estas propiedades fueron

determinadas con la finalidad de evaluar la idoneidad de la zeolita para aplicaciones

geotécnicas y geoambientales. Basado en los resultados obtenidos se concluye que la zeolita es

un mineral mecánicamente estable, y que puede ser utilizado como material drenante (fracción

granular), aplicaciones de revestimiento de vertederos y mejoramiento de suelos.

ABSTRACT

In this paper we report results of experimental study on zeolite tuffs present in Quinamávida,

pre-Andean sectors of the Maule Region. The analyzed corresponds to the type zeolite

mordenite and clinoptilolite. Analyzed three types of zeolite samples, a fine fraction of less

than 0.075 mm and two samples grading curves which have a distribution of fine sand (ZGF)

and coarse (ZGG). Geotechnical properties were determined this nonmetallic mineral, such as

index properties, hydraulic, shear strength and compressibility. These properties were

determined in order to assess the suitability of zeolite for geo-environmental and geotechnical

applications. Based on the results it is concluded that the zeolite is a mineral mechanically

stable and can be used as draining material (granular fraction) coating applications landfills

and soil improvements.

v

RESUMEN ...................................................................................................................................................... ii

ABSTRACT .................................................................................................................................................... iv

CAPÍTULO 1 PREÁMBULO ............................................................................................. 9

1.1 General ................................................................................................................................................ 9

1.2 Objetivo general ................................................................................................................................ 10

1.3 Objetivos específicos ......................................................................................................................... 10

1.4 Zona de estudio ................................................................................................................................. 10

CAPÍTULO 2 ANTECEDENTES GENERALES DE LA ZEOLITA ............................. 12

2.1 Desarrollo histórico del conocimiento de la zeolita. ............................................................................... 12

2.2 Antecedentes zeolitas naturales en Chile ................................................................................................. 15

2.3 Definición de zeolita ................................................................................................................................. 19

2.3.1 Clasificación de las zeolitas ................................................................................................................ 22

2.3.1.1 Clasificación por diámetro de poros ............................................................................................. 22

2.3.1.2 Clasificación de acuerdo a su estructura ....................................................................................... 23

2.3.1.3 Clasificación de acuerdo a su relación Si/Al ................................................................................. 25

2.3.2 Propiedades de la Zeolita .................................................................................................................... 25

2.3.2.1 Intercambio Catiónico .................................................................................................................. 25

2.3.2.2 Tamiz Molecular ......................................................................................................................... 27

2.3.2.3 Adsorción .................................................................................................................................... 28

2.3.2.4 Deshidratación reversible ............................................................................................................. 30

2.3.2.5 Catálisis ....................................................................................................................................... 30

2.3.3 Formación de zeolitas naturales ........................................................................................................... 31

2.3.4 Usos y aplicaciones industriales de las zeolitas ..................................................................................... 33

2.3.4.1 Zeolita en Ingeniería ........................................................................................................................ 35

INDICE DE CONTENIDOS

vi

CAPÍTULO 3 GEOLOGÍA ................................................................................................ 39

Aspectos Geológicos ....................................................................................................................................... 39

3.1 Geología regional ..................................................................................................................................... 39

3.1.1 Volcanismo actual .............................................................................................................................. 43

3.1.2 Sedimentos cuaternarios...................................................................................................................... 44

3.2 Geología local ........................................................................................................................................... 44

CAPÍTULO 4 TRABAJO EXPERIMENTAL Y CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA

............................................................................................................................................. 48

4.1 Diseño experimental de ensayos de laboratorio ...................................................................................... 49

4.1.1 Preparación de las curvas propuestas ................................................................................................... 52

4.1.2 Programa de ensayos .......................................................................................................................... 57

4.2 Clasificación ............................................................................................................................................. 58

4.2.1Clasificación visual .............................................................................................................................. 58

4.2.2 Difracción de rayos X (DFRX)............................................................................................................ 59

4.2.3 Determinación del pH de la zeolita ...................................................................................................... 64

4.2.4 Humedad natural ................................................................................................................................ 66

4.2.5 Gravedad específica ............................................................................................................................ 66

4.2.6 Granulometría zeolita fina (<0.075mm) ............................................................................................... 67

4.2.6.1 Método del hidrómetro................................................................................................................. 67

4.2.6.2 Granulometría Laser .................................................................................................................... 70

4.2.7 Límites líquido y plástico de la zeolita e índice de plasticidad .............................................................. 73

4.2.7.1 Determinación límite líquido método cucharón de Casagrande ..................................................... 74

4.2.7.2 Límite plástico ............................................................................................................................ 76

4.2.7.3 Determinación de límite líquido método caída de cono ................................................................. 77

4.2.8 Determinación de la superficie específica (Se) ..................................................................................... 81

4.3 Ensayos de densidad y compactación ...................................................................................................... 83

4.3.1 Ensayo de densidad máxima y mínima ................................................................................................ 83

4.3.2 Ensayos de compactación (Proctor modificado) ................................................................................... 86

4.3.2.1 Zeolita granular fina (ZGF) .......................................................................................................... 86

vii

4.3.2.2 Zeolita fina .................................................................................................................................. 90

4.4 Ensayos de corte directo .......................................................................................................................... 92

4.4.1 Ensayos de corte directo zeolita granular gruesa (ZGG) ....................................................................... 93

4.4.1.1 Ensayo de corte Directo en zeolita granular gruesa (ZGG) con DR=35% ...................................... 95

4.4.1.2 Ensayo de corte directo en zeolita granular gruesa con DR=55% ................................................. 102

4.4.1.3 Ensayo de corte directo en zeolita granular gruesa con DR=90% ................................................. 106

4.4.2 Ensayos de corte directo zeolita granular fina (ZGF) .......................................................................... 116

4.4.2.1 Ensayo de corte directo en zeolita granular fina 77% de DMCS (ρmáx) ......................................... 116

4.4.2.2 Ensayo de corte directo en zeolita granular fina al 85% de DMCS (ρmáx) .................................. 121

4.4.2.3 Ensayo de corte directo en zeolita granular fina al 90% de DMCS (ρmáx) .................................. 125

4.4.3 Ensayos de Corte Directo Zeolita Fina (ZF <0.075 mm) ..................................................................... 131

4.4.3.1 Ensayo de Corte Directo a 0.06 mm/min en Zeolita Fina ............................................................. 132

4.4.3.2 Ensayo de Corte Directo a 0.5 mm/min a Zeolita Fina ................................................................. 136

4.5 Ensayos de Compresión No Confinada Zeolita Fina (<0.075mm) ......................................................... 140

4.6 Resistencia al corte no drenada Su con caída de cono. .......................................................................... 145

4.7 Ensayo de consolidación ......................................................................................................................... 147

4.8. Ensayos Triaxiales ................................................................................................................................. 164

4.8.1 Preparación de las probetas ................................................................................................................ 167

4.8.2 Saturación de las probetas. ................................................................................................................. 169

4.8.3 Verificación del grado de saturación mediante el valor B de Skempton ............................................... 171

4.8.4 Consolidación de las Probetas ............................................................................................................ 174

4.8.5 Etapa de Corte ................................................................................................................................... 176

4.8.6 Ensayos triaxiales consolidados drenado en zeolita granular gruesa (ZGG) ......................................... 178

4.8.6.1 Ensayo triaxial (CD) zeolita granular gruesa DR=51% ................................................................ 179

4.8.6.2 Resultados ensayo triaxial (CD) zeolita granular gruesa DR=83% ............................................... 186

4.8.7 Ensayos triaxiales consolidados drenados en zeolita granular fina (ZGF) ............................................ 191

4.8.7.1 Resultados ensayo triaxial (CD) zeolita granular fina a 70% de la DMCS .................................... 191

4.8.7.2 Resultados ensayo triaxial (CD) zeolita granular fina a 85% de la DMCS .................................... 195

4.8.8 Ensayos triaxial consolidado no drenado en zeolita fina ZF (<0.075mm) ............................................ 200

4.9 Ensayos de permeabilidad ...................................................................................................................... 208

viii

CAPITULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................... 216

5.1 Conclusiones ........................................................................................................................................... 216

5.2 Recomendaciones .................................................................................................................................... 222

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 224

CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA DE LA ZEOLITA

PROVENIENTE DE LA TOBAS DE QUINAMÁVIDA,

COLBÚN, REGIÓN DEL MAULE, CHILE Capitulo 1.Preámbulo

9

Capítulo 1

PREÁMBULO

1.1 General

La constante búsqueda en la ingeniería, de nuevos materiales que proporcionen características

similares o mejores que otros conocidos, da la posibilidad de realizar investigaciones que

ayuden a contribuir con dicho propósito. De igual manera estos descubrimientos sirven como

complemento en áreas específicas relacionadas con la ingeniería (e.g. ingeniería civil).

Diversos estudios han demostrado que minerales naturales, como la Zeolita presentan una gran

cantidad de propiedades que pueden ser utilizadas de forma beneficiosa por el hombre. La

Zeolita es un mineral natural que pertenece al grupo de los aluminosilicatos hidratados de

Sodio, Calcio, Magnesio, Potasio y otros alcalinos, cuya formación se atribuye a la deposición

de material piro-clástico y se encuentran en forma natural en la superficie terrestre. Es un

mineral no metálico utilizado en la vida cotidiana de las personas, sin que lo noten, ya que es

comúnmente manipulada en forma de adsorbentes, detergentes, en sistemas de refrigeración,

productos farmacéuticos, en procesos industriales y artículos de papel, entre otras (Olguín,

2006), es por ello que ha sido nombrado como el mineral del siglo XX por la gran variedad de

aplicaciones que se le pueden atribuir (Casals, 1988).

Las Zeolitas se pueden encontrar a nivel mundial en países como EEUU, Turquía, Japón,

Hungría, China entre otros, siendo el principal extractor de este mineral China (Bascuñan,

2005). En Chile existe un alto potencial de formaciones zeolíticas debido principalmente a la

naturaleza volcánica de la Cordillera de los Andes que recorre el país de norte a sur.

Investigaciones sobre Zeolitas se han incrementado en los últimos años en el mundo científico,

lo que se ve reflejado en artículos académicos y libros sobre ellas que se publican anualmente,

sobre todo en el área agrícola, química y construcción (Olguín, 2006). Sin embargo se han

realizado pocos estudios sobre las propiedades geotécnicas de la Zeolita, lo que genera una




10

instancia para el estudio de las propiedades geotécnicas de este material, que puede contribuir

a encontrar aplicaciones relacionadas a la Ingeniería Geotécnica.

1.2 Objetivo general

El presente trabajo de investigación, tiene como objetivo general, realizar una Caracterización

Geotécnica de la Zeolita presente en las tobas de Quinamávida, Región del Maule, Chile; esto

con el propósito de evaluar dichas propiedades y estudiar posibles aplicaciones en el área de

Geotecnia.

1.3 Objetivos específicos

Como complemento a la investigación realizada fueron abordados los siguientes objetivos

específicos:

Comprobar experimentalmente como la distribución granulométrica de un material

influye en sus propiedades mecánicas.

Comparar los resultados obtenidos en la zeolita proveniente del Yacimiento

Quinamávida, Región del Maule, Chile con estudios experimentales de Zeolitas hechos

en el extranjero.

Analizar y proponer el posible uso de la Zeolita como material en obras de ingeniería

civil que lo requieran.

Presentar estos resultados como base para el desarrollo de futuras investigaciones que

involucren distintas disciplinas, ingenieriles y/o biológicas, de estudio.

1.4 Zona de estudio

La región del Maule se ubica en la zona Central de Chile, y se caracteriza por presentar un

relieve compuesto por las siguientes unidades geográficas: Cordillera de los Andes, Depresión

intermedia y la Cordillera de la costa. La zona pre-cordillerana se caracteriza por presentar un




11

volcanismo que genera alturas promedio que sobrepasan los 4.000 metros sobre el nivel del

mar, entre los que destacan el volcán Descabezado Chico y Quizapu.

El yacimiento Quinamávida se ubica específicamente en el margen occidental de la Cordillera

de los Andes, en la Región del Maule, Provincia de Colbún, Chile (figura 1). Está

comprendida entre las coordenadas geográficas 35°46´-35°50´Lat. Sur y 71°25´30´´-

71°28´15´´ Long. Oeste. El Yacimiento cuenta con 2 pertenencias mineras llamadas “TOBA

UNO AL OCHO” y “HORTENCIA de la 1 al 33” que abarcan 158 hectáreas de superficie

aproximadamente, cuyo acceso se puede llevar a cabo desde la ciudad de Linares, o Talca a

través de una ruta pavimentada de 90 km que conduce hasta la localidad de Colbún.

Figura 1 Ubicación Geográfica del Yacimiento Quinamávida, Región del Maule, Chile.

Quinamavida



COLBÚN, REGIÓN DEL MAULE, CHILE Capitulo 2.Antecedentes Generales de la Zeolita

12

Capítulo 2

ANTECEDENTES GENERALES DE LA ZEOLITA

2.1 Desarrollo histórico del conocimiento de la zeolita.

Las zeolitas han sido conocidas por el hombre por más de 200 años, sin embargo el potencial

económico y la amplia ocurrencia en la naturaleza de estos minerales no fueron descubiertos

hasta la mitad del siglo XX, momento a partir del cual se han publicado anualmente diversos

artículos científicos y de aplicación industrial en todo el mundo (Holmes,1994). La primera

zeolita fue descubierta por Axel Frederick Cronstedt en 1757, mineralogista suizo, que le puso

el nombre tomado del griego “zeo”, hervir y “lithos” piedra, ya que muchas zeolitas parecen

hervir cuando se calientan (Olguín, 2006).

En la segunda década del siglo XX, los investigadores descubrieron que las zeolitas poseen

características de adsorción selectiva y por primera vez fue utilizado el término "tamices

moleculares". A finales de los años 40, llegó a ser evidente que estos minerales tienen un

potencial comercial significativo, pero en aquella época las fuentes de extracción eran

limitadas, así que los investigadores desviaron su atención a la producción de zeolitas

sintéticas. No fue sino hasta finales de 1950 cuando se descubrieron los depósitos

potencialmente comerciales de zeolitas en rocas sedimentarias, además de sus atractivas

propiedades físicas y químicas. Desde entonces, se han citado más de 2000 descubrimientos

de estos materiales en más de 40 países y se explotan zeolitas en más de una docena de ellos.

Las zeolitas se encuentran en una variedad de yacimientos sedimentarios en todo el mundo, y

son comunes en rocas que se han generado total o parcialmente por transformación de

materiales volcánicos. Así, las zeolitas deben ser y son de hecho, abundantes en zonas de la

tierra donde la actividad volcánica ha sido predominante en el pasado geológico reciente.




13

Durante muchos años las zeolitas han sido consideradas como curiosidades mineralógicas, al

encontrarse comúnmente como rellenos de cavidades en lavas basálticas, y no presentar la

suficiente cantidad o pureza para ser comercialmente útiles. Sin embargo, desde 1950, las

investigaciones realizadas registraron que las zeolitas constituyen más del 90% de muchas

rocas sedimentarias de textura bandeada de origen volcánico en todo el mundo. Ahora se

reconocen como minerales relativamente abundantes en estos ambientes geológicos, y

presentan características físicas y químicas que las hacen valiosas en muchas áreas de la

tecnología industrial y agrícola.

A pesar de su variedad, sólo ocho zeolitas naturales son suficientemente abundantes en

yacimientos sedimentarios para ser de interés como materia prima industrial; éstas son:

analcima, chabazita, clinoptilolita, erionita, heulandita, laumontita, mordenita y phillipsita

(Hawkins, 1984). La clinoptilolita es probablemente la más abundante zeolita en la naturaleza

(Sheppard, 1984).

Según Mumpton & Sand (1978) los principales hitos en la historia de las zeolitas son:

• Damour (1857) demostró la capacidad de hidratación de estos minerales.

• Eichhorne (1958) evidenció la capacidad de intercambiar sus componentes catiónicos.

• Weigel & Steinhof (1925) separaron moléculas de gases por adsorción y diferencia de

tamaño.

• Samashina (1929) presentó sus trabajos en adsorción.

• McBain (1932) acuñó el término de tamiz molecular.

• Barrer (1938) dio a conocer quizás el trabajo más importante sobre adsorción y tamizado

molecular.

•Breck & Milton (1940) comienzan sus trabajos en la División Linde de la Union Carbide

Corporation en el programa de síntesis de zeolitas.

• Coombs (1954) encuentra laumontita en rocas sedimentarias en Nueva Zelanda.

• Ames, Sand & Goldish (1958) encuentran clinoptilolita de alta pureza en Héctor, California.

• Milton (1959) patenta la zeolita sintética tipo A.




14

• Milton, Breck & Flanigen (1959) sintetizan chabazita, mordenita y faujasita, X y Y, y

producen diversas zeolitas sintéticas sin símiles en la naturaleza.

Las zeolitas se caracterizan a menudo por las siguientes propiedades, según Breck (1974):

1. Alto grado de hidratación.

2. Baja densidad y gran volumen de vacíos cuando están deshidratadas.

3. Estabilidad de la estructura cristalina cuando están deshidratadas.

4. Características de intercambio catiónico.

5. Canales de tamaño molecular uniformes en los cristales deshidratados.

6. Conductividad eléctrica.

7. Adsorción de gases y vapores.

8. Características catalíticas.

Según Mumpton & Sand (1978), las principales aplicaciones de zeolitas son:

• Control ambiental: gestión de desechos radiactivos; tratamiento de efluentes de aguas

residuales; tratamiento de aguas residuales agrícolas; limpieza total de gases emanados de

chimeneas; producción de oxígeno.

• Conservación de energía: Gasificación de carbón; purificación de gas natural; usos en

energía solar; producción de petróleos.

• Agricultura: Fertilización y remediación de suelos; adsorción de pesticidas, fungicidas y

herbicidas; adsorción de metales pesados de los suelos; nutrición animal; tratamiento de

excremento animal.

• Minería y metalurgia: Adsorción de metales pesados de efluentes; adsorción de metales en

procesos metalúrgicos

• Aplicaciones varias: En la industria del papel; construcción; aplicaciones médicas;

detergentes; control de malos olores, camas de animales, etc.

No es posible encontrar un reporte completo de la producción mundial de zeolita natural, ya

que algunos países no publican su producción de zeolitas; sin embargo en 1997 la producción

mundial alcanzo las 3,625 millones de toneladas, liderada por China con un 70 % de




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producción, seguida por Cuba (15%), Alemania (4%), Japón (4%), Corea del Sur (3%), y el

resto repartido en más de 8 países que no superan las cien toneladas anuales (Nazareno, 2002).

Respecto al consumo y usos, las zeolitas naturales, en muchas de sus aplicaciones compiten

con varios minerales, incluso las zeolitas sintéticas. La tabla 1 muestra los principales usos

finales de los principales países productores de zeolitas.

Tabla 1 Usos y aplicaciones los principales productores de zeolitas naturales.

País Usos y aplicaciones

China Construcción

Cuba Agricultura /Construcción

Alemania Construcción

Japón Agricultura /Construcción

Rusia Tratamiento de líquidos reactivos

Estados Unidos Catalizadores

A pesar de la gran variedad de aplicaciones prácticas, tanto industriales como agrícolas, no

existe un verdadero mercado mundial de zeolitas naturales, principalmente debido a la

competencia con los productores de zeolitas sintéticas, y a la falta de investigaciones

científicas y tecnológicas que posibiliten la obtención de productos y tecnologías de zeolitas

naturales (Giannetto et al, 2000).

2.2 Antecedentes zeolitas naturales en Chile

Debido a la naturaleza volcánica de la Cordillera de Los Andes, que recorre Chile de norte a

sur, convierte al país en un potencial productor de Zeolitas de forma natural; debido a que

estos minerales están relacionados, tanto en su génesis como en su concentración a la

actividad volcánica y la historia geológica nacional de los últimos 200 millones de años está




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ligada a una permanente actividad de centros volcánicos (ACEEFO, 1991).Pese a lo

mencionado, a nivel nacional ha existido un reducido desarrollo del conocimiento de las

zeolitas, pero en los últimos años se han incrementado las investigaciones y con ello el

conocimiento de estos minerales.

Villa (1953) entregó los primeros antecedentes de zeolitas en la VII Región, cerca de los

volcanes Descabezado Grande y Cerro Azul, en las rocas volcánicas de los Cerrillos de Teno y

en el Cerro Canucalqui. Posteriormente entre las décadas de los 60-70 se llevó a cabo el

estudio denominado “Investigación Geológica en Secuencias de Rocas Volcánicas de la

Región Metropolitana Afectadas por Metamorfismo de Bajo Grado”, por geólogos de la

Universidad de Chile (Gajardo, 2000).

Posteriormente en la década de los 80 se dan los primeros pasos en el intento de realizar

investigaciones científicas por parte de organismos públicos de la época, como el ex-INTEC,

con su proyecto "Utilización de zeolitas en procesos de separación de gases", que no fue

concluido por motivos administrativos y financieros de aquella institución (SERNAGEOMIN,

2002). Dichas investigaciones han abarcado tanto el estudio de zeolitas naturales en rocas

volcánicas cretácicas y terciarias, y en vetas de origen hidrotermal, como el estudio de zeolitas

sintéticas a partir de arcillas y pumicitas (Gajardo, 2000).

Investigaciones científicas aplicadas se han desarrollado desde los 90 hasta la fecha,

patrocinadas por el sector privado como por la Corporación de Fomento de la Producción

(CORFO) (SERNAGEOMIN, 2002), y en menor magnitud por algunas universidades

nacionales, como por ejemplo los realizados por la Universidad de Concepción en el centro

GEA donde se han realizado estudios en base a síntesis de zeolita (Sanhueza, 1997), o los

estudios realizados en los últimos años en la Universidad Católica de la Santísima Concepción

en el Laboratorio de Tecnologías Limpias, por el profesor Héctor Valdés (Valdés et al,2010).

A lo largo de nuestro país es posible encontrar diversos yacimientos de zeolitas (tabla 2), entre

ellos podemos mencionar el ubicado región la región de Atacama con un depósito de

ignimbitas terciarias zeolitizadas con un alto potencial económico (CODESAT, 1997), además




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fueron encontradas vetas hidrotermales de estilbitas, y lavas con amigdalas rellenas de estas

zeolitas (Cisterna et al, 1999).

También en la región de Valparaíso, en el sector las Trancas, fueron reconocidas vetillas

rellenas con eulandita y cuarzo que cortan andesitas, granodioritas y granitos, cuya génesis se

relaciona con fluidos hidrotermales de baja temperatura (SERNAGEOMIN-BRGM, 1994).

Además es conocida la existencia de zeolitas en Farellones, Cajón del Maipo y en la cuesta

Chacabuco, donde ese mineral se encuentra concentrado en amígdalas en rocas volcánicas,

alcanzando entre un 5 y 30% de la roca (ACCEFO Ltda, 1991).

En la región del Maule, específicamente en la ciudad de Parral, se encuentran los depósitos de

mayor potencial económico reconocidos hasta la actualidad en Chile, según estudios

geológicos desarrollados por la Universidad de Concepción que dan cuenta de que aquellos

depósitos contienen una alta cantidad de zeolita, sobre un 80%, en un estado muy puro

(Bascuñan, 2005).

En la misma región se encuentra el yacimiento Valentina, ubicado en las cercanías de la

Termas de Catillo, donde se encuentran tobas terciarias de la formación Estero-Carnicero con

altos porcentajes de mordenita y clinoptilonita (60-80%) con un potencial de 1,4 Millones de

toneladas (Gajardo, 2000). La extracción de estos minerales se inició en el 2002 por la minera

Serrin, con una producción de 839 toneladas, empleadas como complemento de alimentación

y aditivos como suelos (SERNAGEOMIN, 2002). En el reporte anual de minería se

SERNAGEOMIN 2012, se registró una aumento en la producción de zeolita a nivel nacional

de 166% (94 toneladas 2011, 250 toneladas 2012).

Por último el depósito Lloimávida, ubicado entre los ríos Cato y Perquilauquen, presenta

características muy similares al yacimiento Valentina, ya que se encuentra emplazado en la

misma unidad y posee la misma mineralogía de alteración, sin embargo aun no ha iniciado su

explotación (Bascuñan, 2005). Los estudios realizados comprueban su elevado potencial

económico y la aplicación del producto en alimentación, descontaminación y agricultura, en




18

especial su combinación con minerales de apatita para el mejoramiento de la calidad de los

suelos agrícolas (Cabrera et al, 2004).

Tabla 2 Yacimientos presentes a lo largo del territorio nacional con registro en Servicio Nacional de Geología y

Minería (SERNAGEOMIN, 2002).

Las investigaciones desarrolladas han abarcado diferentes áreas técnicas como la agricultura,

química, construcción y geología. Pero no existen antecedentes de investigaciones que

permitan comprender el comportamiento de las propiedades geotécnicas de este material en el

país, es por ello que serán objeto de estudio en esta investigación.

Nombre del Yacimiento Ubicación

Cerro EL Indio Región de Antofagasta

Cerro Imán Región de Antofagasta

Sector de Lomas Bayas-Cerro La peineta Región de Atacama

Sector Estero Alicahue Región de Valparaíso

Sector Cuesta Chacabuco Región Metropolitana

Valle Nevado Región Metropolitana

Valentina Región del Maule

Sector Estero Carnicero Región del Maule

LLoimávida Región del Maule

Digua Región del Maule

Las Tablas Región del Maule

Quinamávida Región del Maule

Puerto Puyuhuapi Región General Carlos Ibáñez del campo




19

2.3 Definición de zeolita

Las zeolitas pertenecen al grupo de los aluminosilicatos cristalinos e hidratados, que contienen

cationes cambiables de los grupos de los elementos 1A y 2A (Na+, K

+, Mg

2+ y Ca

2+), poseen

una ordenación tridimensional (tectosilicatos) donde predomina una estructura abierta porosa

con diámetros de poro mínimos de 3 a 10 Å, que les aporta gran capacidad para incorporar y

ceder agua y cationes, sin cambios importantes en su estructura cristalina (Bosch & Schifter,

1997; Lobo, 2003). Sus estructuras internas permiten que actúen como tamices moleculares

que puedan retener y liberar selectivamente las moléculas por adsorción según su tamaño y

forma (Poole & Prijatama, 2001). Vezzalini (1997) valoró esta definición de zeolita por sobre

la más reciente definición propuesta por la International Zeolitic Association (IZA): "Una

zeolita está caracterizada por una estructura de tetraedros enlazados que contiene cavidades

en forma de canales y cajas que comúnmente están ocupadas por moléculas de agua y

cationes. En las fases hidratadas ocurre la deshidratación a temperaturas moderadas

(fundamentalmente por debajo de 400°C) y ésta es altamente reversible".

En la figura 2, se describe la estructura básica de una zeolita, donde se observan a los átomos

de silicio rodeados por 4 átomos de oxígeno; el Al3+

está reemplazando al Si4+

en el centro de

los tetraedros estructurales, creando una deficiencia de cargas positivas o un aumento de

cargas negativas que están siendo compensadas por los cationes de intercambio Ca2+

, Mg2+

,

K+, y Na

+, para mantener el equilibrio de la red de la zeolita. También se observa en el interior

de la red el agua zeolítica. Los cationes intercambiables pueden desprenderse fácilmente e

intercambiarse con cationes selectivos de su entorno.




20

Figura 2 Estructura básica de una zeolita (ex: http://www.relaq.mx/RLQ/cuba/zeolita.html)

La fórmula general de una zeolita asumida hasta la fecha es:

(Na,K)x(Ca,Mg,Sr,Ba)y[Al(x+2y)Si2-(x+2y)O2x].nH2O

Donde:

La fórmula química de la celda unitaria de una zeolita según la más reciente definición puede

escribirse como:

xM+

1/n[(T(1)O2)y(l)(T(2)O2)y(2)...]mX+.zA

Donde:

M: catión de valencia n (x>0)

T: T(1), T(2): elementos del esqueleto cristalino

A: agua, moléculas diversas, pares iónicos (z>0)

http://www.relaq.mx/RLQ/cuba/zeolita.html




21

Esta fórmula presentada anteriormente resulta más completa, respondiendo mejor a los

conocimientos científicos actuales (Giannetto et al, 2000).

Las zeolitas poseen redes tridimensionales, en las que todos los átomos de oxígeno pertenecen

simultáneamente a dos tetraedros de SiO4 (que forman redes unidas tridimensionalmente). Se

constituye así el esqueleto de la estructura cristalina (figura 3). Esta estructura es menos

compacta que la de los feldespatos (Ueda et al., 1980).

En los espacios abiertos de la estructura se introducen las moléculas de agua que no participan

en la cohesión de la red, y se conoce, generalmente, con el nombre de "agua zeolítica", razón

por la cual forman espumas al calentarse.

Esta agua se encuentra impregnando toda la red cristalina del mineral, rodeando a los cationes

de intercambio en los espacios abiertos; no juega ningún papel, ni desde el punto de vista

químico ni en la estabilidad de la estructura molecular y se puede eliminar sin que la red se

destruya.

Figura 3 Esquema de las moléculas que forman la celda unitaria de la mordenita (ex:

http://crystals.ethz.ch/IZA-SC/3D-images/FWviewer.php#)

http://crystals.ethz.ch/IZA-SC/3D-images/FWviewer.php




22

El agua constituye entre un 10% y un 20% en peso de la zeolita, que se puede extraer de forma

más o menos continua y reversible por calentamiento hasta unos 350ºC; los canales quedan

vacíos y son capaces de adsorber cationes o radicales del tamaño adecuado, que ocupan

determinadas posiciones internas, muy próximas a los tetraedros estructurales.

La estructura presenta canales y cavidades de dimensiones moleculares variables, en los

cuales, además de moléculas de agua, absorbatos y sales, se encuentran los cationes de

compensación. Este tipo de estructura microporosa hace que las zeolitas presenten una

superficie interna extremadamente grande en relación a su superficie externa (Bosch &

Schifter, 1997).

Entre las características generales de las zeolitas están las siguientes:

- Diámetro de poro: 2 a 12 angstroms.

- Diámetro de cavidades: 6 a 12 angstroms.

- Superficie interna: varios cientos de m2/g, entre 500 y 1000 m

2/g

- Capacidad de intercambio catiónico: 0 a 650 miliequivalente (meq)/100g.

- Capacidad de adsorción: <0,35 cm3/g.

- Estabilidad térmica: desde 200º hasta más de 1.000ºC.

2.3.1 Clasificación de las zeolitas

Las zeolitas pueden ser clasificadas de diferentes maneras, según el criterio considerado, de

las cuales las más usadas son:

2.3.1.1 Clasificación por diámetro de poros

Si se considera el número de átomos de oxígeno que forman los anillos o poros por los cuales

se penetran al espacio intracristalino, las zeolitas pueden clasificarse como se muestra en la

tabla 3.




23

Tabla 3 Clasificación de las zeolitas respecto al tamaño de los poros (Sanhueza, 1997).

Zeolita Átomos de oxígeno que forman

la abertura

Diámetro de poro θ(Å)

Poro Pequeño 8

Poro Mediano 10

Poro Grande 12

Poro Extragrande 18

El hecho de presentar diversos diámetros moleculares le proporciona a las zeolitas una

propiedad muy particular, de gran uso industrial, conocida como selectividad geométrica o de

forma.

Las características de los poros de la zeolita son muy importantes a la hora de definir su

importancia, y la regularidad de su estructura es utilizada para tamizar moléculas, atrapar

compuestos y absorber gases (Pavelić & Hadžija, 2003). Con el intercambio iónico es posible

alterar el tamaño de los canales por los que circulan las moléculas, y fijar metales con

propiedades químicas peculiares en algunas de esas posiciones.

Las zeolitas, a diferencia de otros tectosilicatos, tienen estructuras abiertas, de densidades

entre 2,1-2,2 g/cm3; el volumen de los espacios vacíos puede alcanzar el 50%. Cada zeolita

tiene una estructura característica y, por tanto, propiedades físicas y químicas específicas.

2.3.1.2 Clasificación de acuerdo a su estructura

Son clasificadas en grupos de acuerdo a las semejanzas en la estructura de aluminosilicatos.

Dentro de cada grupo, las zeolitas tienen una unidad básica que corresponde a la configuración

tetraédrica de 4 átomos de oxígeno alrededor de un átomo central, generalmente Si o Al,

llamada “la unidad primaria” (Olguín, 2006). La unión de estas unidades primarias genera la

unidades “builder” secundarias (UBS), y la unión de estas unidades builder genera estructuras

poliédricas denominadas cajas (Sanhueza, 1997). Meier (1968) propuso una clasificación

estructural de las zeolitas apoyándose en estudios cristalográficos, la cual se basa en la

existencia de 8 unidades secundarias de construcción, como se muestra en la tabla 4.




24

Tabla 4 Clasificación estructural de las zeolitas (Meier, 1968)

Grupo C4

(Grupo de la Filipsita)

Grupo C8-T1

(Grupo de la Mordenita)

Grupo C6-C6

(Grupo de la Faujasita)

Zeolita TO₄ Si/Al Zeolita TO₄ Si/Al Zeolita TO₄ Si/Al

Li-Abw 8 1-3 Bikitaita 9 1-3 Linde 24 1-3

Filipsita 16 Dischiardita 24 Rho 46

Harmotoma 16 Epistilbita 24 ZK% 96

Gismondita 16 Ferrierita 36 Faujasita 192

Amicita 16 Mordenita* 48 Paulingita 672

Na-P 16 ZSM-5 96 <20 Linde N 768

Garronita 16 ZSM-1 96

Yugawaralita 16

Merlionita 32

Grupo C4-C4

(Grupo de la Analcima)

Grupo C6

(Grupo de la Chabazita)

Grupo C4-C4

(Grupo de la Heulandita)

Zeolita TO₄ Si/Al Zeolita TO₄ Si/Al Zeolita TO₄ Si/Al

Analcima 48 1-3 Sodalita 12 2.5-4.0 Brewsterita 16 2.2-

5.0 Leucita 48 Cancrinita 12 Heulandita 36

Wairakita 48 Ofrerita 18 Estilbita 72

A 48 Losod 24 Stellerita 72

Gmelinita 24 Barretita 72

Liotita 36

Chabazita 36

Mazzita 36

Grupo C4-T1

(Grupo de la Natrolita)

Erionita 36 Grupo C8

(Grupo de la Laumontita) Aghanita 48

Zeolita TO₄ Si/Al Levinita 54 Zeolita TO₄ Si/Al

Edingtonita 10 1-2 Laumontita 24 1-2

Gonnardita 20

Thomsonita 40

Natrolita 40

Scolecita 40

Mesolita 120

TO₄: Numero de tetraedros por celda unitaria;

Si/Al: Relación Silicio-Aluminio en el grupo Estructural




25

La zeolita extraída del sector Quinamávida se encuentra presente en el Grupo C8-T1 (Grupo

de Mordenita) (Tabla 4).

2.3.1.3 Clasificación de acuerdo a su relación Si/Al

Las zeolitas pueden también clasificarse de acuerdo a su relación Silicio/Aluminio, las ricas en

aluminio, intermedias y ricas en silicio (tabla 5).

Tabla 5 Clasificación de las zeolitas de acuerdo a la relación Si/Al (Sanhueza, 1997).

Tipo de Zeolita Relación Si/Al

Ricas en Aluminio

Intermedias

Ricas en Silicio

La zeolita extraída del sector Quinamávida presenta una relación Si/Al igual a 5.5,

correspondiente al tipo de zeolita con relación Si/Al intermedia (Tabla 5).

2.3.2 Propiedades de la Zeolita

Las diferentes aplicaciones comerciales de las Zeolitas se basan en las propiedades de

Intercambio catiónico, tamiz molecular, adsorción, deshidratación y rehidratación y catálisis,

las cuales son descritas a continuación.

2.3.2.1 Intercambio Catiónico

El intercambio catiónico es una de las propiedades principales inherentes a las zeolitas: los

cationes de intercambio están débilmente unidos a la estructura tetraédrica, y pueden

removerse con facilidad mediante lavado con una solución catiónica más fuerte (figura 4). La

capacidad de intercambio de muchas zeolitas alcanzan 2 ó 3 meq/g, aproximadamente el doble

que las arcillas bentoníticas; esta propiedad es una función del grado de sustitución de Si4+

por Al3+ en la estructura; es decir, cuanto más alta sea esta tasa, mayor deficiencia de cargas

positivas, y mayor es el número de cationes alcalinos o alcalinotérreos necesarios para




26

neutralizar la carga total. Hay otros factores que también intervienen: por ejemplo, algunos

cationes ocupan posiciones estructurales, y no es fácil cambiarlos, otras veces los cationes son

muy grandes para pasar por los canales y no se intercambian (en la analcima el Na+ se

intercambia casi completamente por Rb+, de radio iónico 1,49 Å, pero no admite al Cs+, de

radio iónico 1,65 Å.

Los cationes intercambiables de una zeolita están unidos débilmente al armazón del tetraedro

y pueden ser intercambiados y removidos por una solución con otros cationes. La capacidad

de intercambio catiónico es básicamente una función del grado de sustitución de aluminio por

silicio de la estructura, y corresponde a los cationes necesarios para compensar la carga

negativa de la red Al-Si (Holmes, 1994).

El comportamiento del intercambio catiónico de una zeolita depende de los siguientes

factores (Sherry, 2003):

1.- La naturaleza de las especies catiónicas, es decir, del catión, de su carga.

2.- La temperatura.

3.- La Concentración de las especies catiónicas en solución.

4.- Las especies aniónicas asociadas al catión en solución.

5.-El solvente, la mayor parte de los intercambios se lleva a cabo en solución acuosa aunque

también se hace con solventes orgánicos.

6.-Las características estructurales de la zeolita en particular.

7.- El tamaño del ion y su carga.




27

Figura 4 Esquema de intercambio catiónico de la zeolita (ex: Nazareno, 2002)

Debido a la selectividad de intercambio catiónico de las zeolitas naturales para ciertos

cationes, tales como Cs+, Sr

+2 y NH

4+, estos minerales han sido aplicados para el uso en

tratamientos de desechos nucleares, residuos líquidos industriales, municipales y provenientes

de los procesos mineros, además de la remediación de suelos contaminados con metales

pesados (Pabalan & Bertetti, 2001).

2.3.2.2 Tamiz Molecular

Fue McBain (1932) quien informó esta propiedad denominándole el término tamiz o malla

molecular, pero Barrer (1938) en Inglaterra, demostró por primera vez que las zeolitas se

comportaban como mallas moleculares. Si un gas o un líquido compuesto por dos tipos de

moléculas, unas más grandes que las otras, y si disponemos de una zeolita cuyos poros o

ventanas tengan un tamaño intermedio entre las moléculas pequeñas y las grandes, solo las

primeras entrarán en la zeolita, mientras que las segundas seguirán su camino (figura 5). Las

moléculas muy grandes pasan alrededor de la partícula y no son adsorbidas (efecto tamiz




28

molecular). La superficie de adsorción puede llegar a cientos de metros cuadrados por gramo;

algunas zeolitas ganan hasta un 30% de su peso seco, adsorbiendo gases.

Además de la adsorción por tamaño, existe adsorción por afinidad dipolar, debido a la

distribución de las cargas en los canales de una zeolita seca; ciertas zeolitas adsorben con

preferencia el CO2 (polar), antes que el CH4 (no polar), con lo que se puede purificar el gas

natural y aumentar su poder calorífico.

Figura 5 Mecanismo tamiz molecular de las zeolitas (ex: Nazareno, 2002)

2.3.2.3 Adsorción

Las zeolitas cristalinas son minerales adsorbentes. Los grandes canales centrales de entrada y

las cavidades de las zeolitas se llenan de moléculas de agua que forman esferas de hidratación




29

alrededor de dos cationes intercambiables. Si el agua es eliminada y las moléculas tienen

diámetros seccionales suficientemente pequeños para que estas pasen a través de los canales

de entrada, entonces son fácilmente adsorbidos en los canales deshidratados y cavidades

centrales. Las moléculas con diámetros demasiado grandes para los canales de las zeolitas, no

pasan dentro de las cavidades centrales y se excluyen dando origen a la propiedad de tamiz

molecular (Holmes, 1994).

La adsorción selectiva de agua de una zeolita seca es mayor que cualquier adsorción de gas o

líquido. Por tal propiedad, algunas zeolitas se usan como adsorbentes en procesos de

almacenamiento de energía solar (Figura 6).

Figura 6 Propiedad de adsorción de la zeolita (ex: Nazareno, 2002)




30

2.3.2.4 Deshidratación reversible

De acuerdo a la deshidratación reversible las zeolitas pueden ser clasificadas como:

a) Zeolitas que no muestran cambios estructurales mayores durante la deshidratación y

exhiben una continua pérdida de peso en función de la temperatura.

b) Zeolitas que sufren cambios mayores estructurales, incluyendo colapsos durante la

deshidratación, y exhiben discontinuidades en la pérdida de peso.

Un ejemplo típico del primer tipo de zeolita naturales como la clinoptilolita, la mordenita, la

erionita, la chabazita, las cuales son termalmente estables de 700 a 800°C. El comportamiento

en la deshidratación de las zeolitas del segundo tipo es semejante al primero que exhiben

pérdida reversible de agua a bajas temperaturas, sin embargo un mayor cambio estructural a

una elevada temperatura, y los materiales pierden su carácter zeolítico como por ejemplo la

heulandita (Holmes,1994).

2.3.2.5 Catálisis

Las zeolitas con grandes tamaños de canales poseen extensas áreas de superficie interna en su

estructura molecular y son capaces de catalizar muchos tipos de reacciones. Particularmente

son útiles en aplicaciones de purificación en la industria del petróleo y petroquímica,

removiendo agua y dióxido de carbono de los gases hidrocarburos (figura 7). En estos casos

generalmente son utilizadas zeolitas sintéticas ya que poseen canales de grandes dimensiones,

una alta capacidad de intercambio catiónico y una composición homogénea (Bascuñan, 2005).




31

Figura 7 Esquema de un catalizador zeolítico (ex: Nazareno, 2002)

2.3.3 Formación de zeolitas naturales

Las zeolitas naturales se generan en diferentes ambientes geológicos, derivados

principalmente de fenómenos volcánicos (Yukselen, 2010). Es posible encontrarlas en

depósitos de lagos salinos-alcalinos, formadas esencialmente por medio de un sistema cerrado

de alteración de las cenizas volcánicas; en secuencias geológicas verticales sedimentarias

formadas a través de la alteración de un sistema abierto y / o diagénesis; alteración




32

hidrotermal o rocas sedimentarias; y los sedimentos de aguas profundas (Bish & Guthrie,

1994).

Los geólogos indican que a medida que la lava fluida, homogénea y a muy alta temperatura, se

enfría es donde aparecen los primeros cristales sin silicatos (sin átomos de silicio). Luego

puede ser detectada la formación de ortosilicatos, como el olivino y posteriormente vendrían

los metasilicatos y feldespatos los que son minerales más comunes en la corteza terrestre. En

condiciones particulares, estos últimos sólidos darían origen a las arcillas, las zeolitas y a la

larga a alúminas como la bauxita.

Cuando el enfriamiento fuese tal que la lava se cristalice lo suficiente como para dar un

magma basáltico rico en álcalis sería probable que se formasen zeolitas por medios acuosos

salinos y alcalinos (figura 8). La "zeolitización" también se provoca mediante una caída súbita

de la temperatura en una lava basáltica.

Zeolitas formadas naturalmente pueden ser encontradas en las rocas volcánicas de Sicilia, en

donde han sido reconocidas del tipo chabasita, thomsonita, analcima entre otras. Los cristales

de zeolita suelen crecer bien, lo cual es típico de las reacciones hidrotérmicas en soluciones de

rocas ricas en álcalis, como por ejemplo, los basaltos. Las zeolitas debidas a alteraciones

hidrotérmicas de corrientes de lava basáltica en regiones geotérmicas existen en muchas partes

del mundo, por ejemplo, en los baños romanos de Plombières (Francia) o en el parque de

Yellowstone (EE.UU). Se trata entonces de zeolitas de origen volcánico (Bosch, 1997).

Existen también zeolitas de origen sedimentario, y son caracterizadas por ser aglomerados de

cristales de muy pequeñas dimensiones y a menudo con caras cristalinas mal desarrolladas, un

ejemplo de ellas es la clinoptilolita consideradas de las más abundantes en la superficie

terrestre y gran interés tecnológico y que corresponden a la zeolita estudiada en este trabajo.

Los antecedentes geológicos (figura 8), sugieren que las zeolitas se generan a partir de un

magma basáltico rico en SiO2 cuando disminuye la temperatura. También se forman si este

magma se pone en contacto con soluciones salinas y alcalinas (Bosch & Schifter, 1997).




33

La mayoría de los depósitos de zeolita derivan de las tobas, y de la hidratación del vidrio

volcánico, la que a menudo es considerada la etapa preliminar de la zeolitización. Las zeolitas

naturales, generalmente, son extraídas en forma de rocas frágiles y sólidas.

Lava Homogénea y Muy Fluida,

Alta Temperatura

Magma con Mayor

Concentración de SiO₂, todavía Muy Fluido

Magma Basáltico aún rico en

Sílice, pero todavía Fluido

Magma con Mucha Sílice

Obsidiana

Zeolitas

(a menudo cristales grandes y

bien formados)

Minerales sin Silicatos

(espinelas, Fe₃O₄)

Silicatos ricos en bases

(ortosilicatos, como el olivino)

Algunos olivinos Metasilicatos de

Mg, Ca, Fe (piroxenos).

Plagioclasa, feldespatos en las

últimas etapas

Gran rendimiento de feldespatos

(ortoclasa y cuarzo como primer

mineral, granito compuesto de

feldespatos, cuarzo y micas)

Arcillas, Zeolitas

Bauxita, Diáspora

La

te

mp

era

tura

dis

min

uye

, la

vis

cosi

da

d a

um

en

ta

Violenta

Caída de

temperatura

Figura 8 Esquema de formación de zeolitas en la naturaleza (ex.Bosch, 1997)

2.3.4 Usos y aplicaciones industriales de las zeolitas

Actualmente han aumentado las investigaciones que buscan alternativas para disminuir el

deterioro ambiental provocado por la actividad humana, que causa diversos efectos en los

medios de agua, aire y suelo. Desde este punto de vista, la zeolita posee gran potencial para

ayudar a generar una industria limpia y resolver algunos problemas de contaminación, además

de ser un recurso natural con alto grado de sustentabilidad que puede contribuir con la

economía de los países (Nazareno, 2002).




34

La extracción de zeolitas naturales sedimentarias desde los yacimientos superficiales es

comparativamente fácil en relación a la extracción de otros minerales, lo que hace que los

costos de esta operación sean bajos.

El valor principal de las zeolitas naturales se determina por sus propiedades que se pueden

agrupar en tres categorías fundamentales:

• Capacidad de adsorción

• Capacidad de intercambio catiónico

• Adsorción / desorción de agua

Los diferentes usos y potenciales aplicaciones que pueden ser otorgados a la zeolita, son

diversos y proporcionan diferentes soluciones a las distintas industrias, y van desde

suplementos dietéticos de aves de corral, hasta la eliminación de Cesio (Cs) radioactivo de

aguas residuales nucleares, entre otras (Mumpton & Sand, 1978).

Los usos de este mineral han sido desarrollados por diferentes investigaciones en distintas

áreas. Entre ellas se han registrado aplicaciones en la agricultura donde la combinación de dos

propiedades intrínsecas de la zeolita pueden utilizarse para mejorar la baja calidad de suelos

incrementando su capacidad de retención de agua e intercambio catiónico, lo que contribuye a

la reducción en el consumo de agua y de fertilizante debido a que se pierde menos agua por

evaporación y filtración, y menos fertilizante debido a la lixiviación reduciendo así la posible

nitrificación del acuífero (Huang & Petrovic, 1994).

Por otra parte, en la industria de la ganadería y nutrición animal. En países como España la

zeolita es utilizada en la crianza de cerdos para reducir los malos olores ofreciendo una

solución ecológica. Esto ocurre ya que la zeolita actúa como absorbente de la fracción líquida

de los purínes, la que una vez saturada, puede ser aplicada en campos como fertilizante de

liberación lenta (Milic et al, 2005). Este mineral retiene el amoníaco y previene la formación

de nitratos que son causa de un serio problema de contaminación. Finalmente, la adición de

zeolitas ha demostrado también que disminuye la mortalidad y mejora la resistencia a las

enfermedades de los animales (Nazareno, 2002).




35

La zeolita natural también tiene un gran abanico de aplicaciones industriales, pero son las

sintéticas las que son mayormente empleadas con esos fines, ya que se utilizan desde hace

algún tiempo en varias funciones, desde tamices moleculares hasta cargas en detergentes y

pinturas. Las zeolitas naturales no son tan versátiles pero ofrecen una alternativa económica y

también pueden ser aplicadas en varias funciones, como la separación de gases debido a que

las zeolitas son tamices moleculares naturales, la clinoptilolita puede eliminar Dióxido de

Carbono del metano (Febles et al, 2007).

La zeolita natural posee muchas propiedades beneficiosas para lo humanos, ya que puede ser

utilizada como filtro físico dada la estructura química que posee; además se ha descrito que

este mineral ha sido usado en producción de detergentes, cosméticos y desodorantes, desde

este punto de vista, la zeolita actúa como absorbentes de humedad y malos olores, como por

ejemplo para el cuidado de los pies y es efectiva para el pié de atleta (Casals, 1988).

2.3.4.1 Zeolita en Ingeniería

Las diferentes propiedades de la zeolita no han pasado desapercibidas para los ingenieros, los

que han desarrollado estudios en las diferentes áreas. Estos han generado distintas aplicaciones

innovadoras de este mineral, las cuales otorgan soluciones y pueden reemplazar otros

materiales comúnmente usados a bajos costos, optimizando de esta manera los recursos

disponibles.

Ribera & Piña (2002) consideran a la zeolita natural como uno de los mejores minerales

disponibles en la naturaleza para la filtración de agua, producto de su alta porosidad y

superficie específica interna combinada con su capacidad de intercambio catiónico natural. La

zeolita corresponde a un medio filtrante muy superior a la arena o a otros minerales, ya que

elimina partículas contaminantes de 10μm e inferiores, y es capaz de absorber cationes en

soluciones (Fe, Mn, Cu, Zn) y metales pesados (Pb y As) (Rodríguez & Rodríguez, 1998).




36

La zeolita puede ser utilizada de la misma forma que la arena o puede ser utilizada en

combinación de ésta y/o otros medios filtrantes como el carbón activado para obtener gran

pureza en la calidad del agua o para purificar agua altamente contaminada. Como el agua hoy

en día es un recurso natural que cada año se hace más escaso y de alta demanda por su

importancia, la zeolita ofrece la posibilidad de obtener agua limpia, o de mejor calidad,

proveniente de cualquier origen (Gutiérrez, 1996; Tarasevich, 1989). Un ejemplo de esta

aplicación es la implementación de una planta de tratamiento de aguas negras y residuales en

el pueblo de Mandinga, Veracruz México en el 2010.

Por otra parte, la industria de la construcción es un mundo muy dinámico en donde existe una

alta demanda de tecnología y materiales eficientes, la zeolita natural como materia prima

ofrece grandes oportunidades para el desarrollo de futuros materiales de construcción. Países

como China ocupan la zeolita en la fabricación de hormigón ligero y de alta calidad debido a

que son puzolanas naturales. Pueden utilizarse para sustituir hasta un 40% del cemento

Portland para la obtención del hormigón ligero con propiedades específicas. El hormigón

puede hacerse con una resistencia a la compresión entre 5 y 30 MPa y densidad entre 500 y

1500 Kg/m3 (Rosell et al, 2006).

Debido a que la zeolita posee estructura porosa y que es capaz de retener el agua, puede

aumentar el tiempo de fraguado y la resistencia a la compresión durante el fraguado del

hormigón. Además por su alta capacidad de intercambio catiónico permite limitar o evitar

totalmente la reacción álcali-silica a diferencia de otras puzolanas (Gennaro et al, 2003).

Para la producción de cemento clinker es necesario la utilización de mucha energía y se

produce dióxido de carbono en exceso, es por ello que la utilización de zeolita en la

fabricación de cemento supondría un ahorro energético y una reducción en las emisiones de

CO2 importante (Nikolaev, 1997).

Este mineral es capaz de expandirse al ser calentado hasta los 1200° - 1400°C para producir

un árido ligero de alrededor de 0.8 Kg/cm3

(Stojanovic, 1972). Eso puede ser utilizado para

fabricar bloques ligeros para construcción o paneles decorativos, por ejemplo, los científicos




37

han estudiado el verdadero potencial de la zeolita en el campo de la cerámica (Torii, 1974;

Nazareno, 2002).

En geotecnia si bien las investigaciones realizadas sobre la zeolita son pocas, en los últimos

años se ha desarrollado estudios que otorgan de soluciones eficientes a problemas ambientales

aprovechando las propiedades del mineral. Un ejemplo de ello es la utilización de este mineral

no metálico en la recuperación de suelos y aguas subterráneas contaminadas, donde se utiliza

como material reactivo para rellenar los sistemas de barreras reactivas permeables (PRB en

inglés).

Las PRB son un sistema de tratamiento de aguas in-situ semipasivo que utilizan un medio que

promueve reacciones químicas o bioquímicas o procesos de sorción para transformar o

inmovilizar los contaminantes. La tecnología consiste en interponer un medio reactivo

semipermeable en el camino del flujo de una pluma de contaminantes, tal como muestra la

figura 9.

La construcción de una PRB consiste reemplazar el material del acuífero con materiales

reactivos perpendicularmente al sentido del flujo del acuífero. Para su diseño se debe tener

presente tres criterios: sorción del material empleado, criterio hidráulico tanto del acuífero

como del material empleado y criterio de las propiedades mecánicas donde la resistencia al

corte y compresibilidad del material proporcionaran información en la seguridad y estabilidad

en el tiempo de la PRB (Fronczy & Garbulewski ,2009). PRB de zeolita granular pura han

instalado en dos sitios en América del Norte: Chalk River, Ontario y West Valley, Nueva

York. Ambas PRBs usan clinoptilolita para tratar estroncio-90.




38

Figura 9 Esquema de las barreras reactiva permeable (ex: Fronczyk & Garbulewski, 2009)

Como otra utilización de la zeolita dentro de la geotecnia Shaqour et al (2011) y De Brito

Galvão (2008) han estudiado la zeolita como material para revestimiento de vertederos, donde

la baja permeabilidad, baja compresibilidad y resistencia mecánica del material fino han

proporcionado buenos resultados en sus modelaciones e investigaciones.

Al-Tabbaa & Backer (2011) presenta tecnologías recientes que se han desarrollado a nivel

mundial en el mejoramiento de suelo, en su trabajo menciona las PRB con incorporación de

zeolita, además informa de estudios realizados en donde la incorporación de zeolita como

sustituto de cemento portland entre 10-15% en la estabilización de arcillas para mejorar la

resistencia al cote no drenada, obtenida por compresión no confinada, en un 40% a pesar de

poseer una estructura abierta, reduce la permeabilidad en un orden de magnitud.



COLBÚN, REGIÓN DEL MAULE, CHILE Capitulo 3.Geología

39

Capítulo 3

GEOLOGÍA

Aspectos Geológicos

La estructura geográfica actual de Chile, es el resultado de acontecimientos geológicos de

diferentes características que tuvieron lugar durante varios millones de años, donde las

distintas fuerzas ejercidas por el planeta moldearon el país, dando origen a múltiples

formaciones geológicas. Es usual caracterizar a Chile en tres grandes zonas en toda su

longitud: la cordillera de la costa, la depresión intermedia y la cordillera de los Andes.

La evolución del relieve chileno está asociado principalmente a la subducción de las placas

tectónicas de Nazca y Sudamericana, que se hace presente hoy en día en una línea continua de

volcanes activos e inactivos, sobre todo estratovolcanes andesíticos, que están distribuidos a lo

largo del país, lo que representa alrededor del 10% del denominado Cinturón de fuego del

Pacífico (Pankhurst & Hervé, 2007).

Es por esto que los distintos sucesos, acontecidos en Chile continental, en los periodos

geológicos, han favorecido a la formación de la zeolita en distintas zonas del país, sobre todo

en sectores donde hay gran presencia de cuerpos volcánicos, que sumado a la cuencas de la

baja montaña, y depresión central, se han convertido en zonas idóneas para que se formen

yacimientos de zeolita.

3.1 Geología regional

A continuación, se presenta una caracterización geológica de un extracto de la Región del

Maule, en donde se describen las principales formaciones y las secuencias volcánicas cercanas

al yacimiento que pudieron influenciar la formación de zeolita en el sitio de estudio (figura

10).




40

Esto se realizó en primera instancia en función a la revisión del mapa geológico de Chile de

SERNAGEOMIN (2003), donde se muestra la zona geológica del yacimiento de la zeolita en

estudio. En la tabla 6 se establece la leyenda del mapa geológico de un extracto de la región

del Maule.

Figura 10 Mapa de la geología regional del Maule (Ex. SERNAGEOMIN, 2003. Versión digital, escala

1:1000000).

Quinamavida

N

36°

71°

OM2c

P13t




41

Tabla 6. Leyenda del mapa geológico que se presenta en la figura 10.

Secuencias Sedimentarias

Q1: Pleistoceno-Holoceno: Abanicos mixtos de depósitos aluviales y fluvio-glaciales, con intercalaciones de depósitos volcanoclásticos.

Qlg: Pleistoceno-Holoceno: Morrénicos, lluvioglaciales y glaciolacustres diamictos de bloques y matriz limo/arcilla, gravas, arenas y limos. Formación la Montaña.

PP11r: Plioceno-Pleistoceno: Depósitos de remoción en masas,brechas polimioliticas con matriz de arena/limo en proporción variable de flujo o deslizamiento gravitacional. Formación Campanario.

Secuencias Volcanosedimentarias

OM2c: Oligoceno-Mioceno: Secuencias volcanosedimentarias lavas basalticas a dacíliticas, rocas epiclásticas y piroclásicas. Formación Abanico, Formación Colbún.

Secuencias Volcánicas

P13t: Pleistoceno: Depósitos piroclásticos principalmente riolíticos asociados a calderas de colapso.

Rocas Intrusivas

Mg: Mioceno (18-6 Ma) Granodioritas, dioritas, tonalitas. Fraja central del Batolito Norpatagónico y plutones orientales

Algunas formaciones de la Región del Maule son:

Formación Abanico (Muñoz,1950)

Formación Colbún (Karzulovic et al,1979)

Formación Farellones (Klohn,1960)

Formación Campanario (Drake,1974)

Formación Cola de Zorro (González & Vergara,1962)

Formación La Montaña (Gajardo,1981)




42

TABLA 7 Principales formaciones rocosas de la región del Maule.

Nombre Ubicación Componentes

Edad (Última

datación) Observación

Formación

Colbún

(Karzulovi et al, 1979)

Aflora en una franja

adosada en la vertiente

de la cordillera de los

Andes, casi en el borde

de la Depresión

Intermedia.

Lavas y brechas andesíticas

y piroclásticas, con

intercalaciones de tobas,

areniscas lutitas.

Eoceno Superior-

Mioceno Medio.

(Vergara et al

1999)

Se depositó en

una cuenca

continental de

rápida

subsidencia y

activo

volcanismo

(Vergara,1985)

Formación

La Montaña

(Gajardo,1981)

Sector Centro oriental

de la región del Maule,

entre la depresión

intermedia y la Precordillera.

Sedimentos de origen glácial

y glacialacustre. Contiene

principalmente depósitos

morrénicos.

Pleistoceno

(Muñoz &

Niemeyer, 1984)

Se reconoce

desde 35°30’

al 37° lat. Sur.

Formación

Cola de Zorro

(Gonzáles &

Vergara,1962)

Gran extensión

superficial en la

Cordillera de losAndes

(Chile y Argentina)

entre los 36° y 39° lat.

Sur.

Coladas de lavas andesíticas

y andesítico-basálticas y

depósitos piroclásticos

intercalados.

Plio-Pleistocénica

(Vergara &

Muñoz, 1982)

Espeso

máximo

estimado de

800 mts.

Formación

Colimapu

(Klohn,1960)

Se dispone

concordantemente sobre

la Formación del Flaco

Rocas sedimentarias

clásticas, en la parte inferior

lutitas y areniscas tobiferas

rojas, en su capa media

superior areniscas finas a

gruesas, con capas de caliza y

arenisca.

Albiano

(Escobar et

al,1977)

Su espesor es

de 600 mts,

posee una

extensión

restringida

cercana al

yacimiento.

Formación

Río Blanco

(Gardeweg,1980)

Definida al sur del

Volcán Nevados de

Longaví, en el río del

mismo nombre, y se

extiende entre los ríos

Achibueno, Longaví y

Relbún

Brechas volcánicas y

epiclásticas pardas y verdes,

tobas y tufitas verde moradas

con intercalaciones de tobas

ácidas fluviales

Cretácico

Superior

(Gardeweg,1980)

Alcanza un

apotencia de

2500 mts, al

sur del volcán

Nevados de

Longaví.

Formación

Farellones

(Klohn,1960)

Se distribuye en la alta

Cordillera de los Andes,

se encuentran

suavemente plegadas y

se apoyan en

discordancia angular de las rocas de la

Formación Abanico.

Sedimentitas clásticas

terrígenas, lavas andesíticas,

riolíticas y basálticas y rocas

piroclásticas. Rocas

sedimentarias de origen

lagunar consistentes en areniscas, lutita, tufita y capas

de caliza

Mioceno Medio

(Thiele et al

1991)




43

Nombre Ubicación Componentes

Edad (Última

datación) Observación

Formación

Campanario

(Drake, 1974)

Áreas adyacentes al río

Campanario, en la

región fronteriza en las

cercanías de la laguna

Maule.

Tobas andesíticas y dacíticas,

brechas volcánicas,

ignimbritas, flujos andesíticos

Mioceno

Superior-Plioceno

Inferior (Muñoz

&

Niemeyer,1984)

Posee unos

1000 mts de

potencia.

Formación

Baños del Flaco

(Klohn,1960)

Aflora en la quebrada

La Mina entre los ríos

Maule y Cipreses

Secuencia marina compuesta

por calizas, areniscas

calcáreas y margas, areniscas

glauconíticas y lutitas

Hauteriviana

(Gonzales

&Vergara ,1962)

Su espesor es

de 400 mts, en

la ubicación

mencionada.

Formación

Abanico

(Muñoz Cristi,1950)

Centro oriental de la

región del Maule, entre

la depresión intermedia y la precordillera.

Conjunto de lavas y rocas

volcanoclásticas con

intercalaciones sedimentitas clásticas continentales

Cenozoico

(Charrier et

al,1977)

Unidad rocosa

más extensa de

la región.

Formación

Corono del Fraile

(Gonzáles &

Vergara,1962)

Cerro Corona del Fraile

más al norte de la zona

donde se encuentra el

yacimiento de

extracción.

Conjunto de areniscas y

conglomerados

interstratificados con brechas

volcánicas y tobas

Terciario Inferior

(Escobar et

al,2002)

Alcanza un

espesor de 900

mts.

Formación

Río Damas

(Klohn,1960)

Aislados afloramientos

en el sector cordillerano

de la región.

Sedimentitas clásticas, finas y

gruesas, con intercalaciones

de potentes series volcánicas,

efusivas y piroclásticas.

Kimmeridgiana-

titoniana

(Klohn,1960)

Es la unidad

más antigua

cercana al

yacimiento de

extracción en

estudio.

3.1.1 Volcanismo actual

En el sector oriental de la región cercano al lugar de extracción, el cuaternario comprende

principalmente, materiales volcánicos que cubren extensas áreas y sepultan, en partes los

rasgos de las glaciaciones pleistocénicas. Los sedimentos glaciales, fluvio-glaciales, fluviales

y coluviales tienen un mejor desarrollo en las quebradas y valles principales (Gonzales &

Vergara, 1962).

Un detalle de las distintas formaciones volcánicas que se encuentran en la región del Maule

presenta a continuación.

Volcanitas del grupo Descabezado Grande (Gonzáles & Vergara, 1962)

Volcanitas Recientes (Escobar et al, 1977)




44

Grupo de Volcanes Descabezado Grande-Quinzapu-Cerro Azul (Gonzáles & Vergara,

1962)

Complejo Volcánico Tatara San Pedro (Singer et al, 1997)

Complejo Volcánico Laguna del Maule (Munizaga, 1978)

Grupo Volcánico Nevados de Longaví (Gardeweg, 1980)

Loma Blanca (Volcanolive, 2004)

Volcán Rezago (Gonzáles & Vergara, 1962)

3.1.2 Sedimentos cuaternarios

Esta unidad comprende sedimentos cuaternarios aluviales y diluviales, tanto de origen

volcánico, glacial, como fluvial y lacustre, principalmente no consolidados. La mayor parte de

esta unidad se encuentra en la depresión intermedia, donde existe una gran acumulación de

materiales meteorizados in situ, además de los aportes laháricos, fluviales y conos de eyección

que traen el producto de la denudación de la cordillera de los Andes, los cuales frecuentemente

aparecen formando terrazas (Escobar et al. 1977). En los valles de la Cordillera de los Andes

se encuentran sedimentos fluvioglaciales, que hacia la cabecera de éstos, se transforman en

morrénicos, y están en relación más o menos directa con relictos glaciales del Pleistoceno.

Estos depósitos comúnmente aparecen embalsando pequeñas lagunas (González & Vergara,

1962).

3.2 Geología local

A continuación se presenta una breve reseña sobre la geología local del lugar de donde se

extrae el material zeolítico, basándose en el trabajo realizado por Bascuñan (2005). El

yacimiento se ubica específicamente a 7 Km al sur de Panimavida, a 10 Km al Sureste de

Colbún y a la 69 Km al sureste de Talca (figura 11).

La zona de extracción del material se caracteriza por el afloramiento de rocas volcanoclásticas

y volcánicas pertenecientes a la formación Colbún, en la precordillera, formación que fue




45

definida como un conjunto de lavas y brechas andesíticas y piroclásticas, con intercalaciones

de tobas, areniscas y lutitas, que aflora en la vertiente occidental de la cordillera de los Andes

(Karzulovic et al, 1979)

La unidad volcanoclástica, presente en el lugar está compuesta principalmente por tobas,

producto de la deposición de material piroclástico, en un momento de intensa actividad

volcánica, de las formaciones Nevados de Longaví, Volcán Descabezado Grande Volcán

Descabezado Chico y Volcán Peteroa-Planchón, cuyas partículas posteriormente fueron

transportadas por suspensión en el viento y por el agua.

Dentro de la caracterización mineralógica de las tobas encontradas se llegó a la determinación

que corresponden a una asociación primaria de cuarzo, plagioclasa y a un conjunto de zeolitas

y arcillas resultantes de los procesos diagenéticos sufridos por la roca.

Las zeolitas presentes en el lugar son del tipo mordenita, clinoptilotita, heulandita y su origen

es diagenético que indica que se formaron a partir de sedimentos sueltos que sufren un proceso

de compactación, donde la consolidación se debe a la infiltración de aguas que contienen

materias disueltas.

Los tres tipos de zeolitas encontrados son de gran interés científico y poseen numerosa

aplicaciones.




46

Figura 11 Referencia satelital del lugar de extracción del material.

Los depósitos del área de estudio pertenecen a la secuencia Piroplástica, los que se formaron

en una cuenca continental en un periodo de volcanismo activo durante el Oligoceno Mioceno.

En esta cuenca se habrían depositado paquetes de ceniza, piroclastos y algunos epliclastos

provenientes de erupciones volcánicas (Bascuñan, 2005). Posteriormente, con la interrupción

de la actividad volcánica, el viento transportó cenizas y fragmento de pómez, depositándolos

en cuencas aisladas colmadas de agua, generando así la secuencia lacustre, caracterizando a

estas rocas.

Luego, con la deposición de la unidad Volcanoclástica ocurrió un cambio en el volcanismo,

originando la Unidad Volcánica, la que provocó una gran erupción de magma originando

coladas de lavas afanítica y porfídica; posteriormente el volcanismos paso a una fase

explosiva, ocasionando el escape de escorias bombas que conforman la Secuencia de brechas

(Bascuñan, 2005).




47

El paso de agua a través de las tobas aumento el pH y enriqueció la solución de Na, K y Si,

dando origen a una asociación de zeolitas, entre las que destacan clinoptilolita, mordenita y

heulandita. A continuación, las aguas meteóricas y termales en el sector norte del área de

estudio, favoreció las condiciones para la formación de esmectitas. Finalmente, las amígdalas

rellenas con zeolitas encontradas pudieron haber cristalizado dentro del flujo volcánico, o

provenir de los fluidos que posteriormente a la formación de la roca interactuaron con ella

(Bascuñan, 2005).



COLBÚN, REGIÓN DEL MAULE, CHILE Capitulo 4.Trabajo Experimental y Caracterización Geotécnica

48

Capítulo 4

TRABAJO EXPERIMENTAL Y CARACTERIZACIÓN GEOTÉCNICA

En la mecánica de suelos, los ensayos de laboratorio y las teorías para el diseño de estructuras

geotécnicas han sido desarrollados para obtener resultados confiables que predigan tanto el

comportamiento de los suelos como el de las estructuras. En este capítulo se exponen los

resultados de la totalidad de los ensayos realizados en esta investigación. También se incluye

el análisis e interpretación de los resultados obtenidos utilizando tablas y gráficos que resumen

el comportamiento de la zeolita analizada. Finalmente se presentan tablas resumen en las que

se muestran tanto las propiedades mecánicas como físicas.

Como se ha mencionado, la zeolita es un mineral que se puede encontrar en yacimientos

superficiales, debido a la deposición y acumulación de ceniza volcánica u otros elementos

volcánicos muy pequeños, este mineral suele encontrarse principalmente en tobas volcánicas,

que es un tipo de roca ígnea, ligera y de consistencia porosa.

El material zeolítico es extraído del yacimiento en forma de grandes rocas sólidas (figura 12),

y posteriormente es chancado para darle una granulometría deseada de acuerdo a las

especificaciones de cada consumidor.




49

Figura 12 Tobas volcánicas zeolíticas

4.1 Diseño experimental de ensayos de laboratorio

La Zeolita analizada en esta investigación se adquirió del yacimiento Quinamávida región del

Maule, Chile. Se compró una cantidad total de 120 Kg de material triturado y de un tamaño

nominal de partículas entre 2-5 mm. Por la naturaleza del material adquirido se procedió a

analizar muestras remoldeadas.

Se ha propuesto analizar este material zeolítico, en tres granulometrías distintas, para ello fue

necesario la preparación de dos bandas granulométricas, una con características de una “Arena

Media” con diámetros de partículas entre 0.36-2.00 mm y otra con características de una

“Arena Fina” con granos entre 0.075-0.71 mm, ambas con clasificación (SP) según USCS. La




50

tercera granulometría de análisis es la fracción fina menor a 0.075 mm que queda producto del

proceso de trituración. Las bandas granulométricas se presentan en la figura 13.

Figura 13 Curvas granulométricas usadas

Los porcentajes que pasan y las frecuencias de granos, para la preparación, de las curvas

propuestas se presentan en las tablas 8 y 9.

Tabla 8 Distribución y frecuencia de granos de la curva zeolita granular fina (ZGF)

Malla ASTM Abertura (mm) % Que Pasa Frecuencia (%)

N°18 0.85 100 0

N°20 0.71 99 1

N°30 0.5 96 3

N°40 0.355 86 10

N°50 0.25 60 26

N°60 0.212 35 25

N°100 0.15 10 25

N°200 0.075 4 6

0.0001 0.001 0.01 0.1 1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.001 0.01 0.1 1

Frecu

en

cia

de g

ran

o [

%]

Porcen

taje

qu

e p

asa

. %

Abertura tamiz, mm

ZGG

ZGF

Frec. ZGG

Frec. ZGF




51

Tabla 9. Distribución y frecuencia de granos de la curva zeolita granular gruesa (ZGG).

Malla ASTM Abertura (mm) % Que Pasa Frecuencia (%)

N°6 2.36 100 0

N°8 2 98 2

N°10 1.7 94 4

N°16 1 57 37

N°20 0.71 39 18

N°30 0.5 24 15

N°40 0.355 14 10

N°50 0.25 6 8

N°60 0.212 4 2

N°100 0.15 2 2

N°200 0.075 0 2

En la tabla 10 se presentan los valores de los diferentes diámetros efectivos, con sus

respectivos coeficientes de Curvatura (Cc) y Uniformidad (Cu) de cada una de las curvas

preparadas.

Tabla 10 Diámetros efectivos, coeficiente de uniformidad (Cu) y coeficiente de curvatura (Cc)

Diámetro

Efectivo

ZGF

mm

ZGG

mm

dmáx 0.71 2.0

d₆₀ 0.25 1.044

d₅₀ 0.234 0.875

d₃₀ 0.198 0.575

d₁₀ 0.15 0.298

Cu 1.67 3.5

Cc 1.04 1.06




52

4.1.1 Preparación de las curvas propuestas

Se prepararon las dos curvas granulométricas en el Laboratorio de Geomateriales de la UCSC.

Una vez adquirida la zeolita desde la cantera de extracción, como se mencionó anteriormente,

este material presentaba una distribución de granos entre 2- 5 mm. Es por ello que en el

laboratorio se procedió a la molienda del material reduciendo el tamaño de las partículas para

un posterior tamizado donde se recuperaron los granos necesarios para la fabricación de las

curvas propuestas.

Este proceso de molienda se hizo de forma artesanal ocupando un molinillo común que posee

un mecanismo sencillo de regulación del material de salida (figura 14.a). El Posterior

tamizado se hizo utilizando el agitador de tamices mecánico y también tamizado manual

(figura 14.b).

La selección de los distintos granos se llevó a cabo con los tamices disponibles en el

laboratorio. Para realizar este proceso es necesario ir recolectando los granos de cada tamiz y

almacenarlos, siendo cuidadoso en no mezclar los granos de diferentes tamaños para, de esta

forma, poder constituir correctamente las bandas granulométricas deseadas (figura 15).

a) b)

Figura 14 a) Molienda del material, b) Tamizado automático para posterior selección de granos




53

Una vez tamizado el material, procedente de la molienda, se obtiene un producto final en

todos los tamaños disponibles como se muestra en la figura 16, y una vez así se mezcla

homogéneamente de acuerdo a las especificaciones propuestas.

a) b)

Figura 15 a) b) Ejemplo de Tamizado y Selección de Granos por malla#40




54

Figura 16 Material retenido en cada tamiz.




55

Tabla 11 Cantidad en gramos de Zeolita para la preparación de las Bandas Propuestas

Zeolita granular gruesa Zeolita granular fina

Malla

ASTM Preparación Malla

ASTM Preparación

1 Kg 10 Kg 15 Kg 1 Kg 10 Kg 15 Kg

N°6 0 0 0 N°18 0 0 0 N°8 20 gr 200 gr 300 gr N°20 10 gr 100 gr 150 gr

N°10 40 gr 400 gr 600 gr N°30 30 gr 300 gr 450 gr

N°16 370 gr 3700 gr 5550 gr N°40 100 gr 1000 gr 1500 gr N°20 180 gr 1800 gr 2700 gr N°50 260 gr 2600 gr 3900 gr

N°30 150 gr 1500 gr 2250 gr N°60 250 gr 2500 gr 3750 gr

N°40 100 gr 1000 gr 1500 gr N°100 250 gr 2500 gr 3750 gr N°50 80 gr 800 gr 1200 gr N°200 60 gr 600 gr 900 gr

N°60 20 gr 200 gr 300 gr <#200 40 gr 400 gr 600 gr

N°100 20 gr 200 gr 300 gr N°200 20 gr 200 gr 300 gr

Al concluir la preparación se llegó a una cantidad de material total disponible para ensayar de

35 Kg de zeolita granular fina, 35 Kg zeolita granular gruesa y 45 Kg de zeolita polvo fino

Para poder conocer las propiedades geotécnicas de la zeolita Presente en las tobas de

Quinamávida, se realizaron diferentes ensayos de laboratorio, las cuales se definieron en

función del tipo de banda granulométrica con la que se estaba trabajando, donde se estableció

una metodología para el estudio sistemático de dichas propiedades para de esta forma definir

su comportamiento.

Se propuso analizar cada banda granulométrica zeolita granular gruesa y fina, ensayándolas a

distinta densidad relativa y grado de compactación en base al proctor modificado.

Los ensayos que se realizaron fueron:

Pruebas para determinar las propiedades físicas del suelo.

Análisis granulométrico: Como dos de las tres muestras de zeolita para ensayar fueron

preparadas en laboratorio la muestra que requería un análisis granulométrico detallado, es la

fracción fina zeolita polvo fino. Esto se realizó mediante análisis granulométrico de




56

sedimentación por hidrómetro para partículas con tamaños entre 0.075 mm hasta alrededor de

0.001 mm.

Límites de Atterberg: Para la realización de la caracterización de la zeolita polvo fino <0.075

mm, es importante determinar los valores de límite líquido y plástico del material para así

obtener el parámetro de plasticidad del mismo y poder clasificar el suelo bajo el sistema

unificado de clasificación de suelos, según la normativa NCh 1517/1.of 79 y NCh 1517/2.of

79.

Gravedad específica de los sólidos de suelo: La importancia de este ensayo para la

caracterización del suelo, radica en su aporte de información sobre las partículas que

componen el suelo y así determinar su densidad, además de ser un parámetro esencial para el

cálculo de relación de vacíos inicial de los suelos, siendo este ensayo fundamental para el

estudio del comportamiento del cambio volumétrico de estos.

Pruebas para determinar propiedades mecánicas del suelo.

Ensayo de consolidación unidimensional: Este ensayo se incluyó debido a su idoneidad para

investigar el fenómeno de cambio de volumen en los suelos, esto se realizó en condiciones de

muestras remoldeadas, con el objetivo de conocer los coeficientes de consolidación,

compresión e hinchamiento y permeabilidad de la zeolita natural (<0.075 mm).

Ensayo de densidad máxima y mínima: Se realizó en la muestra de zeolita granular gruesa

(ZGG), con el objetivo de determinar la densidad seca máxima y mínima.

Ensayo proctor modificado: Este ensayo se desarrolló en las muestras de zeolita granular

fina y a la zeolita fina (<0.075 mm), para ver el comportamiento de éstas cuando son

mezcladas con cierta cantidad de agua y compactadas, con el objetivo fundamental de

determinar las humedades óptimas y peso unitario seco máximo.

Ensayo de corte directo (caja de corte): El ensayo de corte se puede realizar bajo diferentes

consideraciones y configuraciones de la caja de corte. En la zeolita granular fina (ZGF),

zeolita granular gruesa (ZGG) y zeolita fina (ZF), se realizaron ensayos consolidados-




57

drenados (CD), con los cuales se obtuvieron diferentes resultados de esfuerzos cortantes. Se

utilizó la caja de corte de cuadrada 100x100 mm para las curvas granulares y para la zeolita

fina (<0.075mm) se utilizó la caja de corte circular de 60 mm de diámetro, ya que las probetas

fueron preparadas a un grado compactación deseado en el molde proctor y luego talladas .Los

parámetros que se obtienen de este ensayo son el ángulo de fricción, ángulo fricción residual y

valores de cohesión para cada una de las muestras.

Ensayo triaxial: El ensayo triaxial es uno de los métodos más confiables para determinar los

parámetros de la resistencia al cortante. Es por ello que se decidió realizar ensayos a las

distintas granulometrías propuestas para obtener los parámetros de resistencia como el ángulo

de fricción, cohesión y las trayectorias de tensiones. Se realizaron ensayos consolidados

drenados drenados a las distribuciones de zeolita granular gruesa y fina, y consolidado no

drenado a la zeolita fina (<0.075 mm).

Ensayo permeabilidad carga constante: Se realizaron ensayos de permeabilidad de carga

constante a las distribuciones de zeolita granular gruesa y fina, para determinar el coeficiente

de permeabilidad y se compararon esto resultado con los obtenido de forma empirica

4.1.2 Programa de ensayos

En la Tabla 12 se muestran los diferentes ensayos realizados para poder determinar las

propiedades físicas y mecánicas de la Zeolita Presente en las Tobas de Quinamávida, región

del Maule, Chile, mostrando la norma utilizada, condiciones de muestra y número de ensayos

realizados.




58

Tabla 12 Programa de Ensayos Caracterización Geotécnica de la Zeolita Presente en las Tobas de Quinamávida.

Ensayo Norma Muestra a Ensayar Cantidad

ZGF ZGG ZF

Gravedad especifica NCh 1532.of 80 2 2 2 6

Análisis granulométrico (Método del hidrómetro)

ASTM D 422.of 98 - - 3 3

Limite líquido y plástico e Índice de plasticidad

NCh 1517/1.of 79 - - 7 7

NCh 1517/2.of 79

Límite líquido caída de cono BS1377 of 90 -part2 - - 4 4

Densidad máxima y mínima NCh 1726.of 80 - 1 - 1

Proctor modificado NCh 1534/2.of 79 - 2 2 4

Corte directo (CD) ASTM D 3080.of 03 3 3 2 8

Compresión simple ASTM D 2166.of 00 - - 9 9

Consolidación unidimensional ASTM D 2435.of 03 - - 2 2

Triaxial (CD) BS1377 of 90 –part8 2 2 - 4

Triaxial (CU) BS1377 of 90 –part7 - - 1 1

Permeabilida carga constante ASTM D 2434.of 68 1 1 - 2

Total 53

Los procedimientos para cada uno de los ensayos realizados (tabla 12) pueden ser revisados en

las respectivas normativas que los rigen o también en Bardet (1997).

4.2 Clasificación

4.2.1Clasificación visual

De primera impresión el material adquirido tiene un matiz amarillo pálido, que se puede

corroborar con la “Soil-Color Chart” de Munsell Color de 2009, donde según esa

nomenclatura el color de la zeolita quedaría definido en la carta tono 2.5Y, valor 8, croma 3

(2.5Y 8/3). A simple vista el mineral no presenta una humedad significativa.




59

4.2.2 Difracción de rayos X (DFRX)

A pesar de que se contaba con antecedentes de la composición mineral de la zeolita estudiada

(Bascuñán, 2005), se solicitó realizar un ensayo de difracción de rayos X, para tener así la

certeza del mineral ensayado en el laboratorio. El ensayo de difracción de rayos X fue

realizado en el instituto GEA de la Universidad de Concepción, gracias a la colaboración del

profesor Oscar Jerez Riveros, quien pertenece al grupo metalúrgico GEOMET del mismo

instituto, e hizo posible la ejecución del ensayo sin costo alguno para esta investigación.

La difracción de rayos X es una técnica que permite identificar los minerales cristalinos que

conforman un medio, siempre y cuando estos, se encuentren presentes en un porcentaje

superior al 1%. Se utiliza radiación de rayos X, cuya longitud de onda oscila entre 0.02 Å y

100 Å, ya que toda sustancia cristalina dispersa rayos X en patrón propio de difracción,

produciendo así una huella de su estructura atómica y molecular. Por lo tanto la difracción de

rayos X presenta una característica única con la cual los componentes de un medio pueden ser

identificados como compuestos específicos a partir de sus diagramas de difracción.

El equipo de difracción de rayos X se compone, internamente, por un generador que alimenta

el tubo de rayos X con voltajes y corrientes preseleccionadas, un tubo de rayos X compuestos

por la fuente de electrones acelerados (cátodo) y fuente de rayos x (anticátodo de Cu), un

goniómetro vertical controlado automáticamente sobre su rango angular, un monocromador,

un detector de ondas, un procesador y un sistema de enfriamiento de tubos de rayos X, la

información proporcionada por el equipo se registra en un computador.

El cátodo del tubo de rayos X produce electrones lo cuales son fuertemente acelerados al

ánodo del tubo. El choque ocasionado produce la emisión de rayos X. Los rayos X producidos,

pasan a través de una ranura que orienta el haz de rayos, haciéndolo incidir en la muestra. Se

produce la reflexión de los rayos X al incidir en un plano de la red cristalina del material

irradiado. Los rayos X son difractados y filtrados por un monocromador, el cual absorbe todas

las radiaciones que van una dirección distinta dada experimentalmente por el goniómetro o

aquellas que tienen distinta longitud de onda. Estas ondas filtradas son analizadas por el

detector cuya función es ampliar las radiaciones que sobre el inciden. Las radiaciones




60

amplificadas son enviadas al computador en donde se va graficando el difractograma, al

mismo tiempo que sigue la ejecución del ensayo.

El difractograma consiste en una grafica donde se presenta una serie de peaks representando

cada uno de ellos la distancia interplanar de un cristal, cada peak depende de la intensidad de

las reflexiones que lo causaron en un determinado ángulo. Con este resultado se recurre a una

base de datos cristalográfica, en donde se compara con los referencias, encontrándose así los

minerales que contiene la muestra en estudio.

a) b)

c)

Figura 17 a) Equipo de difracción de rayos X marca Bruker. b) Cantidad de muestras a analizar dentro del

equipo. c) Brazo mecánico que transporta las muestras.




61

El fundamento teórico de este ensayo es la ecuación de Bragg (1913) quien determino la

relación existente entre la longiud de onda de los rayos X y los espacios interplanares de los

cristales. La ecuación establecida por Bragg, es la siguiente:

( 1)

Donde n es el número entero que representa el orden de flexión, es la longitud de onda de

los rayos X, d es la distancia interplanar del cristal y es el ángulo de Bragg o ángul de

incidencia (variado continuamente durante el análisis).

Figura 18 Esquena de difracción de rayos X.

Además en la investigación de Bascuñan (2005) por medio de la técnica de espectrometría de

fluorescencia de rayos X (FRX) por dispersión de onda cuantitativa, se pudo conocer la

composición química de la roca volcánica analizada. A través de este análisis se obtuvieron

los siguientes rangos composicionales (tabla 13): SiO2 (63-66%) y Al2O3 (10-13%) como

componentes principales, además se encontraron cantidades apreciables de Fe2O3 (1-4%) y de

CaO (2-3%), menores de Na2O, K2O y MgO y solamente se hallaron trazas de MnO, TiO2 y

P2O5. Finalmente, el porcentaje de humedad varía entre un 6 y un 12%. El valor promedio de




62

los resultados obtenidos en todas las muestras que se analizaron en aquella ocasión se

encuentran en la tabla 13.

Tabla 13 Promedio de los porcentajes de elementos mayores (Bascuñan, 2005).

Componente Porcentaje (%)

SiO₂ 64.19

TiO₂ 0.51

Al₂O₃ 11.65

Fe₂O₃ 2.53

MnO 0.03

MgO 0.66

CaO 3.42

Na₂O 0.75

K₂O 1.6

P₂O₅ 0.03

PxC 14.64

En la figura 19 se muestra el resultado de la difracción de rayos X que se obtuvo para la

zeolita analizada para este estudio.




63

Figura 19 Patrones de difracción de rayos X de la roca total de extracción, mordenita (Mrd) y clinoptilolita (Clpt).

ZEOLITA UCSC

01-085-1774 (C) - Clinoptilolite - (Cs5.62K0.44Mg0.26)(Al6.58Si29.42)O72(H2O)10.92

01-085-1780 (C) - Quartz - SiO2

01-077-0339 (C) - Heulandite-Ca - Ca4.48Al8.96Si27.04O72(H2O)24.5

00-029-1257 (I) - Mordenite - (Na2,Ca,K2)Al2Si10O24·7H2O

ZEOLITA UCSC - File: ZEOLITA UCSC.RAW - Start: 2.000 ° - End: 70.004 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 28.2 s - Generator kV: 40 kV - Generator mA: 20 mA - Divergence slit: V20

Lin

(C

ou

nts

)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

2-Theta - Scale

2 10 20 30 40 50 60 70




64

4.2.3 Determinación del pH de la zeolita

El pH es una propiedad química del suelo que tiene un efecto importante en el desarrollo de

los seres vivos (incluidos microorganismos y plantas). La lectura de pH se refiere a la

concentración de iones hidrógeno activos (H+) que se da en la interfase líquida del suelo, por

la interacción de los componentes sólidos y líquidos. La concentración de iones hidrógeno es

fundamental en los procesos físicos, químicos y biológicos del suelo. Tres son las condiciones

posibles del pH en el suelo: la acidez, la neutralidad y la alcalinidad.

Se realizaron mediciones del pH de la zeolita natural, en su estado de polvo fino. Las

mediciones se realizaron con un potenciómetro, también conocido como pH-metro,

instrumento que mide la diferencia de potencial entre dos electrodos: un electrodo de

referencia (generalmente de plata/cloruro de plata) y un electrodo de vidrio que es sensible al

ion de hidrógeno, con lo que asegura una medición de una forma más precisa, basándose en

las consideraciones que establece la ASTM D4972-01, para el método A. Estas mediciones se

realizaron en el Laboratorio de Tecnologías Limpias de la UCSC.

Se colocaron aproximadamente 5 gr de zeolita en un recipiente plástico y se le adicionó la

misma cantidad de agua en gramos (relación 1:1), posterior a ello se mezcló por un minuto,

hasta formar una pasta homogénea, a la que se le introdujo el electrodo del potenciómetro para

que realizara la lectura del pH de la muestra ensayada (figura 20).




65

Los resultados de la medición se presentan en la Tabla 14, donde se obtuvo un valor promedio

de pH igual a 5.0, que según el criterio de evaluación de un suelo con respecto a su pH

corresponde a un suelo fuertemente ácido según el criterio establecido en la norma mexicana

NOM-021-RECNAT-200

Tabla 14 Resultados de la Medición de pH

Muestra 1 2 Promedio

Temperatura [°C] 30.8 27 28.9

pH 4.9 5.1 5.0

Como se puede ver en la tabla 14, existe una alta temperatura, de la pasta de zeolita con agua,

al medir el pH esta característica se debe a distintas reacciones químicas que toman lugar en la

a) b)

c) d)

Figura 20 Secuencia de la medición de pH. a) Pesaje de masa de zeolita fina, b)

Adición de agua (1:1), c) Mezcla hasta formar pasta homogénea, d) Medición del pH




66

mezcla. Este comportamiento y la influencia del pH de los suelos que son utilizados como

agentes estabilizadores, entre ellos la zeolita, puede ser objeto de estudio en el

comportamiento mecánico tanto como por sí mismo o de la mezcla suelo más agente

estabilizador.

4.2.4 Humedad natural

A pesar de que la zeolita no presenta una humedad que se aprecie a simple vista se realizó un

ensayo de humedad, que comprueba la presencia de agua, dentro de la estructura de la misma,

como lo menciona la bibliografía. Este valor de humedad natural fue de 9% que es un valor

cercano a lo indicado anteriormente, donde menciona que entre el agua constituye entre el

10% y 20 % del peso de la zeolita (Olguín, 2006).

4.2.5 Gravedad específica

Se realizaron ensayos a las diferentes muestras propuestas, para comprobar si la diferente

distribución granulométrica de un mismo mineral afecta en el valor de la gravedad especifica.

El procedimiento de ejecución del ensayo adoptado es el recomendado en la normativa chilena

NCh 1532.Of 80.

Figura 21 Muestras y picnómetros para realizar ensayo de gravedad específica




67

Los resultados se presentan en la Tabla 15.

Tabla 15 Resultados Ensayo Gravedad Especifica

Muestra Fina ZGG ZGF Promedio

Gs 2.184 2.181 2.181 2.182

Como se ve el valor de la gravedad especifica del material zeolítico analizado, no hay una

variación significativa de acuerdo a la distribución granulométrica dada, por lo tanto el valor

considerado para todos los ensayos que se requirió fue de Gs= 2.18.

Si bien, el valor obtenido de los ensayos es bajo, este resultado es bastante cercano a los

valores de gravedad específica propuestos por Breck (1974) en su caracterización a diferentes

zeolitas naturales, donde obtuvo valores de gravedad especifica (Gs) iguales a 2.16 para

clinoptilotita y entre 2.12-2.17 para mordenita. Ambos tipos de zeolitas presentes en las

muestras analizadas.

4.2.6 Granulometría zeolita fina (<0.075mm)

4.2.6.1 Método del hidrómetro

La granulometría o distribución granulométrica en la masa de suelo sirve para clasificar

apropiadamente los suelos, con el objeto de poder correlacionar sus propiedades mecánicas e

hidráulicas y así determinar la mejor optimización al momento de trabajar con estos. La

granulometría por el método mecánico proporciona los tamaños promedios de las partículas

que componen el suelo y el método por hidrómetro se utiliza para obtener un estimado de la

distribución granulométrica de suelos cuyos tamaños de partículas se encuentra entre 0.075

mm y 0.001 mm. Este último se basa en la velocidad de sedimentación de partículas en un

líquido en función de su tamaño.




68

Se realizaron tres ensayos de granulometría por sedimentación a la fracción fina de zeolita, a

través del método del hidrómetro. A continuación, se detalla el procedimiento extraído de

ASTMD 422.of 98.

Se tomaron entre 50-80 grs de zeolita fina, las que se mesclaron con 125 ml de una solución

de esametafosfato al 4%, la que actúa como agente dispersante (figura 22 a). Esta mezcla se

deja reposar por un periodo de 16 horas, es aquí donde el agente dispersante actúa

neutralizando las cargas eléctricas sobre las partículas más pequeñas del suelo que a menudo

tienen carga negativa y se atraen entre sí con fuerza suficiente para permanecer unidas,

creando así unidades mayores que funcionan como partículas (figura 22 b). Posterior a esto se

deposita la mezcla en mezcladora (figura 22 c) y donde se agitan por 30 minutos donde se

logra una mayor separación de las partículas (figura 22 d). Luego del batido de la mezcla se

deposita en una probeta de 1000 cc de capacidad, donde se rellena con agua destilada hasta

llegar a dicha capacidad, se introduce el hidrómetro (151-H), se deja estabilizar y se

comienzan a tomar lecturas registrando el tiempo y la temperatura con un termómetro (figura

22 f).

Con las lecturas del hidrómetro y las temperaturas, se calculó el peso de los sólidos en

suspensión para poder estimar el diámetro de las partículas, basándose en la ley de Stokes. Se

utilizaron correcciones por menisco, agente dispersante y corrección por temperatura para

cada ensayo.

En la tabla 16 se presenta el resultado de tamaño de partículas y porcentaje de finos por peso

de los ensayos realizados, se nombran por la letra H y numero de índice según corresponde.

En la figura 25 se muestran las curvas granulométricas obtenidas.




69

a)

d) e)

b) c)

Figura 22 Secuencia del procedimiento de granulometría mediante método del hidrómetro

Tabla 16 Resultados del análisis granulométrico por método del hidrómetro

H1 H2 H3

Øp %que Pasa Øp %que Pasa Øp %que Pasa

mm % mm % mm %

0.074 100 0.074 100 0.074 100

0.06696 83.6 0.06623 84.21 0.06342 87.18

0.02635 52.8 0.05859 71.91 0.04555 83.08

0.01383 47.1 0.04972 67.81 0.03295 76.92

0.00989 42.6 0.03541 65.75 0.02749 70.77

0.00699 41.7 0.02993 55.50 0.02419 66.67

0.00503 34.4 0.02606 53.45 0.01757 58.46

0.00358 30.3 0.01857 51.40 0.01310 50.26

0.00153 22.0 0.01371 47.29 0.00948 42.05

0.00980 43.19 0.00681 33.85

0.00702 39.09 0.00489 25.65

0.00362 31.71 0.00398 24.42

0.00091 14.48 0.00350 19.49

0.00166 13.75

0.00148 9.65




70

4.2.6.2 Granulometría Laser

Con la finalidad de comparar y tener una mayor precisión en el análisis de la fracción fina de

zeolita (<0.075 mm) se realizó un ensayo de granulometría laser. Este ensayo fue realizado en

el instituto GEA de la Universidad de Concepción, gracias a la colaboración del profesor

Oscar Jerez Riveros del mismo instituto.

La granulometría laser permite obtener distribuciones granulométricas en un rango de tamaño

de partículas del orden de los 0.08 a 2000μm, es una técnica de rápida ejecución y con gran

exactitud en los resultados obtenidos.

El equipo utilizado fue un ANALYSETTE 22 MicroTec plus de la marca FRITSCH empresa

alemana. El equipo cuenta con una unidad de medición y otra unidad de dispersión húmeda,

además se puede incorporar a él una unidad de dispersión en seco (figura 23).

Figura 23 Equipo ANALYSETTE 22 MicroTec plus, a la izquierda unidad de medición, a la derecha unidad de

dispersión húmeda.

El equipo ejecuta el ensayo de la siguiente manera: se coloca la muestra del material a

analizar en la unidad de dispersión, puede ser una unidad de dispersión seca o húmeda, en este

caso se utilizó la unidad húmeda con una cantidad de material de 9 gramos aproximadamente.




71

La muestra es transportada a la unidad de medición por sistema de circulación cerrado. Una

vez que la muestra en dispersión entra, un rayo láser es dirigido hacia ella. La desviación

parcial del haz láser crea una distribución de intensidad característica con forma de anillo

detrás de la muestra que puede ser medida con un detector especial. El tamaño de las

partículas es calculado basándose en la separación de los anillos formados (figura 24 a),

partículas de mayor tamaño producen anillos más unidos, mientras que las partículas más

pequeñas producen anillos más separados entre sí.

Figura 24 a) Estructura principal de un instrumento de medición de partículas por láser. b) Estructura Fourier

inversa del equipo ANALYSETTE 22 MicroTec plus.

En la figura 24 b se presenta un esquema de la estructura interna de la unidad de medición, en

donde un componente importante es e lente de Fourier que concentra la luz láser dispersa en

una trayectoria adecuada hacia el detector. A diferencia de los equipos convencionales el

equipo utilizado el lente de Fourier se encuentra antes de la celda de medición, de esta manera,

en lugar de atravesar la muestra un haz láser paralelo, la atraviesa uno convergente.

Los fundamentos teóricos con los que son calculados los diferentes tamaños de partículas son

las teorías de difracción de Fraunhofer (1984) y Mie (1976). Si el tamaño de las partículas es

significativamente mayor que el de la longitud de onda de la luz incidente, puede utilizarse la

difracción de Fraunhofer Si el tamaño de la partícula es del mismo orden que la longitud de

onda de la luz incidente, la dispersión resultante puede describirse por la teoría de Mie, en el




72

rango de aplicación de la teoría de Mie, la técnica es sensible a la morfología irregular de las

partículas y a variaciones del índice de refracción.

Figura 25 Análisis granulométrico por método del hidrómetro y granulometría laser.

De los resultados obtenidos del análisis granulométrico por hidrometría se puede decir que el

material zeolítico analizado, zeolita fina (ZF), presenta una distribución promedio de granos

de un 68 % de fracción Limosa, 20% de arcilla y 12% de coloides promedio.

En la misma figura 25 se incluye la curva de una granulometría laser, que es de mayor

precisión en cuanto al tamaño de las partículas, de ella se puede observar que la distribución

de granos posee un 68 % de fracción Limosa, 26% de arcilla y 6% de coloides.

Se puede ver que el promedio de los ensayos realizados presenta una aproximación exacta en

la determinación de la fracción limosa de la zeolita, no así en la fracción arcillosa donde se

estimó un 23% menos y en los coloides se estimó un 50% más de lo existente y determinado

por granulometría laser.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0.0001 0.001 0.01 0.1

Fin

o p

or P

eso

, %

Tamaño Partículas, Øp mm

H1

H2

H3

G. Laser

ArcillasColoides Limos




73

4.2.7 Límites líquido y plástico de la zeolita e índice de plasticidad

El límite líquido es el contenido de humedad establecido en el que un suelo pasa del estado

líquido al estado plástico. Es determinado conjuntamente con el límite plástico, y

habitualmente se utiliza para clasificar un suelo.

Existen dos métodos de determinación del límite líquido, el primero de ellos es con el

cucharón de Casagrande, que se ha utilizado durante años como base para la clasificación de

suelos y correlación de las propiedades de ingeniería. En esta metodología a pesar de la

normativa, se pueden generan un importante número de errores en la ejecución del ensayo,

estos pueden ser producto la dificultad de realizar la ranura en ciertos suelos arenosos, la

tendencia de los suelos de baja plasticidad de deslizar por la cuchara en lugar de fluir o la

sensibilidad de la técnica del operador en realizar el ensayo, etc. La combinación de todos

estos factores deriva en pensar lo conflictivo del uso de este método ya que ensayos realizados

sobre un mismo suelo pueden dar distintos resultados. Existe un método alternativo que

minimiza estos errores que conocido como método de la Caída de Cono con el cono

penetrómetro, que es fundamentalmente más satisfactorio que la otra alternativa, debido a que

la determinación del límite líquido es una medida de la resistencia de corte de un suelo blando

cuya humedad se acerca al estado líquido. La teoría de plasticidad desarrollada por Prandtl

(1921) estableció una relación entre la resistencia de corte y la resistencia a penetración de un

suelo. Esta relación es una constante en materiales como las arcillas saturadas.

Ambos métodos mencionados se utilizan en la determinación del límite líquido, sin embargo

la Norma británica BS 1377-1990, se refiere a la caída de cono como el "método definitivo”.

La caída de cono se considera un método más satisfactorio porque es esencialmente una

prueba estática que se basa en la resistencia al corte del suelo, mientras que el método con

cucharon de Casagrande introduce efectos dinámicos.

Se realizó una cantidad de ensayos preliminares, ya que en este ensayo se adquiere mayor

precisión de acuerdo a la experiencia del ensayador. Además como alternativa de comparación

se determinó el límite líquido mediante el ensayo de caída de cono, que es sencillo de realizar

y se obtienen resultados con mayor repetibilidad entre un ensayo y otro.




74

Se describen pequeñas reseñas de los procedimientos para la obtención del límite líquido y

límite plástico de acuerdo a la norma Nch 1517/1.of 79 y Nch 1517/2.of 79 y para la

determinación del límite líquido con el método de caída de cono BS1377-part2-90.

4.2.7.1 Determinación límite líquido método cucharón de Casagrande

Se dispuso del material fino en una cantidad suficiente para realizar el ensayo, donde se

agregó agua destilada en cierta proporción, al que al momento de homogenizar la muestra

adquiriera una consistencia cercana al estado líquido. Esta mezcla homogénea se dejó reposar

durante 24 horas (proceso de curado), envuelta en un material plástico para que no perdiera

humedad por evaporación. Luego de este periodo de tiempo, se utilizó el cucharón de

Casagrande donde se dispuso parte de la mezcla en él, con la espátula, procurando no dejar

burbujas, se trazó una ranura con el acanalador normalizado a lo largo del diámetro, y se

procedió al golpeteo del cucharon girando la manivela, registrando la cantidad golpes

necesarios para cerrar la ranura en 1 cm en el fondo del surco dejado por el acanalador. Luego

se tomó una muestra de aproximadamente de 10 gr del sector donde se produjo el cierre y se

registró el valor de la humedad obtenida. Este proceso se repitió para dos puntos, posteriores

batiendo el material quitándole así humedad por medio de evaporación (Figura 26).




75

Figura 27 Curva de flujo de la superposición de todos los ensayos con cucharón de Casagrande

64

66

68

70

72

74

76

10 100

Hum

edad

(%

)

Nº de Golpes

Ensayos

LL

Tendencia

1

2

3 4

5

6

7

1.- Espátula; 2.- Mezcla Curada y Homogénea; 3.- Acanalador de Casagrande; 4.-Cucharón de Casagrande;

5.- Ranura a lo largo del diámetro de la cuchara; 6.- Manivela; 7.- Contador de Golpes

Figura 26 Determinación Límite Líquido “Cucharón Casagrande”

25




76

En la figura 27 se trazó la curva de flujo para todos los ensayos y se marcó el limite a los 25

golpes que tiene como resultado un valor de límite líquido (LL) de 69.5% con el método de

cucharón de Casagrande. Es habitual aproximar el valor obtenido al número entero se

consideró LL igual a 70 para la clasificación.

4.2.7.2 Límite plástico

Una porción de suelo, aproximadamente 1 cm3, de la muestra del límite líquido fue

debidamente acondicionada de manera que adquiriera una consistencia plástica y se pudiera

moldear una esfera. Luego se amasó, utilizando la palma de las manos, contra una superficie

de vidrio, conformando un cilindro de aproximadamente 3 mm de diámetro, una vez

alcanzado ese diámetro se dobló la masa, se volvió a amasar y conformar nuevamente el

cilindro de 3 mm. Este procedimiento se repitió hasta que el cilindro se disgregó en bastones

del diámetro descrito y no se pudo volver a conformar el cilindro, se reunió una porción del

cilindro disgregado y se registra la humedad. Este procedimiento se repitió con otra porción

del material (figura 28).

1

2

3

4

Figura 28 Determinación límite plástico

1.- Muestra plástica (1cm3); 2.- Cilindros de muestra (diámetro 3 mm); 3.- Cilindro Patrón de

referencia; 4.- Superficie de amasado




77

Figura 29 Resultados ensayo límite plástico

En la figura 29 se grafican los resultados de humedades obtenidas para todos los ensayos

realizados, se consideró como valor de límite plástico (LP) el promedio de todas muestras

ensayadas, un de 35.3%, es habitual aproximar el valor obtenido al entero, por lo tanto, se

consideró LP igual a 35 para la clasificación.

4.2.7.3 Determinación de límite líquido método caída de cono

Este ensayo actualmente está siendo utilizado, en países europeos, para determinar el límite

líquido. El dispositivo fue producido por primera vez en 1966 por el Laboratoire Central des

Ponts et Chaussées en Francia. El límite líquido se evalúa mediante la determinación del

contenido de agua del suelo en el punto que el cono penetra la muestra por 20 mm. El cono

tiene un peso de 80 g y con un ángulo de punta de 30°. Por lo general, la prueba se repite para

diferentes contenidos de agua, y se establece la relación entre la penetración y contenido de

agua. (Sivakumar et al, 2009).

El procedimiento establecido por la BS1377-90 se describe a continuación.

33.0

33.5

34.0

34.5

35.0

35.5

36.0

36.5

37.0

37.5

38.0

0 5 10 15 20 25 30

Hum

edad

(%)

N° Muestra

Ensayos

Promedio




78

Exactamente igual que para la metodología del cucharón de Casagrande, se selecciona el

material que pasa bajo la malla #40 (0.425 mm) se adiciona agua destilada hasta formar una

pasta plástica de suelo más agua, se deja un tiempo de curado de 24 hrs en una bolsa hermética

para que la muestra no pierda humedad y garantizar una mezcla homogénea. Pasado el tiempo

de curado se remezcla con una espátula y se amontona el material sobre un superficie lisa de

vidrio. Se llena el vaso lentamente (Ø=55 mm y h=40 mm) con suelo cuidando de no atrapar

burbujas de aire y se recorta el material en exceso dejando una superficie uniforme. Seguido a

ello se coloca la superficie del vaso con el material bajo la punta del cono, se centra y se ajusta

el equipo de penetración. Se presiona el botón de desbloqueo del cono durante 5 segundos, se

baja el puntero a la nueva posición del cono registrando la lectura, con precisión de 0.1mm, se

registra una segunda lectura de penetración que si no difiere en más de 0.5 mm que la

primera, se considera el valor medio, y se registra el contenido humedad tomando una porción

de 10 gr de suelo aproximadamente que secado al horno. Si la diferencia entre la segunda y

primera penetración es entre 0,5 y 1 mm, se lleva a cabo una tercera prueba, siempre que el

rango total no exceda de 1 mm, la media de las tres penetraciones se registra y el contenido de

humedad se mide. Si la diferencia global excede 1 mm, el suelo se retira del vaso se remezcla

la muestra, y se repite el ensayo.

Para el resto del material se añade un poco de agua destilada y repite el procedimiento

anterior. Esto se hace al menos tres veces más para conseguir un rango de los valores de

penetración de aproximadamente 15 mm a 25 mm.




79

a) b)

c) d)

Figura 30 a) Cono utilizado, b) Amontonamiento del material y vaso utilizado, c) Llenado del

vaso, d) Posicionamiento del vaso bajo de cono antes de la penetración.




80

Figura 31 Superposición de todos los ensayos de caída de cono para determinar límite líquido.

De la figura 31 se puede obtener un valor de límite líquido por caída de cono 64.7%

aproximadamente, se tomó la aproximación al número entero, se consideró un valor de LL

igual a 65 y el mismo valor de 35 para límite plástico, obtenido anteriormente, por lo tanto un

índice de plasticidad de 30 para la clasificación.

También se estimó el valor de la resistencia al corte no drenada (Su) con este método. Más

adelante se presentan en comparación con resultados de la compresión no confinada.

El resultado final de límite líquido obtenido con el cucharón de Casagrande y por caída de

cono se registró en la carta de plasticidad de Casagrande para la clasificación de la zeolita fina,

según la USCS (Figura 32).

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

10

Hum

edad

, w

(%

)

Profundidad de pentración cono, H (mm)

EnsayosLL (H=20 mm)Tendencia

20 30 50




81

Figura 32 Carta de plasticidad con resultados de las pruebas realizadas

Con los resultados y con la estimación de un promedio de estos, la zeolita analizada

corresponde a un limo de alta plasticidad, según clasificación USCS, cuyo símbolo

correspondiente MH. Lo que se justifica con la alta fracción limosa que se encontró en el

análisis granulométrico.

Por ambos métodos utilizados la clasificación fue la misma, a pesar de que la obtención del

límite líquido fue diferente, por cucharón de Casagrande fue de 70 y por caída de cono 65.

Entre los dos métodos se encontró una diferencia de 7% aproximadamente para la obtención

del límite líquido.

4.2.8 Determinación de la superficie específica (Se)

Se define la superficie específica de un suelo, como la relación entre la superficie de una

partícula Ap y su masa m. Y sirve como complemento a un análisis granulométrico. Su valor

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Índ

ice d

e p

last

icid

ad

Límite líquido

Linea A=0.73*(LL-20)

Linea U=0.9*(LL-8)

Cucharón Casagrande

Caída de Cono

CH

OH ó MH

ML

CL

ML

CL-MH




82

sirve para determinar el balance de fuerzas capilares, eléctricas y gravimétricas actuantes

sobre las partículas, afecta la permeabilidad, y controla la adsorción y retardación durante la

difusión química (Santamarina y Cho, 2001). La tabla 17 muestra la superficie específica

teórica para diferentes geometrías. Las ecuaciones en la tabla 17 confirman que la Se está

controlada por la menor dimensión de las partículas.

Los límites de Atterberg, son una expresión de la superficie específica de los suelos.

Efectivamente, para una capa de agua absorbida de espesor h el contenido de humedad w para

partículas aplanadas es:

( 2)

Siendo la densidad del agua. Evidencia experimental confirma que el límite líquido se

relaciona con la Se (Farrar & Coleman 1967):

( 3)

Tabla 17 Superficie especifica teórica para distintas geometrías

Forma o Geometría Dimensiones Ejemplos Superficie Especifica

Esferas y Cubos

Diámetro (o Lado) D Alófanas

Cilindros y Prismas

Diámetro (o Lado) D,

Lago L (con L>>D)

Halosita,

Imoglita




83

Forma o Geometría Dimensiones Ejemplos Superficie Especifica

Formas Aplanadas

Espesor t, Ancho D, y

Largo L(con t>>L>D)

Montmorillonita

Caolinita, Mica

Donde = Superficie específica, = Densidad del agua, = Gravedad específica.

Mediante la formulación empírica propuesta por Farrar & Coleman (1967), y utilizando el

valor para el límite líquido de 64, resultado de la caída de cono, se obtuvo un valor de

superficie específica (Se) igual a 83 [m2/ gr].

4.3 Ensayos de densidad y compactación

Se realizaron ensayos de densidad máxima y mínima, además de ensayos de proctor

modificado a las distintas bandas granulométricas según correspondiese, de acuerdo al tamaño

nominal de las partículas y la cantidad de finos presente. Con la finalidad de obtener

parámetros de referencia debido a que se trabajó con muestras de material remodeladas.

4.3.1 Ensayo de densidad máxima y mínima

Se efectuó un ensayo para la determinación de la densidad máxima y mínima a la muestra de

zeolita granular gruesa siguiendo el procedimiento establecido en la norma NCh 1726 of 1980.

El procedimiento para determinar la densidad mínima seca (ρd) consiste en depositar el

material seco dentro de un molde, de diámetro interno 152.5 cm, peso 1750 gr y volumen

2833 cm3 determinados previamente, de tal manera de que quede lo más suelto y homogéneo

posible, para ello se utilizó un embudo de 25 mm (figura 33a), y se levantó suavemente

logrando el llenado, tal como se muestra en la figura 33b. Se evitó golpear el molde, se enrazó

el molde (figura 33c) y se registró su peso con el material (figura 33 d), como se puede ver la

secuencia de pasos en la figura 33. La densidad mínima queda definida como la diferencia




84

entre el peso del molde más material y el peso del molde divido por el volumen del molde

previamente registrado.

El valor obtenido para la densidad mínima seca (ρd_min) fue de 0.826 g/cm³, lo que equivale a

un peso unitario mínimo seco (γd_min) de 8.10 KN/m³, para la muestra de zeolita granular

gruesa (ZGG).

Figura 33 a) Llenado embudo con material, b) Llenado del molde levantado suavemente el embudo, c) Enrase

del molde, d) Pesaje del molde más el material de ensayo.

De igual manera para la determinación de la densidad máxima Seca (ρd_max), el procedimiento

es similar en los primeros pasos, pero luego de pesar el material se lleva a una mesa vibratoria,

de frecuencia 3660 vibraciones/min y amplitud vertical entre 0,05-0.64 mm, y se coloca en la

parte superior del molde, un disco y una masa de 25.9 kg, que en conjunto equivalen a una

sobrecarga de 14 KPa (figura 34). Posterior a ello se agrega un collarín, que centra la

sobrecarga y es fijado al molde por 3 pernos. Se compactó la muestra por vibración durante 8

min (figura 34 c). Una vez transcurrido el tiempo el molde es retirado de la mesa vibratoria, se

a) b)

c) d)




85

registra el descenso producto del acomodo de las partículas durante la vibración, en distintos

puntos y se obtiene un promedio de ellos (figura 34 d). La densidad máxima seca queda

definida por el peso del suelo en el molde dividió por la diferencia entre el volumen del molde

menos el volumen de descenso (Área por promedio de descensos).

Figura 34 a) Molde más material en interior, b) Molde sobre la mesa vibratoria más disco que soporta la

sobrecarga, c) Equipo completo antes iniciar la vibración, d) Molde después de la vibración y registro del

descenso con pie de metro.

El valor obtenido para la densidad máxima seca (ρd_max) fue de 1.082 g/cm³, lo que equivale a

un peso unitario máximo seco (γd_max) de 10.61 KN/m³, para la muestra de zeolita granular

gruesa (ZGG). No se realizó granulometría una vez finalizado en ensayo en la mesa vibratoria.

a) b)

c) d)




86

4.3.2 Ensayos de compactación (Proctor modificado)

A las curvas granulométricas de zeolita granular fina y zeolita fina (<0.075 mm) se le

realizaron ensayos de compactación Proctor modificado, basándose en la norma NCh

1534/2.of 79, obteniendo así relaciones de humedad y densidad, además de la densidad

máxima compactada seca de la zeolita analizada.

El concepto de compactación está definido como el proceso mecánico mediante el cual se

reduce el índice de vacíos de una masa de suelo, forzando un nuevo acomodo de las partículas

donde hay más contacto entre ellas, lo que conlleva a un aumento de la densidad del material

analizado.

El ensayo consiste en compactar en un molde normalizado de volumen y peso conocido,

muestras del mismo material, pero con distintas humedades y con la misma energía de

compactación. Se registran las densidades secas y el contenido de humedad de cada punto de

prueba, y se grafican los resultados donde el punto más alto de la curva representada en el

gráfico corresponde a la DMCS y la proyección a en la abscisa corresponde a la humedad

óptima.

4.3.2.1 Zeolita granular fina (ZGF)

Se decidió realizar pruebas de Proctor a la zeolita granular fina, ya que pese a que el contenido

de finos no supera el 12%, el índice de plasticidad (IP) de la fracción fina de acuerdo a los

ensayos realizados es superior al 5. Para este ensayo se utilizó el equipo de Proctor-CBR

automático Controls que se encuentra en el Laboratorio de Geomateriales de la UCSC, cuya

frecuencia de realización de ensayo es 30 golpes/minuto, y la secuencia de golpes que realiza

se muestra en la figura 35.




87

1

2

3

4

Figura 35 Secuencia de golpes, molde equipo automático proctor-CBR Controls

El ensayo se realizó en un molde de 100.16 mm de diámetro y volumen 944 cm³, el que fue

rellenado en 5 capas cada una de ellas compactada con 25 golpes, que fueron realizados con el

pisón de 4.5 kg el cual cae desde una altura de 460 mm, proporcionando así una energía de

compactación teórica de 2700 KJ/m³ aproximadamente, con la que fueron realizados los

ensayos (Figura 36).

Los ensayos de compactación para la zeolita con distribución granulométrica granular fina,

entregaron como resultado un peso unitario máximo (γdmax) de 11.59 KN/m³, lo que es

equivalente a una DMCS de de 1.18 g/cm³, con una humedad óptima (wopt) de 32.3 %, como

se puede ver en la figura 37. Resultados que fueron obtenidos con la ecuación polinómica de

grado dos que aproxima la curva en sus puntos centrales es:




88

Figura 36 A) Equipo automático Proctor-CBR Controls; B) Llenado del molde Proctor;

C) Extracción de la probeta del molde; D) Toma de muestra para determinación humedad de la muestra

a) b)

c) d)




89

Figura 37 Curva de compactación para zeolita granular fina.

Los resultados de compactación obtenidos, ρdmax y wopt son comparables con los valores

reportados por Ören (2007), quien realizó pruebas de compactación Proctor modificado a

zeolita de granulometría similar a la estudiada en este trabajo. Otros autores como Kaya &

Durukan (2004), obtuvieron valores de 1.31 g/cm³ para ρdmax y wopt igual a 34% en zeolita

triturada y homogénea tamizada en malla #40 (0.475 mm), o también De Brito Galvão et al.

(2008) quien estudió la compactación en mezclas de zeolita con bentonita y encontró valores

de 1.25 g/cm³ de ρdmax y 37% de wopt para mezclas de 90% de zeolita y 10% de bentonita. Sin

embargo estos valores son referenciales ya que se sabe que en los ensayos de compactación

existe una fuerte influencia de las propiedades del material como el tamaño de partículas y/o

también el método de compactación (Kayabali, 1997), además ambos trabajos no presentan la

cantidad de finos bajo malla#200 que incorporan.

9.0

9.5

10.0

10.5

11.0

11.5

12.0

12.5

13.0

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70%

Pes

o u

nit

ario

sec

o,

γd

(K

N/m

³)

Humedad, (w)

Zeolita Granular Fina

S=1

S=0.9S=0.8




90

4.3.2.2 Zeolita fina

Se realizaron pruebas de compactación a zeolita fina (<0.075mm), estas se realizaron con el

equipo de Proctor manual, ya que por la alta plasticidad del material hizo complejo el

funcionamiento del equipo automático, debido principalmente a que el pisón que golpea el

material muchas veces quedaba atrapado por la muestra de zeolita y el contador de golpes del

equipo consideraba esto como un golpe realizado, siendo que no golpeaba la muestra, es por

ello se optó por el pisón manual.

Se prepararon las muestras a distintitas humedades y se dejaron curar envueltas en bolsas

plásticas por el periodo de 24 hrs, para evitar aglomeraciones del material (grumos), antes de

ser ensayado se pasó por la malla #40 (0.475mm), y los gránulos retenidos fueron disgregados

nuevamente tamizados e incorporados nuevamente a la muestra de ensayo.

Figura 38 Curva de compactación para zeolita fina (<0.075mm)

Para la zeolita fina (<0.075mm) analizada se obtuvo un valor peso unitario máximo (γdmax) de

12.52 KN/m³, lo que equivale a una DMCS (ρdmax) de 1.27 g/cm³, con una humedad optima

11.4

11.6

11.8

12.0

12.2

12.4

12.6

12.8

13.0

20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%

Pes

o u

nit

ario

sec

o,

γd

(K

N/m

³)

Humedad, (w)

Zeolita FinaS=1S=0.9

S=0.8




91

(wopt) de 37.5 %, como se puede ver en la figura 38. La ecuación polinómica de grado dos que

describe la curva en su parte central es:

La figura 39 muestra la influencia del tamaño de las partículas en la prueba de compactación

realizadas para un mismo nivel de energía en este caso 2700 KN/m³ aproximadamente, para el

Proctor modificado.

Figura 39 Influencia del tamaño de las partículas en la compactación

De la figura 39 se puede ver que al tener una banda granulométrica fina como es el caso de la

banda granulométrica zeolita fina, hay un aumento en la DMCS (ρdmax) y un aumento en la

(wopt). El aumento para la densidad máxima compactada seca fue de un 7.1%, mientras que

para la humedad óptima sufrió un incremento del 19%, que fueron registrados para este

estudio.

Estos aumentos se pueden explicar, en primer lugar, ya que al tener una mayor cantidad de

finos (100% zeolita fina) las partículas pueden estar compactas y en mayor cantidad en el

8.9

9.9

10.9

11.9

12.9

13.9

14.9

10% 20% 30% 40% 50% 60% 70%

Pes

o u

nit

ario

sec

o,

γd

(K

N/m

³)

Humedad, (w)

Zeolita Granular Fina

Zeolita Fina

S=1

S=0.9S=0.8




92

molde normalizado del ensayo. Mientras que el aumento en la humedad se explica debido a

que al ser más pequeñas el tamaño de las partículas, la zeolita puede ser incorporar con mayor

facilidad las moléculas de agua, llenando las cavidades porosas en la estructura y recorriendo

la superficie específica interna de ésta, que es mayor que la superficie específica externa.

4.4 Ensayos de corte directo

Como se trabajó con muestras remoldeadas fue posible realizar ensayos de Corte Directo a las

distintas granulometrías con distintas densidades, y distintos tipos de condiciones.

Inicialmente se trabajó con las granulometrías más granulares y se realizaron ensayos del tipo

consolidado-drenado (CD) para cada una, consideradas como granulometrías drenantes.

Posterior a ello se trabajó con el material fino donde las muestras se le realizaron pruebas

consolidadas-drenadas (CD), con variación en la velocidad de ensayo.

Todas las pruebas realizadas se efectuaron en el Laboratorio de Geomateriales de la UCSC, en

el equipo de Corte Directo marca Humboldt, modelo HM-2700SW. Este equipo cuenta con

dos transformadores diferenciales de variación lineal (LDVT, sigla en inglés), necesarios para

medir el desplazamiento vertical y horizontal de la muestra durante el ensayo. Una celda de

carga electrónica, que mide la fuerza al momento que produce el corte en la muestra producto

del desplazamiento de una mitad de la caja de corte respecto a la otra. Estas mediciones,

desplazamientos y fuerza, son registradas por un datalooger, que recibe la información de

configuración del ensayo y envía el registro de datos al computador durante el ensayo. Un

motor, que desplaza la cámara de agua, y provoca el desplazamiento relativo entre las dos las

mitades de la caja corte. La aplicación de la carga normal se realiza sobre un brazo palanca

que cuenta con contrapeso, que equilibra la carga aplicada en una razón de 10 es a 1, es decir

todo lo que se cargue en el brazo se amplificará por 10 en la muestra. La configuración del

equipo y partes principales se pueden ver en la figura 40.

El registro de datos e información adquirida por el equipo, es analizado con la ayuda del

programa “Humboldt Material Testing Software” en el computador.




93

Se utilizó la caja de corte cuadrada, 100x100x30 mm, para las muestras de zeolita granular

gruesa y/o granular fina y la caja de corte circular, diámetro 60 mm y 30 mm de alto, para la

zeolita fina.

Figura 40 Equipo de corte directo Humboldt HM- 2700SW

4.4.1 Ensayos de corte directo zeolita granular gruesa (ZGG)

Se realizaron tres ensayos a probetas preparadas a diferentes densidades en la caja corte

cuadrada, siguiendo las recomendaciones de Bardet (1997), y la norma ASTM D3080-03.

Recomendaciones como la velocidad a realizar los ensayos, Bardet (1997) sugiere entre 0.1-3

mm/min para materiales granulares, mientras que la ASTM D3080-03 considera un ensayo en

condiciones drenadas para velocidades entre 0.0025-1 mm/min, dependiendo de la

consolidación de la muestra en la primera etapa del ensayo. También en la finalización de la

etapa de corte donde se recomienda un desplazamiento horizontal relativo de 10 mm como

mínimo para finalizar el ensayo o si las lecturas de resistencia al corte son repetidas




94

continuamente después de alanzar el valor máximo (Bardet, 1997), o un desplazamiento de

entre un 10% a 20% de la longitud inicial de la muestra después de alcanzar la falla (ASTM

D3080, 2003).

Se utilizó una velocidad de corte de 0.5 mm/min para cada una de las pruebas, velocidad

menor a la propuesta después de la etapa de consolidación. Y a su vez fueron inundadas con

agua, dejadas saturar por un periodo, de 4 horas, tiempo adecuado según ASTM3080-03 para

una clasificación SP. No se registró hinchamiento de las muestras en este proceso, lo que

coincide con la bibliografía (Black, P.M, 2009).

La cantidad de material dispuesto en el molde para cada ensayo fue el necesario para alcanzar

densidades relativas de 35%, 55% y 90%, de acuerdo con los valores de densidades máxima

(ρMáx) y mínima (ρMín), obtenidos para la zeolita granular gruesa (ZGG) y compactado en

molde.

Los resultados que se presentan a continuación corresponden a ensayos del tipo consolidado-

drenado, para las distintas densidades relativas.

Figura 41 a) Muestra de zeolita ensayada en la máquina de corte;

b) Muestra después de realizado el ensayo

a) b)




95

4.4.1.1 Ensayo de corte Directo en zeolita granular gruesa (ZGG) con DR=35%

La muestra con una densidad relativa de 35% fue estudiada bajo la acción de tres cargas

normales, como se ve en la Figura 42 se aplicaron cargas de 24.5 KPa, 49 KPa y 98.1 KPa.

Del registro de datos obtenidos del ensayo se logró trazar diferentes gráficas, con las cuales se

pudo obtener valores de resistencia al corte residual, resistencia al corte máxima, ángulos de

fricción, ángulos de dilatación, así como la variación del ángulo de fricción con la

deformación. Todos estos parámetros fueron objeto de análisis para la caracterización del

material y conclusiones.

Figura 42 Resistencia al Corte- Deformación Horizontal, para ZGG con DR=35%.

Con la figura 42, se pueden obtener las resistencia al corte máximas (ηMáx) correspondientes a

cada tensión normal (ζ normal), y graficar la envolvente de falla por Mohr-Coulomb figura 43.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 5 10 15 20

Res

iste

ncia

al

cort

e,η

(KP

a)

Deformación horizontal, εx (%)

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa




96

Figura 43 Resistencia al corte- esfuerzo normal, para ZGG con DR=35%.

En el ensayo de corte directo, el ángulo de fricción interno máximo del material en estudio

puede ser obtenido mediante la aplicación de Arcotangente a la pendiente de la regresión

lineal que mejor se ajusta los esfuerzos de corte máximos (τmáx) y tensiones normales aplicada

en el ensayo realizado (σn).

, en el caso general.

( 4)

También es posible obtener el ángulo de fricción residual para casos particulares de la forma

( 5)

Tendencia Máximo

η = 0.9252∙ζn

R² = 0.9998

Tendencia Residual

η = 0.9017∙ζn

R² = 0.9997

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120

Res

iste

ncia

al

co

rte,

η(K

Pa)

Esfuerzo normal, ζn(KPa)

Máximo

Residual




97

Como también el ángulo de fricción crítico cuando la deformación volumétrica es constante e

igual a cero.

, para Δεvol=0. ( 6)

De la figura 43 se obtienen los parámetros de resistencia al corte máximo y residual para cada

una de las tensiones normales aplicadas, que se resumen en la tabla 18.

Tabla 18 Resultados corte directo ZGG (DR= 35%)

ζ Normal η Máx η Residual

KPa KPa KPa

24.5 22.22 21.27

49.0 45.83 44.30

98.1 90.63 88.60

Con valores de la tabla18 se obtuvieron para ZGG con una DR= 35% los parámetros de:

Ángulo de fricción interna máximo, φ’máx = 42.8°

Cohesión, c’= 0

Ángulo de fricción residual, φ’r = 42.4°

Cohesión residual, c’r = 0

Bolton (1986) basado en una gran cantidad de ensayos de corte en arenas, propuso una

expresión que permite cuantificar la contribución de la dilatación, al ángulo de fricción interno

máximo (φ’Máx) en deformaciones planas. La expresión es la siguiente:

( 7)

Donde, es el ángulo de fricción interno en estado crítico, es el ángulo máximo de

dilatación del suelo y K depende de la naturaleza del material, para el caso de arenas cuarzosas

Bolton (1986) encontró K igual a 0.8.




98

Durante el corte, en pequeño intervalo de tiempo, la muestra se desplaza horizontalmente una

distancia dx, e igualmente se mueve una distancia vertical dy para el mismo periodo. Esto

indica que se está cambiando en un ángulo igual a respecto a la horizontal

(figura 44), ángulo que es conocido como ángulo de dilatación (Ψ), y de cierta forma indica la

velocidad con que la muestra está cambiando de volumen a medida que se produce el corte. Si

Ψ es positivo la muestra está aumentando en volumen, o dilata. Si ψ es negativo la muestra

está reduciendo en el volumen, o contrae.

Ψ

Componente

Vertical

dy

Componente Vertical

dy

Dirección Resultante del Movimiento

Relativo

Ángulo

de

Dilatación

Figura 44 Esquema de ángulo de dilatación

Con el objeto de cuantificar la contracción o dilatación de las muestras, se graficaron las

curvas de desplazamiento vertical - desplazamiento horizontal (figura 45). En donde se puede

ver un comportamiento dilatante para el ensayo con una DR=35%. Se trazaron las rectas que

definen la dilatación para cada carga normal y se calculó el ángulo de dilatación (Ψ) aplicando

la Arcotangente a la pendiente de la recta, las ecuaciones de las rectas que definen la

dilatación para cada carga normal se presentan en la tabla 19.




99

Figura 45 Desplazamiento vertical-desplazamiento horizontal, para ZGG con DR=35%.

Tabla 19 Ecuaciones de las rectas que describen la dilatación para cada carga normal aplicada (DR=35%)

ζ Normal Recta de Dilatación

KPa δy=·δx·tan(ψ)-δy0

24.5 δy= 0.0693·δx-0.2498

49.0 δy= 0.0592·δx-0.3706

98.1 δy= 0.0560·δx-0.4662

En la Tabla 20 se muestran los valores obtenidos para ángulos máximos de dilatación de la

muestra de ZGG para la aplicación de cada carga normal o estado tensional a una densidad

relativa de 35%.

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0 5 10 15 20

Des

pla

zam

iento

ver

tica

l, δ

y(m

m)

Desplazamiento horizontal, δx (mm)

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa

Ψ=3.96°

Ψ=3.39°

Ψ=3.20°




100

Tabla 20 Pendiente de dilatación, ángulos de dilatación, ZGG con DR=35%.

ζ Normal Dilatación ψ

KPa Δ [°]

24.5 0.0693 3.96

49.0 0.0592 3.39

98.1 0.0560 3.20

Utilizando la normalización del esfuerzo de corte por la tensión normal aplicada en el ensayo a

cada probeta, figura 46, es posible obtener la variación del ángulo de fricción a medida que se

produce el corte en el ensayo, con lo que también se puede determinar gráficamente una

aproximación del ángulo fricción residual (φ’r) figura 47.

Figura 46 Razón de esfuerzos- deformación horizontal, ZGG con DR=35%.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 5 10 15 20

Raz

ón d

e es

fuer

zo (

η/ζ

n)


ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa




101

Figura 47 Ángulo de fricción- deformación horizontal, ZGG con DR=35%.

La figura 47 muestra la variación del ángulo de fricción a medida que aumenta la deformación

horizontal. Fue obtenida esta grafica aplicando la siguiente expresión para cada punto de la

figura 46.

( 8)

Se puede obtener de forma gráfica, de la figura 47, un valor del ángulo fricción residual (φ’r)

igual a 41.5° promedio de las tres cargas aplicadas, que es un poco menor al obtenido

mediante el criterio de la envolvente de Mohr Coulomb, que fue de 42.4°.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 5 10 15 20

Ángu

lo d

e fr

icció

n,φ

'(°)


ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa




102

4.4.1.2 Ensayo de corte directo en zeolita granular gruesa con DR=55%

La muestra con una densidad relativa de 55% fue estudiada bajo la acción de cuatro cargas

normales, como se ve en la Figura 48 se aplicaron cargas de 12.3 Kpa, 24.5 KPa, 49 KPa y

98.1 KPa.

Figura 48 Resistencia al corte- deformación horizontal, para ZGG con DR= 55%.

Con la Figura 48, se puede obtener los esfuerzos de corte máximos (ηMáx) correspondiente a

cada tensión normal (ζ normal), y graficar la envolvente de falla Mohr-Coulomb Figura 49.

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20

Res

iste

ncia

al

cort

e,τ

(KP

a)


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa




103

Figura 49 Esfuerzo de corte- esfuerzo normal, para ZGG con DR=55%.

De la Figura 49 se obtienen los parámetros de resistencia al corte máximo y residual para cada

una de las tensiones normales aplicadas, que se resumen en la Tabla 21.

Tabla 21 Resultados corte directo ZGG (DR= 55%).


KPa KPa KPa

12.3 13.99 9.54

24.5 21.93 16.90

49.0 47.50 40.51

98.1 96.68 82.54

Valores con los cuales se obtuvo para ZGG con una DR 55%

Ángulo de fricción Interna Máximo, φ’máx = 44.5°

Cohesión, c’= 0

Tendencia Máximo

η = 0.980∙ζn

R² = 0.9979

Tendencia Residual

η = 0.831∙ζn

R² = 0.9958

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120

Esf

uer

zo d

e co

rte,

η(K

pa)

Esfuerzo normal, ζn(Kpa)

Máximo

Residual




104

Ángulo de fricción Interna Residual, φ’r = 40.9°

Cohesión c’r = 0

La Figura 50 muestra el cambio en la deformación vertical a medida que se produce el corte,

en el caso del corte directo es equivalente al cambio de volumen de la muestra ya que la

sección transversal se mantiene constante 100x100 mm. Con esta gráfica se puede determinar

el ángulo de dilatación máxima , para cada carga normal aplicada.

Figura 50 Desplazamiento vertical- desplazamiento horizontal, para ZGG con DR=55%.

Tabla 22 Ecuaciones de las rectas que describen la dilatación para cada carga normal aplicada (DR=55%)


KPa δy=∙δx·Tan(ψ)-δy0

12.3 δy= 0.2255∙δx-0.2637

24.5 δy= 0.1581∙δx-0.3039

49.0 δy= 0.1445∙δx-0.4175

98.1 δy= 0.0959∙δx-0.4740

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

0 5 10 15 20Des

pla

zam

iento

ver

tica

l, δ

y(m

m)

,


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa

Ψ=12.71°

Ψ=8.98°

Ψ=8.22°

Ψ=5.48°




105


muestra de ZGG para la aplicación de cada carga normal o estado tensional a una densidad

relativa de 55%.



KPa Δ °

12.3 0.2255 12.71

24.5 0.1581 8.98

49.0 0.1446 8.23

98.1 0.0959 5.48


cada probeta (figura 51), es posible obtener la variación del ángulo de fricción a medida que se



Figura 51 Razón de esfuerzos-deformación horizontal, ZGG con DR=55%.

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Raz

ón d

e es

fuer

zo (

η/ζ

n)


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa




106


Al igual que para el ensayo con una DR= a 35% se utilizó la aplicación de la arcotangente para

determinar la variación del ángulo de fricción con el corte de la muestra figura 52.


igual a 38.5°, que es menor al obtenido mediante el criterio de la envolvente de Mohr

Coulomb, que fue de 40.9°.

4.4.1.3 Ensayo de corte directo en zeolita granular gruesa con DR=90%

La muestra con una densidad relativa de 90% fue estudiada bajo la acción de cuatro cargas

normales, como se ve en la figura 53 se aplicaron cargas de 12.3 KPa, 24.5 KPa, 49 KPa y

98.1 KPa.

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20

Ángulo

de

fric

ció

n,φ

'(°)


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa




107

Figura 53 Resistencia al corte- deformación horizontal, para ZGG con DR=90%.

Con la Figura 53, se puede obtener los esfuerzos de corte máximos (ηMáx) correspondiente a

cada tensión normal (ζ normal), y graficar la envolvente de falla Mohr-Coulomb (Figura 54).

Figura 54 Esfuerzo de corte- esfuerzo normal, para ZGG con DR=90%.

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20

Res

iste

ncia

al

cort

e,τ

(KP

a)


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa

Tendencia Máximo

η = 0.998∙ζn+ 9.113

R² = 0.9953

Tendencia Residual

η = 0.827∙ζn + 3.264

R² = 0.9995

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120

Esf

uer

zo d

e co

rte,

η(K

pa)


Máximo

Residual




108

De la Figura 54 se obtienen los parámetros de resistencia al corte máximo para cada una de las

tensiones normales aplicadas, que se resumen en la Tabla 24.

Tabla 24 Resultados corte directo ZGG con DR= 90%.


KPa KPa KPa

12.3 24.33 13.6

24.5 31.91 24.04

49.0 55.37 42.77

98.1 108.41 84.80

Valores con los cuales se obtuvo para ZGG con una DR 90%


Cohesión, c’= 9.11 KPa

Ángulo de fricción Interna Residual, φ’r = 39.6°

Cohesión c’r = 3.26 KPa

La Figura 55 muestra el cambio en la deformación vertical a medida que se produce el corte y

con esta grafica se puede determinar el ángulo de dilatación máxima , para cada carga

normal aplicada.




109

Figura 55 Desplazamiento vertical- desplazamiento horizontal, para ZGG con DR=90%.

Tabla 25 Ecuaciones de las Rectas que describen la dilatación para cada Carga Normal Aplicada, DR=90%.


KPa δy=∙δx·Tan(ψ)-δy0

12.3 δy= 0.3559∙δx-0.1990

24.5 δy= 0.2512∙δx-0.3145

49.0 δy= 0.1748∙δx-0.4695

98.1 δy= 0.2586∙δx-0.4168


muestra de suelo para la aplicación de cada carga normal o estado tensional.

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 5 10 15 20

Des

pla

zam

iento

ver

tica

l, δ

y(m

m)

,


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa

Ψ=19.59°

Ψ=14.49°

Ψ=9.92°

Ψ=14.10°




110



KPa Δ °

12.3 0.3559 19.59

24.5 0.2586 14.50

49.0 0.2512 14.10

98.1 0.1747 9.91


cada probeta Figura 56, es posible obtener la variación del ángulo de fricción a medida que se



Figura 56 Razón de esfuerzos- deformación horizontal, ZGG con DR=90%.

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 5 10 15 20

Raz

ón d

e es

fuer

zo (

η/ζ

n)


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa




111


Al igual que a los ensayos anteriores se utilizó la aplicación de la arcotangente para determinar

la variación del ángulo de fricción con el corte de la muestra figura 57.


igual a 44.5°, que es mayor al obtenido mediante el criterio de la envolvente de Mohr

Coulomb, que fue de 39.6°.

Una vez obtenidos todos los ángulos fricción máximos (φ’Máx) de las gráficas de Ángulo de

Fricción- Deformación Horizontal, y ángulos de dilatación máxima (Ψ) en las gráficas

Deformación Vertical- Deformación Horizontal, para cada carga normal aplicada en cada

ensayo a la densidad relativas correspondiente, fue posible obtener la tabla 27 de resultados y

se graficó el Ángulo de Fricción Máximo (φMáx) en función del Ángulo de Dilatación Máxima

(Ψ) y obtener la relación propuesta por Bolton (1986) para deformaciones planas

, en la Zeolita Granular Gruesa (figura 58).

0

10

20

30

40

50

60

70

0 2 4 6 8 10 12 14

Ángulo

de

fric

ció

n,θ

'(°)


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa




112

Tabla 27 Resultados de ángulo fricción máxima y ángulo de dilatación, para cada densidad relativa ensayada

Normal DR=35% DR=55% DR=90%

ζn φ'Máx Ψ φ'Máx Ψ φ'Máx Ψ

KPa ° ° ° ° ° °

12.3 - - 48.67 12.71 63.18 19.59

24.5 42.21 3.96 41.83 8.98 52.48 14.10

49.0 43.08 3.39 44.11 8.23 48.49 14.50

98.1 42.73 3.21 44.58 5.48 47.86 9.91

Figura 58 Ángulo máximo- ángulo dilatación máxima, para ZGG

De la Figura 58 se puede determinar la contribución de la dilatación al ángulo de fricción

máximo es de K=1.04, un valor diferente a 0.8 propuesto por Bolton para arenas. Y además es

posible obtener un valor de ángulo crítico igual a 37.4° para este material granular que es la

Zeolita Granular Gruesa.

También fue posible graficar la variación del ángulo de fricción máximo (φ’Máx) y residual

(φr) con la densidad relativa como se ve en la figura 59.

Tendencia ZGG

θMáx = 1.04∙ΨMáx + 37.37

R² = 0.78

30

35

40

45

50

55

60

65

0 5 10 15 20 25

Án

gulo

máx

imo,

θM

áx

()

Ángulo dilatación Máx, ΨMáx ( )

ZGG




113

Figura 59 Ángulo Fricción- Densidad Relativa, ZGG

Donde se ve la tendencia al incremento del ángulo de fricción máximo con el aumento de la

densidad relativa, siguiendo el comportamiento esperado para un material granular. Donde el

ángulo de fricción tiene una fuerte influencia del grado de compactación de los materiales.

La variación más alta se produjo entre DR= 35% a DR=55% que fue un incremento de 3.9%

en ángulo de fricción, y para el cambio de DR=55% a DR=90% la variación fue de 0.9%. Esta

disminución puede será justada por una tendencia en donde la pendiente m= 0.035, y donde la

intersección con el eje de las ordenadas entrega un valor de (φ’máx) de 41.9°.

Los resultados obtenidos para la Zeolita Granular Gruesa (ZGG), son valores relativamente

altos, entre 42.8°- 44.9° para el ángulo de fricción interno máximo (φ’Máx), pero proporciona

una buena aproximación ya que se trata de un material chancado que incluye en su

granulometría formas de partículas bastante irregulares, que contribuyen a la resistencia al

corte del material entregando mayor roce en el contacto entre granos.

Con respecto a ángulo de fricción residual (φ’r) se ve una disminución constante con el

incremento de la densidad relativa, este disminución puede fue ajustada por una línea de

Tendencia φ'Máx

θ' = 0.035∙Dr + 41.9R² = 0.7706

Tendencia φ'r

φ' = -0.049∙Dr + 43.9

R² = 0.9615

35

40

45

50

0 20 40 60 80 100

Án

gulo

fri

cció

n, φ

'()

Densidad relativa, DR (%)

θ Máximo

θ Residual




114

tendencia lineal donde la pendiente es m= -0.049 y donde la intersección con el eje de las

ordenas entrega un valor de (φ’máx) de 43.9°.

La variación de 2° entre los dos valores de intersección con el eje de las ordenadas se atribuye

a que ambas rectas no ajustan en con el mismo valor de R2 de correlación entre variables.

También la variación del ángulo de dilatación (Ψ) con la densidad relativa (DR) fue posible de

graficar en la figura 60.

Figura 60 Ángulo dilatación- Densidad relativa

Como se puede ver, y era lo esperado para un material granular, a mayores cargas normales

(σn) aplicadas se obtuvieron bajos ángulos de dilatación (Ψ), para bajas cargas se obtuvieron

las mayores dilatancias en la muestra de ZGG. Además el ángulo de dilatación fue

incrementando con el cambio de densidad relativa aplicada en la totalidad de los ensayos.

En la figura 61 se graficó la superposición de todos los ensayos realizados en ZGG, se

agruparon por densidad relativa y se identificaron con la carga normal aplicada.

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80 100

Án

gu

lo d

ilta

ción

, (

)

Densidad relativa, DR (%)

Ψζn=12.3 KPa

Ψζn=24.5 KPa

Ψζn=49.0 KPa

Ψζn=98.1 KPa




115

Figura 61 Resistencia al corte -deformación horizontal, superposición de todos los ensayos en ZGG.

Se puede ver que el valor de la resistencia residual de la muestra, tiene dependencia de la

carga normal aplicada, y es independiente a la densidad relativa. Este efecto sería más notorio

si se hubiese logrado mayores valores de deformación horizontal.

Este efecto era esperado y se habla de él en la mayoría de la literatura de mecánica de suelos,

en la materia de resistencia al corte, como ejemplo de literatura se puede mencionar el libro

Powrie (2004).

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25

Res

iste

ncia

al

cort

e,τ

(KP

a)


Dr=35%

Dr=55%

Dr=90%ζn=49.0 KPa

ζn=24.5 KPa

ζn=12.3 KPa

ζn=98.1 KPa




116

4.4.2 Ensayos de corte directo zeolita granular fina (ZGF)

De igual manera se realizaron pruebas de corte directo a la muestra de zeolita granular fina

(ZGF), ensayos que fueron referenciados de acuerdo al valor de DMCS (γmáx) y humedad

óptima (wopt). La velocidad a la que se realizaron los ensayos fue de 0.5 mm/min.

Las muestras fueron compactadas en molde, procurando alcanzar compactaciones de 77%,

85% y 90% del valor de la DMCS (ρmáx). Con los ensayos de Proctor modificado fue posible

establecer rangos de humedades donde se cumple con la densidad deseada estos rangos se

presentan en la tabla 28 y fueron obtenidos con la ecuación que describe la curva de

compactación. Las muestras fueron preparadas a una humedad 30%un valor cercano al de

humedad óptima (wopt).

Tabla 28 Rango de humedades para lograr un peso unitario seco deseado de ZGF.

% de DMCS γd Rango de ω

% KN/m3 %

90 10.431 20.9 - 43.7

85 9.852 18.4 - 46.2

77 8.924 15.1 - 49.5

4.4.2.1 Ensayo de corte directo en zeolita granular fina 77% de DMCS (ρmáx)

Igual que para los ensayos realizados en la zeolita granular gruesa (ZGG), los ensayos en la

zeolita granular fina (ZGF) se realizaron bajo la acción de cuatro cargas normales, como se ve

en la Figura 58 se aplicaron cargas de 12.3 KPa, 24.5 KPa, 49 KPa y 98.1 KPa.

Se preparó en la caja de corte (300 cm3) una muestra de una masa total de 354.78 gr y un 30%

de humedad, que corresponde a una Peso Unitario Total (γt) de 11.60 KN/m3, y a un Peso

Unitario Seco de (γd) de 8.92 KN/m3

que equivale al 77% de la DMCS (ρmáx) del Proctor

modificado.




117

Figura 62 Resistencia al corte - deformación horizontal, para ZGF al 77% de la DCMS

Con la Figura 62, se puede obtener los esfuerzos de corte máximos (ηmáx) correspondiente a


Figura 63 Esfuerzo de corte- esfuerzo normal, para ZGF al 77% de la DMCS

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20

Res

iste

ncia

al

cort

e,τ

(KP

a)


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa

Tendencia Residual

η = 0.636∙ζn + 3.074

R² = 0.998

Tendencia Máximo

η = 0.597∙ζn + 3.327

R² = 0.9930

10

20

30

40

50

60

70

0 20 40 60 80 100 120

Esf

uer

zo d

e co

rte,

η(K

pa)


Máximo

Residual




118



Tabla 29 Resultados corte directo para ZGF al 77% de la DMCS


KPa KPa KPa

12.3 9.69 8.96

24.5 19.16 18.22

49.0 35.63 35.20

98.1 64.84 60.77

Valores con los cuales se obtuvo para ZGF al 77% de la DMCS


Cohesión, c’= 3.3 Kpa

Ángulo de fricción Residual, φ’r = 30.8°

Cohesión c’r = 3.1 Kpa

La Figura 64 muestra desplazamiento vertical de la muestra a medida que se produce el corte,

para el ensayo de corte directo de zeolita granular fina al 77% de la DMCS




119

Figura 64 Desplazamiento vertical-desplazamiento horizontal, para ZGF al 77% de la DMCS

La muestra de zeolita granular fina (ZGF) presentó comportamiento contractivo, para cada de

las cargas normales aplicadas, al ser ensayadas a 77% de la DMCS. Por lo cual, no fue

posible obtener ángulos de dilatación (Ψ), como en la ZGG.


cada probeta (Figura 65), es posible obtener la variación del ángulo de fricción a medida que

se produce el corte en el ensayo, con lo que también se puede determinar gráficamente una

aproximación del ángulo fricción residual (φ’r) figura 66, en donde se ve una variación de un

valor ángulo de fricción residual entre 32°-37°.

-1.6

-1.4

-1.2

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0 5 10 15 20

Des

pla

zam

iento

ver

tica

l, δ

y(m

m)

,


ζn=12.3 Kpaζn=24.5 Kpaζn=49.0 Kpaζn=98.1 Kpa




120

Figura 65 Razón de esfuerzos- deformación horizontal, para ZGF al 77% de la DMCS.

Figura 66 Ángulo de fricción–deformación horizontal, para ZGF al 77% de la DMCS.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0 5 10 15 20

Raz

ón d

e es

fuer

zo (

η/ζ

n)


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15 20

Ángulo

de

fric

ció

n,φ

(°)


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa




121

4.4.2.2 Ensayo de corte directo en zeolita granular fina al 85% de DMCS (ρmáx)

Los ensayos en la zeolita granular fina (ZGF) al 85% de la DMCS se realizaron bajo la acción

de cuatro cargas normales, como se ve en la Figura 63 se aplicaron cargas de 12.3 Kpa, 24.5

KPa, 49 KPa y 98.1 KPa.

Los ensayos al 85% de la DMCS (ρmáx) equivalen a un Peso Unitario Seco (γd) de 9.85

KN/m3, esto se logró compactando en la caja de corte (300cm

3) una masa de 391.65 gr de

ZGF con un 30% de humedad, lo que corresponde a un Peso Unitario Total de 12.81 KN/m3.

Figura 67 Resistencia al corte- deformación horizontal, para ZGF al 85% de la DCMS



0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25 30

Res

iste

ncia

al

cort

e,τ

(KP

a)


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa




122

Figura 68 Esfuerzo de corte- esfuerzo normal, para ZGF al 85% de la DMCS


tensiones normales aplicadas, que se resumen en la tabla 30.

Tabla 30 Resultados Corte Directo para ZGF al 85% de la DMCS


KPa KPa KPa

12.3 11.44 11.07

24.5 18.36 16.47

49.0 32.42 31.70

98.1 67.10 65.21


Angulo de fricción Interna Máximo, φ’máx = 33.1°


Angulo de fricción Residual, φ’r = 32.6°


Tendencia Máximo

η = 0.652∙ζn+ 2.368

R² = 0.997

Tendencia Residual

η = 0.641∙ζn+ 1.658

R² = 0.997

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100 120

Esf

uer

zo d

e co

rte,

η(K

Pa)


Máximo

Residual




123

La Figura 69 muestra el desplazamiento vertical a medida que se produce el corte, para el

ensayo de corte directo de zeolita granular fina al 85% de la DMCS

Figura 69 Curva desplazamiento vertical-desplazamiento horizontal, para ZGF al 85% de la DMCS

La muestra de zeolita granular fina (ZGF) presentó comportamiento contractivo, para cada de

las cargas normales aplicadas, al ensayarla a 85% de la DMCS. Por lo cual no fue posible

obtener ángulos de dilatación (Ψ), como en la ZGG.


cada probeta (Figura70), es posible obtener la variación del ángulo de fricción a medida que se


aproximación del ángulo fricción residual (φ’r) figura 71, en donde se puede obtener un valor

de φ’r 34° para las cargas normales en donde se alcanzaron valores de deformación horizontal

mayores al 15%.

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0 5 10 15 20 25

Des

pla

zam

iento

ver

tica

l, δ

y(m

m)

,


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa




124

Figura 70 Razón de esfuerzos- deformación horizontal, para ZGF al 85% de la DMCS

Figura 71 Ángulo de fricción–deformación horizontal, para ZGF al 85% de la DMCS.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 5 10 15 20

Raz

ón d

e es

fuer

zo (

η/ζ

n)


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 5 10 15 20

Ángu

lo d

e fr

icció

n,θ

(°)


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa




125

4.4.2.3 Ensayo de corte directo en zeolita granular fina al 90% de DMCS (ρmáx)

Los ensayos en la zeolita granular fina (ZGF) al 90% de la DMCS se realizaron bajo la acción

de cuatro cargas normales, como se ve en la Figura 68 se aplicaron cargas de 12.3 KPa, 24.5

KPa, 49 KPa y 98.1 KPa.

Los ensayos al 90% de la DMCS (ρmáx) equivalen a un Peso Unitario Seco (γd) de 10.43

KN/m3, esto se logró compactando en la caja de corte (300 cm

3) una masa de 414.69 gr de

ZGF con un 30% de humedad, lo que corresponde a un Peso Unitario Total de 13.56 KN/m3.

Figura 72 Resistencia al Corte- Deformación horizontal, para ZGF al 90% de la DCMS



0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25

Res

iste

ncia

al

cort

e,τ

(KP

a)


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa




126

|

Figura 73 Esfuerzo de Corte- Esfuerzo Normal, para ZGF al 90% de la DMCS



Tabla 31 Resultados Corte Directo para ZGF al 90% de la DMCS


KPa KPa KPa

12.3 11.15 9.76

24.5 18.43 17.85

49.0 37.37 36.90

98.1 68.99 65.79



Cohesión, c’= 2.7 Kpa

Angulo de fricción Interna Residual, φ’r = 33.2°

Cohesión c’r = 2.5 Kpa

Tendencia Máximo

η= 0.6799∙ζn+ 2.7277

R² = 0.9986

Tendencia Residual

η= 0.6546∙ζn + 2.4779

R² = 0.996

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 20 40 60 80 100 120

Esf

uer

zo d

e co

rte,

η(K

pa)


Máximo

Residual




127


ensayo de corte directo en la muestra de zeolita granular fina al 90% de la DMCS

Figura 74 Desplazamiento vertical- desplazamiento horizontal para ZGF al 90% de la DMCS

La muestra de Zeolita Granular Fina (ZGF) presentó comportamiento dilatante bajo la acción

de una baja carga normal de 12.3 KPa, con un ángulo de dilatación máxima ( igual a

5.30°.


cada probeta (Figura 75), es posible obtener la variación del ángulo de fricción a medida que

se produce el corte en el ensayo, con lo que también se puede determinar gráficamente una

aproximación del ángulo fricción residual (φ’r) figura 76, se puede obtener una variación φ’r

34°-38° para las cargas normales aplicadas.

-1.6

-1.4

-1.2

-1.0

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0.0

0.2

0.4

0 5 10 15 20 25

Des

pla

zam

iento

ver

tica

l, δ

y(m

m)

,


ζn=12.3 Kpaζn=24.5 Kpaζn=49.0 Kpaζn=98.1 Kpa

Ψ=5.30°




128

Figura 75 Razón de Esfuerzos- Deformación Horizontal, para ZGF al 90% de la DMCS

Figura 76 Ángulo de Fricción–Deformación horizontal, para ZGF al 90% de la DMCS

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 5 10 15 20

Raz

ón d

e es

fuer

zo (

η/ζ

n)


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15 20

Ángu

lo d

e fr

icció

n,θ

(°)


ζn=12.3 Kpa

ζn=24.5 Kpa

ζn=49.0 Kpa

ζn=98.1 Kpa




129

Realizadas las pruebas de corte directo para la Zeolita Granular Fina (ZGF), se obtuvieron

ángulos de fricción interna entre 32.5°-34.2°, y una baja cohesión entre 2.7-3.3 KPa para los

distintos Pesos Unitarios Secos analizados. Resultados que se pueden ver en la tabla 32.

Tabla 32 Resumen de Resultados Obtenidos para ZGF, para las Distintos Pesos Unitarios Analizados

DMCS γd φ´máx Cohesión φ´r Cohesión

(%) KN/m³ ° Kpa ° Kpa

77.00 8.92 32.50 3.33 30.80 3.07

85.00 9.85 33.10 2.37 32.60 1.66

90.00 10.43 34.20 2.73 33.20 2.48

Figura 77 Ángulo Fricción- Peso Unitario Seco, para ZGG

La figura 77 presenta las relaciones obtenidas para el ángulo de fricción (φmáx) y ángulo de

fricción Residual (φ´r) con el peso unitario seco (γd), donde ambos incrementan con el grado

de compactación o con el aumento del peso unitario seco (γd). El ángulo de fricción máximo

tuvo un incremento de 5.23% al estar compactado de un 77% DMCS a 90 DMCS.

Yukselen (2010) quien ha trabajado con zeolita encontró valores de ángulos de fricción interna

(θ’máx) de 34° y cohesión (c) igual a cero para zeolita de Gördes, además de 36.5° para (θ’máx)

Tendencia φ máxφ máx = 1.0809∙γd + 22.746

R² = 0.912

Tendencia φ'rφ'r = 1.6218∙γd + 16.415

R² = 0.9783

30

35

8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0

Án

gulo

fri

ción

, φ

'()

Peso unitario seco, γd (KN/m3)

θ Máximo

θ Residual




130

y cohesión (c) cero para zeolita de Bigadiç, ambas regiones ubicadas en el país de Turquía.

Kayabali (1997) en su trabajo realizó pruebas triaxiales (UU) a zeolita de Gördes, y reportó

ángulos de fricción interno (θ’p) de 39° y 20 KPa de cohesión (c) para zeolita mezclada con un

5 % de bentonita.

Aunque no existe un estudio exhaustivo del comportamiento de la resistencia al corte en

zeolitas, los resultados obtenidos en este trabajo para Zeolita Granular Fina presentan una

buena aproximación a los resultados obtenidos por otros autores

Figura 78 Resistencia al Corte -Deformación Horizontal, Superposición de todos los Ensayos en ZGF.

En la figura 78 se graficó la superposición de todos los ensayos realizados en ZGF, se

agruparon por porcentaje de la DMCS y se identificaron con la carga normal aplicada. Al igual

que para la ZGG se puede ver que el valor de la resistencia residual, tiene dependencia de la

carga normal aplicada, y es independiente a grado de compactación. Igualmente las

variaciones producidas son mínimas.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 5 10 15 20 25

Res

iste

ncia

al

cort

e,τ

(KP

a)


75% DMCS

85% DMCS

90% DMCSζn=49.0 KPa

ζn=24.5 KPa

ζn=12.3 KPa

ζn=98.1 KPa




131

Figura 79 a) Tallado de Muestras de Zeolita Fina, para Corte Directo; b) Muestra de Zeolita Fina en

la Caja de Corte Circular.

4.4.3 Ensayos de Corte Directo Zeolita Fina (ZF <0.075 mm)

Debido a que el material fino presenta mayor complejidad en la preparación de muestras, se

decidió realizar las pruebas de corte directo a la zeolita fina (<0.075 mm) en la caja de corte

circular de 6 cm de diámetro y 3 cm de alto, para ello se compactó en un molde proctor a un

90% de la DMCS (γd) y con la Humedad Óptima (wopt) la muestra, luego fueron talladas siete

muestras (Figura 79A), las que fueron guardadas en bolsas plásticas herméticas para no perder

humedad y posteriormente ensayadas.

Como se trata de un material fino, se realizaron dos pruebas para comparar el comportamiento

bajo condiciones drenadas (CD), variando la velocidad de corte en él ensayo, se realizó un

ensayo a 0.5 mm/min y otro a 0.06 mm/min.

a) b)




132

4.4.3.1 Ensayo de Corte Directo a 0.06 mm/min en Zeolita Fina

Como se mencionó anteriormente se realizó un ensayo de corte directo al material Zeolita Fina

(<0.075mm), donde se compacto una muestra testigo al 90% de la DMCS, lo que es

equivalente a un Peso Unitario Seco de 11.21 KN/m3, con un porcentaje de humedad igual al

de la humedad optima (wopt). El ensayo se realizó bajo la aplicación de tres cargas normales 52

KPa, 104.1 KPa y 208.1 KPa. Este primer ensayo en este tipo de granulometría fue realizado a

una velocidad de corte de 0.06 mm/min.

En la Figura 81 se muestra los resultados del ensayo realizado, donde se puede ver las curvas

de resistencia al corte- deformación horizontal para cada una de las cargas normales.

Figura 80 Muestra de Zeolita Fina (ZF) Después de Realizado el Ensayo a 0.06mm/min




133

Figura 81 Resistencia al Corte- Deformación Horizontal para Zeolita Fina, a 0.06 mm/min.



Figura 82 Esfuerzo de Cote- Esfuerzo Normal Zeolita Fina, ensayada a 0.06 mm/min



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14

Res

iste

ncia

al

cort

e,τ

(KP

a)


ζn=52.0 KPa

ζn=104.1 KPa

ζn=208.1 KPa

Tendencia Máximo

η= 0.311∙σn + 30.018

R² = 0.998

Tendencia Residual

τ= 0.262∙ζn+ 11.458

R² = 0.8430

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 50 100 150 200 250

Esf

uer

zo d

e co

rte,

η(K

pa)

Esfuerzo normal, ζn (Kpa)

Máximo

Residual




134

Tabla 33 Resultados Corte Directo para Zeolita Fina, ensayada a 0.06 mm/min


KPa KPa KPa

52 45.35 18.29

104.1 63.64 48.96

208.1 94.31 62.61

Valores con los cuales se obtuvo para Zeolita fina al 90% de la DMCS, en ensayo de Corte

Directo a una velocidad de 0.06 mm/min



Angulo de fricción Interna Residual, φ’r = 14.7°


La Figura 83 muestra desplazamiento vertical de la muestra a medida que se produce el corte,

para el ensayo de corte directo en la muestra de zeolita granular fina al 90% de la DMCS.

Figura 83 Deformación Vertical- Deformación Horizontal para ZF ensayo de Corte Directo a 0.06 mm/min

-0.3

-0.3

-0.2

-0.2

-0.1

-0.1

0.0

0.1

0.1

0.2

0.2

0 2 4 6 8 10 12 14Des

pla

zam

iento

ver

tica

l, δ

y(m

m)

,


ζn=52.0 KPa

ζn=104.1 KPa

ζn=208.1 KPa




135

Figura 84 Razón de Esfuerzos para Zeolita Fina ensayada a 0.06 mm/min

Figura 85 Ángulo de Fricción- Deformación Horizontal Zeolita Fina ensayada a 0.06 mm/min

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

0 2 4 6 8 10 12 14

Raz

ón d

e es

fuer

zo (

η/ζ

n)


ζn= 52.0 KPa

ζn=104.1 KPa

ζn=204.1 KPa

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 2 4 6 8 10 12 14

Ángulo

de

fric

ció

n,θ

(°)


ζn= 52.0 KPa

ζn=104.1 KPa

ζn=208.1 KPa




136

En la figura 84 se presenta la razón de esfuerzos o normalización de cada una de las muestras

por la carga normal aplicada, con la cual se puede obtener una variación del ángulo de fricción

a medida que se produce el corte de la muestra (figura 85). De la figura 85 no queda claro un

valor único para el valor de ángulo de fricción residual (φ’r), se puede considerar una variación

de este entre los 20° a 25°, superior a lo obtenido por medio de la envolvente de Mohr

Coulomb en la figura 82 e incluso mayor al obtenido por mismo criterio para φ’máx.

4.4.3.2 Ensayo de Corte Directo a 0.5 mm/min a Zeolita Fina

Al igual que para el primer ensayo en Zeolita Fina, se colocó una muestra en la caja de corte

circular. En este ensayo se aplicaron cuatro cargas normales de 26 KPa, 52KPa, 104.1 Kpa y

208.1 KPa. Se realizó el ensayo a una velocidad de 0.5 mm/min.

En la Figura 86 se muestra los resultados del ensayo realizado, donde se puede ver las curvas

de esfuerzo de corte vs desangulación unitaria para cada una de las cargas normales.

Figura 86 Resistencia al Corte- Deformación Horizontal para Zeolita Fina ensayada a 0.5mm/min.



0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20

Res

iste

ncia

al

cort

e,τ

(KP

a)


ζn=26.0 KPaζn=52.0 KPaζn=104.1 KPaζn=208.1 KPa




137

Figura 87 Esfuerzo de Corte- Esfuerzo Normal para Zeolita Fina ensayada a 0.5mm/min



Tabla 34 Resultados Corte Directo para Zeolita Fina ensayada a 0.5 mm/min

ζ Normal η Máx

KPa KPa

26 10.31

52 24.74

104.1 45.87

208.1 103.84

Valores con los cuales se obtuvo para Zeolita Fina al 90% de la DMCS, para ensayo de Corte

Directo a una velocidad de 0.5 mm/min


Cohesión, c’= 0 KPa

En este ensayo no se alcanzó a desarrollar un valor de resistencia residual.

Tendencia Máximo

η = 0.486∙σnR² = 0.993

0

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200 250

Esf

uer

zo d

e co

rte,

η(K

pa)


Máximo




138


ensayo de corte directo en la muestra de zeolita fina al 90% de la DMCS a una velocidad de

0.5 mm/min.

Figura 88 Desplazamiento Vertical- Desplazamiento horizontal para zeolita fina ensayada a0.5 mm/min.

En la figura 89 se presenta la razón de esfuerzos entre la resistencia al corte y la carga normal

aplicada, razón con a que se obtuvo la variación del ángulo de fricción a medida que se

produce el corte de la muestra (figura 90), con la que puede ver una variación de un valor

residual entre 21°-26°, superiores al φmáx obtenido mediante criterio de la envolvente Mohr

Coulomb en la figura 87.

-0.9

-0.8

-0.7

-0.6

-0.5

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0.0

0 2 4 6 8 10 12 14

Des

pla

zam

iento

ver

tica

l, δ

y(m

m)

,


ζn=26.0 KPaζn=52.0 KPaζn=104.1 KPaζn=208.1 KPa




139

Figura 89 Razón de Esfuerzos para Zeolita Fina ensayada a 0.5 mm/min

Figura 90 Ángulo de Fricción- Deformación Horizontal Zeolita Fina ensayada a 0.5 mm/min.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 5 10 15 20 25

Raz

ón d

e es

fuer

zo (

η/ζ

n)


ζn=26.0 KPa

ζn=52.0 KPa

ζn=104.1 KPa

ζn=208.1 KPa

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10 12 14

Ángulo

def

ricc

ión

,θ(°

)


ζn=26.0 Kpa

ζn=52.0 Kpa

ζn=104.1 Kpa

ζn=208.1 Kpa




140

Con los resultados de los ensayos realizados a la Zeolita Fina (ZF), se puede ver el efecto que

tiene la variación de la velocidad de ensayo, donde un aumento de está (0.5 mm/min) reportó

valores de ángulo de fricción máximo (φ’max) más alto que el ensayo realizado a una baja

velocidad, además no se alcanzó a desarrollar un valor de resistencia residual.

Este efecto puede ser explicado ya que al realizar el ensayo a una mayor velocidad de corte el

agua que está en la muestra genera un cambio significativo en la presión de poros, que genera

una disminución en el contacto entre partículas por lo tanto disminuye la cohesión (c), además

de un incremento en la presión de confinamiento en la caja de corte lo que induce a un

aumento en la medición del ángulo de fricción (φ’máx). De igual forma el efecto de la presión

de poros no es medible en el equipo de corte directo, y es una gran limitante de este ensayo,

por lo que para materiales finos (<0.075 mm) como este caso siempre es recomendable

realizar ensayos a una baja velocidad de ensayo asegurando que la presión de poros se

mantenga constante al momento del ensayo.

Por lo tanto para este material Zeolita Fina se obtuvo un ángulo de fricción máximo (φ’máx) de

17.3° y una cohesión (c) 30 KPa y un ángulo de fricción residual (φ’r) de 14.7°.

4.5 Ensayos de Compresión No Confinada Zeolita Fina (<0.075mm)

Como la zeolita tiene un uso potencial para ser emplea como material contribuyente al

mejoramiento de suelos, se decidió realizar ensayos de compresión no confinada, debido a que

este ensayo es rápido de realizar, económico y ampliamente utilizado por los ingenieros en

estimaciones de propiedades de los suelos.

Los ensayos de Compresión No Confinada, se realizaron siguiendo el procedimiento

establecido en la norma ASTM D2166-00, y fueron realizados a distintas densidades de

acuerdo al valor de DMCS (ρMáx) a distintos porcentajes de humedad. Las densidades

ensayadas fueron de 70%, 81% y 91%, respectivamente, de la DMCS del proctor modificado,

con humedades de 27.4%, 35.7% y 40.6% registradas después del ensayo. Las probetas

ensayadas tenían una razón de esbeltez (H/Ø) de 2, con diámetro de 50 mm y 100 mm de alto,




141

fueron a ensayadas a una velocidad 0.2 mm/min. Todo esto con el objetivo de ver la influencia

de la humedad en los resultados de la resistencia a la compresión (qu) del material fino.

Figura 91 a) Muestra de Zeolita Fina en el equipo de CNC; b) Muestra Zeolita Fina Después del Ensayo de

CNC.

Los resultados de los ensayos se presentan en las Figuras 92, 93 y 94, donde se grafican el

esfuerzo axial- deformación axial de cada probeta ensayada, entendiéndose por axial el sentido

del eje longitudinal de cada probeta, en este caso eje vertical.

a) b)

ϴ=68°




142

Figura 92 Resultados Ensayo de CNC, para Zeolita Fina (ZF) al 70% de la DMCS.


0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Esf

uer

zo a

xia

l, ζ

c(k

Pa)

Deformación axial, εa (%)

(γd=8.8 KN/m³)

W(27.4%)W(35.7%)W(40.6%)

0

50

100

150

200

250

300

350

0.0 0.5 1.0 1.5

Esf

uer

zo a

xia

l, ζ

c (k

Pa)


(γd=10.1 KN/m³)

W(27.4%)W(35.7%)W(40.1%)




143


De las figuras se pueden extraer los resultados (Tabla 35) y graficar en función de la humedad

de los resultados de Resistencia a la Compresión cada uno de los Pesos Unitarios Secos (γd)

analizados.

Tabla 35 Resumen de Resultados de Ensayo de CNC para las Distintas Humedades y Pesos Unitarios Secos

γd qu KPa Su KPa

KN/m³ ω=27.4% ω= 35.7% ω= 40.6% ω=27.4% ω=35.7% ω= 40.6%

8.79 169.2 121.2 73.2 84.6 60.6 36.60

10.04 316.7 238.3 76.9 158.4 119.1 38.49

11.30 665.4 530.6 343.3 332.7 265.3 171.64

0

100

200

300

400

500

600

700

0.0 0.5 1.0 1.5

Esf

uer

zo a

xia

l, ζ

c (k

Pa)


(γd =11.3 KN/m³)

W(27.4%)W(35.7%)W(40.6%)




144

Figura 95 Resultados de Resistencia a la Compresión de Ensayos de CNC a Zeolita Fina

En la Figura 95 se puede ver la influencia de la humedad sobre la Resistencia a la Compresión

(qu) para la zeolita fina determinada en el ensayo de Compresión No confinada, para un mismo

valor de Peso unitario Seco (γd), a mayor contenido de humedad la resistencia a la compresión

disminuye.

Del ensayo de Compresión No Confinada se puede obtener una aproximación rápida de la

Resistencia al Corte No Drenada (Su) en suelos cohesivos o cementados, capaces de mantener

su resistencia intrínseca luego de remover las presiones de confinamiento. La resistencia al

Corte No Drenada en este ensayo queda definida por:

( 9)

Al aplicar está expresión a los resultados (tabla 35) se podría decir que las muestras con

mayor peso unitario (γd), que la resistencia al Corte no Drenada (Su) del material, cambia de

un estado de suelo muy duro a la de un suelo medianamente duro, con el aumento de la

0

100

200

300

400

500

600

700

8.5 9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5Res

iste

nci

a m

áxim

a a

la c

om

pre

sión

,q

uK

Pa

Peso unitario seco, γd KN/m³

W(26.8%)W(34.4%)W(40.0%)




145

humedad. Mientras que los otros dos pesos unitarios (γd) pasan de estado rígido a otro que es

medianamente blando, todo esto basado en los resultados del ensayo de compresión no

confinada propuestos por Karol (1969). Además todos los ensayos realizados de CNC

presentaron un comportamiento frágil, registrando poca deformación al momento de

producirse la falla o resistencia a compresión máxima.

El ensayo de compresión no confinada ha sido utilizado por años en ingeniera, sin embargo

muchas veces no se tienen presente las limitaciones del ensayo, un ejemplo de ello es la

comprobación del grado de saturación que tiene la muestra.

4.6 Resistencia al corte no drenada Su con caída de cono.

Es posible determinar la Resistencia al Corte No Drenada (Su) de suelos remoldeados con el

ensayo de caída de cono (Hansbo, 1957; Koumoto & Houlsby, 2001; Sridharan et al, 2002).

Cuando el cono penetra la muestra tiende a cortar la masa de suelo, entonces los resultados de

este ensayo dependen principalmente de la resistencia al corte no drenada (Su). Hansbo (1957)

en su investigación desarrolló una relación semi-empírica entre la profundidad de penetración

del cono (h) y la resistencia al corte no drenada (Su).

(

10)

Donde W es el peso del cono utilizado en este caso 0.78 N, h es la profundidad de penetración

y K es un "factor de cono" que depende principalmente del ángulo de cono utilizado y

rugosidad del cono. Koumoto & Houlsby (2001) proponen un valor de K igual a 1.33 para el

cono de 30°, de superficie semi-rugosa, con lo que para los suelos en su estado líquido, a una

penetración de 20 mm, se obtiene un valor de resistencia al corte de 2.6 KPa.

Con los resultados obtenidos en la determinación del límite líquido por caída de cono fue

posible obtener una aproximación rápida de la resistencia al corte no drenada (Su) con la




146

expresión propuesta por Hansbo (1957), y se puede ver la variación de (Su) con la penetración

(figura 96) y con la humedad (figura 97).

Figura 96 Resistencia al corte no drenada- penetración, zeolita fina

Figura 97 Resistencia al corte no drenado- humedad zeolita fina

De las figuras 96 y 97 se puede apreciar una aproximación bastante baja de la resistencia al

corte no drenada (Su) para la zeolita fina. Además si se compara estos resultados con los

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25 30

Res

iste

nci

a al

cort

e n

o d

ren

a,S

u

KP

a

Penetración, H mm

Zeolita Fina

0

1

2

3

4

5

6

7

8

55 60 65 70 75

Res

iste

nci

a al

cort

e n

o d

ren

ada,

Su

KP

a

Humedad, ω %

Zeolita Fina




147

obtenidos con compresión no confinada existe una enorme diferencia en la magnitud de la

estimación de Su. Por otro lado en la figura 97 se ve que a medida que aumenta el contenido de

agua en la muestra disminuye la resistencia al corte, siendo mayor la penetración del cono.

Con la comparación de ambos ensayos que proporcionan una estimación rápida y sencilla de

la resistencia al corte no drenada (Su), compresión no confinada y cono, se puede observar que

muchas veces se induce a una sobreestimación de Su con el ensayo de compresión no

confinada, al considerar el suelo saturado sin estarlo. O sencillamente el resultado obtenido

con la Compresión no Confinada no es un valor que represente adecuadamente Su.

El valor mayor de Su registrado fue de 7.50 KPa con un contenido de humedad del 55.9% y

una penetración de 11.8 mm. Yukselen (2010) reportó valores de Su, mediante el uso de caída

de cono, de 4.5 KPa para zeolita de Gördes y 4 KPa para zeolita de Bigadic, con contenidos de

humedad de 43% y 58% respectivamente.

4.7 Ensayo de consolidación

A la zeolita fina (ZF) cuyo tamaño de partículas es menor a 0.075 mm se le realizaron pruebas

de consolidación, siguiendo el procedimiento establecido por la norma ASTM D2435-03, con

la finalidad de determinar la velocidad y posible grado de asentamiento que experimentará

este material al ser sometido a una serie de incrementos de carga y descarga.

La consolidación en suelos finos se conoce como la una reducción del volumen de la masa de

suelo en el tiempo, y es originada cuando un suelo saturado actúa frente a las solicitaciones

impuestas (cargas). El cambio de volumen se debe por el escurrimiento lento del agua presente

y es igual al volumen de agua drenada. La carga es tomada paulatinamente por las partículas

del suelo a medida que escurre el agua.

Se sabe que en suelos granulares la reducción del volumen de vacíos se produce

instantáneamente cuando es aplicada la carga. Pero en suelos arcillosos este proceso de

reducción tomará más tiempo, y también dependerá de factores como grado de saturación,




148

coeficiente de permeabilidad, longitud de la trayectoria de drenaje, condiciones de drenaje y

magnitud de la sobrecarga.

ΔH₁ΔH₂ΔH₃

σv

σv+Δσv₁σv+Δσv₂

Figura 98 Esquema del proceso de consolidación de un suelo (Bardet, 1997).

Para la determinación de los parámetros de consolidación tales como índice de compresión

(Cc) e hinchamiento (Cs) y coeficiente de consolidación (CV) de las muestras se utilizó el

equipo edométrico de consolidación unidimensional del Laboratorio de Geomateriales de la

UCSC. Se sabe que el coeficiente de consolidación es un parámetro que indica la tasa de

compresión de un suelo saturado que está bajo la acción de cargas de compresión, y a su vez

depende directamente de la conductividad hidráulica del suelo.

El carácter del análisis se hizo sobre muestras en un estado remoldeadas con distintos

contenidos de humedad y a distintas densidades iniciales. Los especímenes remoldeados

fueron colocados en el anillo de 5 cm de diámetro y les fueron aplicadas 5 cargas verticales

(σv) o escalones de carga de 12.5 KPa, 25 KPa ,49.8 KPa, 100 KPa y 200 KPa. El resultado

de los parámetros calculados se puede ver en la Tabla 37.




149

Tabla 36 Valores iniciales y finales de los distintos parámetros calculados para los ensayos de consolidación en

zeolita fina (ZF)

Parámetros

Ensayo

C1 C2

Peso unitario total inicial(γti) KN/m³ 15.37 15.88

Peso unitario total final(γtf) KN/m³ 16.33 16.64

Humedad inicial (ωi) % 58.2 43.9

Humedad final (ωf) % 50.5 45

Altura inicial (h0) mm 20.008 20.012

Altura final (hf) mm 17.906 19.248

Peso unitario seco inicial (γdi) KN/m³ 9.71 11.03

Porcentaje inicial de DMCS % 78 88

Peso unitario seco final (γdf) KN/m³ 10.85 11.48

Porcentaje final de DMCS % 86.7 91.7

Volumen de sólidos cm³ 17.83 20.26

Altura equivalente de sólidos mm 9.08 10.32

Altura de vacíos mm 10.93 9.70

Grado saturación % 100% 100%

Índice de vacíos inicial (e0) - 1.204 0.940

Índice de vacíos final (ef) - 0.972 0.866

Como se puede ver en la tabla 36 se ensayaron dos muestras con distintos pesos unitarios

Iniciales (γti) a distintas humedades, que representan diferentes grados de compactación

referenciados a la DMCS obtenida del ensayo de proctor modificado.

La figura 99 muestra el ciclo de Carga-Descarga que se realizó en el ensayo consolidación

C1, con una muestra de un Peso unitario seco inicial de 9.71 KN/m3, en el eje principal se ven

los incrementos proporcionados en la tensión vertical, y en el eje secundario se pude ver la

deformación vertical medida durante el tiempo de duración del ensayo (8400 min).




150

Figura 99 Ciclo de carga- descarga, deformación vertical- raíz del tiempo para el ensayo C1=9.71 KN/m3

De igual forma para el ensayo de consolidación C2, de una muestra de 11.03 KN/m3 de peso

unitario seco inicial, se puede ver en la figura 100 el ciclo de carga-descarga, además de la

deformación medida durante la de duración del ensayo (11700 min).

Figura 100 Ciclo de carga- descarga, deformación vertical- raíz del tiempo para el ensayo C2=11.03 KN/m3

Para ambos ensayos, en cada incremento de carga fue registrado el desplazamiento vertical

midiéndolo por un periodo de 24 hrs. Para la descarga se controló la deformación vertical

-3

-2

-1

0

1

2

3

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

0 20 40 60 80 100

Ase

nta

mie

nto

,δm

m

Incr

emen

to d

e T

ensi

ón

Ver

tica

l, Δ

σv

KP

a

Raiz (tiempo), √t

Ciclo de Carga C1=9.71 KN/m³Asentamiento durante la carga [0-200 Kpa]Asentamiento durante la descarga [200-0 Kpa]

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-250

-150

-50

50

150

250

0 20 40 60 80 100 120

Ase

nta

mie

nto

,δ

mm

Incr

emen

to

de

Ten

sión

Ver

tica

l, Δ

ζv K

Pa

Raiz (tiempo), √t

Ciclo de Carga C2=11.03KN/m³Asentamiento durante la carga [0-200 Kpa]Asentamiento durante la descarga [200-0 Kpa]




151

hasta un periodo de tiempo de que esta se mantuviera estable, muchas veces no se registró por

24 hrs.

La velocidad de disipación de las presiones intersticiales o la velocidad de asentamiento se

puede estimar mediante el cálculo del coeficiente de consolidación (Cv). Una buena

estimación de Cv proporciona información aproximada sobre el tiempo necesario para que se

produzca la consolidación del suelo.

Para determinar Cv se utilizaron dos métodos, el método de Taylor (Raíz cuadrada del tiempo)

y Casagrande (Logaritmo del tiempo), con la finalidad de comparar los resultados entregados

por ambos procedimientos

El método de Taylor se trabaja sobre un gráfico en el que se coloca la raíz del tiempo en el

eje de abscisas y la deformación o altura en el eje de las ordenadas. De la curva obtenida, se

prolonga el tramo recto de la curva hasta intersecar la abscisa (eje x). El punto en el que corta

al eje de las ordenadas (eje y) corresponde al 0% de consolidación. Luego, partiendo de este

punto se traza otra recta con sus abscisas incrementadas 1.15 veces. Esta segunda línea corta a

la curva en un punto al que corresponde el 90% de consolidación primaria. Luego es posible

determinar coeficiente de Consolidación (Cv) mediante con la expresión:

( 11)

Donde Tv es el factor de tiempo adimensional para el 90% de la consolidación, corresponde a

0.848, d es la mitad de la altura de la probeta (en caso de doble drenaje), y t90 es el tiempo

necesario para alcanzar el 90 % de consolidación determinado gráficamente.




152

Figura 101 Determinación de t90 mediante método de Taylor, ensayo C1

En la figura 101 se puede ver, como ejemplo, la gráfica utilizada para la determinación de Cv,

con el método de Taylor, este procedimiento se realizó para cada carga aplicada, y también en

la descarga en ambos ensayos realizados C1 y C2.

El segundo procedimiento el método de Casagrande para obtener la deformación

correspondiente al 100% de consolidación y el tiempo correspondiente, es necesario utilizar

un gráfico en el que el tiempo se represente en forma logarítmica. Se dibuja sobre el gráfico un

línea tangente en la parte central y otra final de la curva. La intersección de ambas rectas se

proyecta horizontalmente hacia el eje de ordenadas (eje y) obteniéndose de esta manera la de

formación correspondiente al 100% de consolidación. Para conocer la deformación teórica

para t=0, se selecciona un tiempo t1 y un tiempo t2, tal que t2=4t1, se mide la distancia vertical

desde t1 hasta t2, y se desplaza este mismo valor verticalmente por encima de t1. Luego se

dibuja una línea horizontal a partir de allí hasta intersectar el eje de deformaciones. A partir de

obtiene la recta que representa el 50% de consolidación, con el promedio entre el U=0% y

U=100%, se traza una recta horizontal hasta intersecar la curva de deformación, y se obtiene el

19.80

19.85

19.90

19.95

20.00

20.05

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Alt

ura

,H

(m

m)

Raíz del tiempo, √t (√min)

ζv= 12.5 KPaRecta ARecta 1.15A

√t90




153

tiempo necesario para alcanzar el 50% de la consolidación. Luego una vez obtenidos los

parámetros el coeficiente de Consolidación (Cv) se obtiene como:

( 12)

Donde Tv es el factor de tiempo adimensional para el 50% de la consolidación, corresponde a

0.197, d es la mitad de la altura de la probeta (en caso de doble drenaje), y t50 es el tiempo

necesario para alcanzar el 50 % de consolidación determinado gráficamente.

La figura 102 muestra un ejemplo de cómo se realizó este procedimiento para la carga vertical

de 12.5 KPa del ensayo de consolidación C1. Esta metodología fue utilizada para ambos

ensayos de consolidación C1 y C2 en carga y descarga.

Figura 102 Determinación de t50 mediante método de casagrande, ensayo C1

Los resultados obtenidos con los procedimientos descritos anteriormente para la obtención de

Cv, se presentan en la tabla 37.

19.80

19.82

19.84

19.86

19.88

19.90

19.92

19.94

19.96

19.98

20.00

0.1 1 10 100 1000 10000

Alt

ura

,H (

mm

)

Tiempo, t min

ζv=12.5 KPa

U=0%

U=50%

U=100%

t50




154

Tabla 37 Resultados de Cv por ambos métodos, para los dos ensayos realizados

C1(γd=9.71 KN/m³) C2(γd=11.03 KN/m³)

Δσv Cv

Taylor Cv

Casagrande Cv

Taylor Cv

Casagrande

Kpa cm²/s cm²/s cm²/s cm²/s C

arg

a

0 - - - -

12.50 5.17E-05 2.71E-05 1.42E-04 2.33E-04

25.00 2.34E-05 2.12E-05 2.65E-05 2.94E-04

50.00 5.04E-05 2.68E-05 7.71E-05 2.33E-04

100.00 6.17E-05 2.46E-05 1.37E-04 3.09E-04

200.00 7.72E-05 2.42E-05 1.44E-04 3.36E-04

Des

carg

a

100.00 4.80E-04 4.29E-05 3.21E-03 3.74E-05

50.00 1.08E-03 6.46E-05 3.58E-04 2.98E-06

25.00 1.64E-04 2.88E-05 5.18E-04 3.02E-05

12.50 1.25E-03 2.01E-05 2.03E-02 7.57E-05

0 4.87E-05 2.02E-05 8.15E-02 3.80E-04

Figura 103 Coeficiente de consolidación- tensión vertical, ensayo C1 (γd=9.71 KN/m³)

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-02

1 10 100 1000

Coef

icie

nte

de

con

soli

dac

ión

, C

vcm

²/s

Tensión vertical,ζv KPa

Cv (Taylor)

Cv (Casagrande)




155

Figura 104 Coeficiente de consolidación- tensión vertical, ensayo C2 (γd=11.03 KN/m³)

La figuras 103 y 104, muestran la variación de Cv con la tensión vertical aplicada, para el

ensayo de consolidación C1 y C2 respectivamente. En ambos ensayos se puede ver que existe

una variación en la estimación de la Cv, de las gráficas se advierte que la metodología de

Taylor entrega resultados mayores y por lo tanto se podría estar sobrestimando la velocidad de

consolidación. Es por ello que para los cálculos realizados se consideró los resultados

obtenidos por el método de Casagrande.

La eficiencia de ambos métodos depende de que la curva de consolidación obtenida se apegue

a las curvas de consolidación teóricas. Y para el caso de la descarga se encontraron

dificultades para ambos por este concepto, se atribuye a esto a que no se realizó todas las

descargas de los ensayos a descarga completa 24 hrs.

En la Figura 105 y 106 se puede ver la reducción en el volumen específico a medida que

aumenta las presiones de consolidación, producto de la disipación de las presiones

intersticiales en la muestra, para el ensayo C1 y C2 respectivamente. Con ambas gráficas fue

1.0E-06

1.0E-05

1.0E-04

1.0E-03

1.0E-02

1.0E-01

1 10 100 1000

Coef

icie

nte

de

con

soli

dac

ión

, C

vcm

²/s

Tensión vertical,ζv KPa

Cv (Taylor)

Cv (Casagrande)




156

posible determinar la presión de pre-consolidación (ζvp), mediante el método de Casagrande,

además del índice de Compresión (Cc) e índice de Hinchamiento (Cs) para ambos ensayos.

Tabla 38 Resultados para la construcción de la curva de consolidación para ensayo C1 (γd=9.71 KN/m³)

ζv KPa 0 12.5 25 50 100 200 100 50 25 12.5 0

ln (ζv) 0 2.526 3.219 3.912 4.605 5.298 4.605 3.912 3.219 2.526 0

ν 2.204 2.182 2.149 2.099 2.029 1.948 1.951 1.956 1.963 1.966 1.972

e 1.204 1.182 1.149 1.099 1.029 0.948 0.951 0.956 0.963 0.966 0.972

Tabla 39 Resultados para la construcción de la curva de consolidación para ensayo C2 (γd=11.03 KN/m³)

ζv KPa 0 12.5 25 50 100 200 100 50 25 12.5 0

ln (ζv) 0 2.5257 3.219 3.912 4.6052 5.2983 4.61 3.91 3.219 2.526 0

ν 1.940 1.931 1.919 1.907 1.881 1.849 1.852 1.856 1.861 1.862 1.866

e 0.940 0.931 0.919 0.907 0.881 0.849 0.852 0.856 0.861 0.862 0.866

Figura 105 Curva de consolidación, ensayo C1 (γd=9.71 KN/m³)

1.900

1.950

2.000

2.050

2.100

2.150

2.200

2.250

0 1 2 3 4 5 6

Volu

men

esp

ecíf

ico,

ν

LN(σv), KPa

C1(γd=9.71 KN/m³)

C D

A B




157

Figura 106 Curva de consolidación, ensayo C2 (γd=11.03 KN/m³)

Los tramos que definen las curvas de consolidación son Carga (AB), compresión normal o

línea virgen (BC) y descarga (CD).

Figura 107 Curvas de consolidación para ambos ensayos en escala lineal.

1.840

1.860

1.880

1.900

1.920

1.940

1.960

0 1 2 3 4 5 6

Volu

men

esp

ecíf

ico,

ν

LN(σv), KPa

C2(γd=11.03 KN/m³)

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

1.05

1.10

1.15

1.20

1.25

1.30

0 50 100 150 200 250

Ind

ice

de

vac

íos,

e

Tensión vertical, σv KPa

C1(γd=9.71 KN/m³)

A

B

C

D

D

A

B

C

A B

D




158

Tabla 40 Resultados de los ensayos de Consolidación realizados a la Zeolita Fina

C1(γd=9.71 KN/m³) C2(γd=11.03 KN/m³)

Carga(K0) ν =2.204-0.0085∙LN(ζ'v) ν =1.9398-0.0034∙LN(ζ'v)

Virgen(λ0) ν =2.528-0.1092∙LN(ζ'v) ν =2.0728-0.0421∙LN(ζ'v) Descarga(K0) ν =1.970-0.0048∙LN(ζ'v) ν =1.8682-0.0032∙LN(ζ'v)

Índice de

Compresión (Cc)

0.1092 0.0421

Índice de

Hinchamiento (Cs)

0.0048 0.0032

Presión de Pre-

Consolidación (ζvp)

30.1 KPa 40.5 KPa

Δe 0.232 0.074

La tabla 40 muestra los resultados obtenidos para cada ensayo, se pueden ver las ecuaciones

de las rectas que definen los tramos de carga, línea virgen y descarga de las curvas de

consolidación, además de los índices de compresión e hinchamiento, la presión de pre-

consolidación y la variación del índice de vacíos de la muestra, para cada ensayo.

La relación entre el incremento en la tensión vertical efectiva y la deformación que se

desarrolla en cada incremento de carga, permite conocer la compresibilidad del suelo

expresada a través del parámetro denominado módulo edométrico (Es). A medida que la

tensión vertical aumenta, Es es cada vez mayor; el suelo es cada vez más rígido.

El módulo edométrico (Es) fue calculado para cada escalón de carga aplicado en ambos

ensayos las tablas 41 y 42 muestran los parámetros con los que fueron calculados.

Tabla 41 Parámetros de cálculos y resultado de Módulo Edométrico (Es) para ensayo C1 (γd=9.71 KN/m³)

Carga Descarga

Intervalo 0-12.5 12.5-25 25-50 50-100 100-200 200-100 100-50 50-25 25-12.5 12.5-0

Δζv (KPa) 12.5 12.5 25 50 100 -100 -50 -25 -12.5 -12.5

hi (mm) 20.008 19.814 19.516 19.058 18.42 17.684 17.716 17.756 17.822 17.846

hf(mm) 19.814 19.516 19.058 18.42 17.684 17.716 17.756 17.822 17.846 17.906

Δh (mm) 0.194 0.298 0.458 0.638 0.736 -0.032 -0.04 -0.066 -0.024 -0.06

ε (%) 0.97% 1.50% 2.35% 3.35% 4.00% -0.18% -0.23% -0.37% -0.13% -0.34%

Es (KPa) 1289 830 1064 1492 2501 55220 22128 6721 9275 3718




159

Tabla 42 Parámetros de cálculos y resultado de Módulo Edométrico (Es) para ensayo C2 (γd=11.03 KN/m³)

Carga Descarga

Intervalo 0-12.5 12.5-25 25-50 50-100 100-200 200-100 100-50 50-25 25-12.5 12.5-0

Δζv (KPa) 12.5 12.5 25 50 100 -100 -50 -25 -12.5 -12.5

hi(mm) 20.012 19.924 19.798 19.674 19.408 19.072 19.106 19.152 19.198 19.214

hf(mm) 19.924 19.798 19.674 19.408 19.072 19.106 19.152 19.198 19.214 19.248

Δh (mm) 0.088 0.126 0.124 0.266 0.336 -0.034 -0.046 -0.046 -0.016 -0.034

ε(%) 0.44% 0.63% 0.63% 1.35% 1.73% -0.18% -0.24% -0.24% -0.08% -0.18%

Es (KPa) 2843 1975 3988 3695 5772 56051 20752 10401 14987 7064

Con los resultados obtenidos fue posible graficar la variación del módulo edométrico con la

aplicación de la tensión vertical (figura108), en donde se ve claramente que a medida que la

tensión vertical aumenta Es es cada vez mayor, lo que se traduce a que el suelo es cada vez

más rígido, este comportamiento se reflejado en la figura 108.

El ensayo con la muestra más compacta (C2) presenta mayor rigidez que el ensayo C1, como

se esperaba.




160

Figura 108 Módulo edométrico- tensión vertical para los ensayos de consolidación realizados

La rapidez con que el suelo logra la consolidación depende directamente del coeficiente de

permeabilidad (K) del mismo y del módulo edométrico (Es). La variación de la permeabilidad

con cada escalón de carga fue calculada mediante la expresión siguiente relación:

( 13)

Donde corresponde al peso unitario del agua igual a 9.81 KN/m3.

Los valores de Cv utilizados fueron los obtenidos con el método de Casagrande (logaritmo del

tiempo), debido a que fueron resultados más conservadores en la estimación del coeficiente

de consolidación.

El cambio en la permeabilidad (K) a medida que se aumenta la tensión efectiva vertical (σv),

para la muestra de zeolita fina (ZF) en este ensayo se puede ver en la Figura 109.

100

1000

10000

100000

1 10 100 1000

Módulo

edom

étri

co,

Es

KP

a

Tensión vertical, σv KPa

C1(γd=9.71 KN/m³)

C2(γd=11.03 KN/m³)




161

Figura 109 Relación entre la permeabilidad y la tensión vertical efectiva, para zeolita fina

Existe una tendencia a la disminución de la permeabilidad con el aumento de la tensión

vertical. Esto se debe a que el reacomodo de las partículas del suelo, las cuales aumentan en

contacto entre sí (densificación) reduciendo el índice de vacíos, lo que implica una

disminución en la permeabilidad. Este efecto se puede ver en la figura 109 donde se graficó a

permeabilidad (K) obtenida con el índice de vacíos.

1.00E-13

1.00E-12

1.00E-11

1.00E-10

1.00E-09

1 10 100 1000

Per

mea

bil

idad

, K m

/s

Tensión vertical, ζv KPa

C1(γd=9.71 KN/m³)C2(γd=11.03 KN/m³)




162

Figura 110 Variación de la permeabilidad con el índice de vacíos zeolita fina.

Diversos autores han desarrollado expresiones a que permiten estimar empíricamente los

índices de Compresión (Cs) e Hinchamiento (Cs), una de ellas y que sigue siendo utilizada en

la actualidad es la propuesta por Terzaghi y Peck (1967) quienes definen como :

( 14)

donde LL es el límite líquido en porcentaje.

Wroth y Wood (1978) basados en un modelo de estado crítico mostraron que el índice de

compresión e hinchamiento se relaciona por las siguientes expresiones:

y ( 15)

es la gravedad espeífica y una constante del material en estado crítico (

Para la correlación de Terzaghi & Peck (1967) se obtuvo un valor de (Cc) igual a 0.54 y para

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

1E-09

0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3

Per

mea

bil

idad,K

m/s

Índice de vacíos, e

Zeolita Fina




163

Wroth &Wood (1978) el índice de compresión fue igual a 0.381 y para (Cs) 0.076. Ambas

correlaciones exceden los resultados obtenidos con la prueba de consolidación

unidimensional. Ambos casos se podría decir que son conservadoras comparadas con los

resultados obtenidos

En la Tabla 43 se presenta un resumen de los parámetros obtenidos para los ensayos de

consolidación de ambas muestras ensayadas, para un posterior análisis.

Tabla 43 Resumen de los resultados Obtenidos para ambos Ensayos Realizados

Parámetros Ensayo

C1 C2

Peso Unitario Seco (γd) KN/m³ 9.71 11.03

Referencia al Proctor Modificado % 78.0 88.6

Presión de Pre-Consolidación (ζp) KPa 30.1 40.5

Coeficiente de Compresión (Cc) 0.1092 0.0421

Coeficiente de Hinchamiento (Cs) 0.005 0.003

Δe a los 200 KPa 0.256 0.074

Permeabilidad Inicial (Ki) m/s 8.06E-11 2.06E-11

Permeabilidad Final (Kf) m/s 3.24E-11 7.15E-12

Permeabilidad a ζ'v=100 Kpa (K100) m/s 8.21E-11 1.61E-11

Kincial/Kfinal 2.49 2.88

Del análisis de los resultados se puede ver el efecto, que produce en los parámetros de

consolidación, la compactación del suelo. En el primer ensayo, de peso unitario seco (γd) igual

a 9.73 KN/m3 la muestra de zeolita fina tuvo cambio en el índice de vacíos (Δe) de 0.256,

mientras que para un (γd) igual a 11.03 KN/m3, el cambio (Δe) fue 0.074 al final de la carga de

200 KPa, concluyendo que una muestra de zeolita al 78% del Proctor modificado se

comprimió más que una al 88%. Esto implica además una drástica reducción en el índice de

Compresión (Cc) del 61.4 % desde un estado menos denso a uno más compacto. De igual

forma los valores indican una baja compresibilidad a pesar de los altos contenidos de humedad

a los que fueron ensayadas las muestras.




164

Los índices de hinchamiento (Cs) registrados en los ensayos de consolidación unidimensional

(edómetro), para ambos ensayos indican que la zeolita posee un bajo potencial de

hinchamiento, valores que reportan una buena concordancia con resultados obtenidos por

otros investigadores como Yukselen (2010), quien informó en su trabajo valores para Cs de

0.020 y 0.017 en zeolitas de Gördes y Bigadiç respectivamente, ambos resultados se

consideran bajos comparados con materiales arcillosos no zeolíticos.

Con respeto a la permeabilidad (K) los resultados que se obtuvieron para la zeolita fina (ZF),

fueron de 8.21x10-11

m/s, en el primer ensayo (γd=9.71 KN/m3) y 1.61x10

-11 m/s para el

segundo ensayo (γd=11.03 KN/m3), ambos resultados bajo una sobrecarga de 100 KPa.

Como ha sido mencionado anteriormente a medida que aumenta la presión de consolidación,

la relación de vacíos de las muestras disminuye. Lo que queda demostrado con la reducción

que se presentó en los valores de (K) que disminuyó a 5.71×10-11

m/s, en el primer ensayo y a

9.51 × 10-12

cm/s para el segundo, en ambos casos al final de ser cargado con sobrecarga de

200 KPa.

Yukselen (2010) reportó valores de conductividad hidráulica (K) de 1.65×10-10

m/s y

4.09×10-10

m/s, en ensayos edométrico con sobrecarga de 98.07 Kpa y Kayabali (1997)

informó en su trabajo valores de (K) de 8×10-9

m/s, para zeolita mezclada y compactada con

un 5% de bentonita, por medio de un permeámetro de carga variable. Por lo tanto, los valores

de permeabilidad informada en este trabajo están en el rango de valores presentados por otros

investigadores. Por lo tanto un rango de permeabilidad para la zeolita fina es dentro de los

materiales impermeables (K>10-9

m/s).

4.8. Ensayos Triaxiales

Los ensayos Triaxiales, de igual manera que el ensayo de corte directo, proporciona al

ingeniero parámetros de resistencia al corte necesarios para calcular en la forma más

aproximada posible la resistencia última de una masa de suelo que será sometida a

solicitaciones por alguna obra de ingeniería. A diferencia del ensayo de corte directo, el

ensayo de compresión triaxial, no impone un plano de falla a la muestra ensayada sino que




165

permite que el suelo lo genere en forma natural y adopte la orientación más desfavorable, con

lo cual hace a este ensayo más confiable que el ensayo de corte directo y/o el ensayo de

compresión no confinada

El ensayo consiste en colocar una muestra cilíndrica de suelo, de relación de esbeltez igual a

dos, protegida por una membrana de látex en una cámara especial en donde se le aplica una

isotrópica. En la parte superior e inferior de la muestra se colocan discos porosos, los cuales

conectados al sistema de drenaje permiten saturar o drenar la muestra. Las muestras

usualmente están sometidas a presiones laterales ejercidas por agua con un sistema de presión

aire/agua.

El agua de la cámara puede adquirir cualquier presión deseada por la acción de un compresor

que está comunicado al sistema aire/agua. La carga axial se transmite al espécimen por medio

de un pistón que atraviesa la parte superior de la cámara, y ejerce una fuerza como reacción de

un marco rígido al subir la base donde está la cámara triaxial.

La presión que se ejerce con el agua que llena la cámara es hidrostática y produce por lo tanto,

esfuerzos principales sobre la muestra, iguales en todas las direcciones, tanto lateral como

axialmente. Es usual llamar ζ1, ζ2 y ζ3 a los esfuerzos principales mayor, intermedio y

mínimo, respectivamente. En un ensayo triaxial de compresión, la presión axial siempre es el

esfuerzo principal mayor (ζ1) los esfuerzos intermedios y menor son iguales (ζ2 = ζ3) y son

iguales a la presión lateral.

Como se mencionó anteriormente el ensayo tiene como finalidad obtener parámetros de

resistencia como la cohesión (c) y ángulo de fricción interna (θ), además de trayectorias de

tensiones totales y efectivas. Y es un ensayo de laboratorio útil para la determinar relaciones

de tensión-deformación de los suelos.

Cada ensayo requiere por lo menos de tres probetas, sometidas a presiones (ζ3) diferentes, en

un gráfico se dibujan los círculos de Mohr que representan los esfuerzos de falla de cada

muestra y trazando una tangente o envolvente a éstos, se determinan los parámetros θ y c del

suelo. Dependiendo del tipo de suelo y las condiciones en que éste trabajará, las alternativas




166

para realizar el ensayo serán consolidados no drenado (CU), no consolidado no drenado (UU)

o consolidado drenado (CD).

Todas los ensayos fueron realizados en el equipo triaxial del laboratorio de Geomateriales

UCSC marca Humboldt (figura 111), que cuenta con un panel de distribución del agua y aire

comprimido, un equipo regulador del sistema de presión aire/agua, un medidor de cambio de

volumen, un marco rígido de reacción, un computador para la adquisición de datos de los

ensayos y una cámara triaxial que incluye en su base una válvula eléctrica (o electroválvula) y

un medidor de presión de poros. En el trabajo realizado por Puga (2012) se describe de forma

detallada y completa cada componente del equipo, además del procedimiento para realizar un

ensayo con el software del equipo.

Figura 111 Equipo Triaxial Marca Humboldt del Laboratorio de Geomateriales UCSC (Puga, 2012).

El ensayo se ejecuta en tres etapas saturación: consolidación y corte, en la primera etapa se

busca asegurar que todos los poros de la probeta a ensayar queden llenos de agua, para obtener

una correcta medición de las presiones intersticiales. En la consolidación se busca llevar a la




167

probeta al estado de tensiones deseado previo al proceso de corte. Y la etapa de corte en la que

se determina la resistencia que desarrolla la probeta al oponerse a la deformación aplicada.

4.8.1 Preparación de las probetas

Las muestras fueron preparadas por compactación por capas en molde, cada probeta preparada

se fabricó con la cantidad de material suficiente, calculado previamente, para representar una

densidad seca deseada, en referencia a los ensayos de densidad relativa o proctor modificado

según corresponda.

La preparación consiste en depositar una cantidad total de material determinada previamente,

dentro de un molde de dimensiones conocidas, 50 mm de diámetro y 100 mm de alto. Este

molde está partido en dos mitades y se cierra con una abrazadera metálica que une y mantiene

fijas las partes durante la preparación. Al material se le incorpora una baja cantidad de agua

que ayuda a la compactación debido a la tensión superficial, con esta cantidad de agua se

estima un porcentaje de humedad que es considerado en los cálculos de densidad seca.

El material se debe ir colocar dentro del molde por capas, puede ser 4 o 5 capas. Cada capa

debe ser de la misma cantidad de material y la sumatoria de todas ellas debe ser igual a la

cantidad total calculada. El material en cada capa se compacta con un pisón metálico ligero, se

verifica el espesor de la compactación por diferencias de altura en el molde. Cuando se obtiene

el espesor correcto 1/4 o 1/5 de la altura del molde, en el caso de la primera capa, se escarifica

la superficie con algún elemento punzante para asegurar una mejor adherencia entre capas. Se

repite el proceso de pesar la cantidad de material, verificar el espesor de la capa y enrasar

hasta llenar el molde. En la última capa, cuarta o quinta, se debe tener mayor cuidado ya que

se está cerca del borde, para ello se debe ingresar de a poco el material, para que no se

produzca pérdida. De igual forma se comprueba la cantidad de material efectivo dentro de la

probeta por la diferencia de pesos con la referencia del peso inicial preparado dentro de un

recipiente.

Una vez terminado el proceso de preparación se suelta la abrazadera que une las dos partes del

molde que contiene la probeta, se centra éste en el pedestal de la cámara triaxial, encima de




168

una piedra porosa y un papel filtro y se separan cuidadosamente las dos mitades, de haber

realizado todas las operaciones correctamente la probeta quedará erguida sobre el pedestal.

Luego se coloca con mucho cuidado en la parte superior de la probeta, un papel filtro, una

piedra y el cabezal de drenaje superior. Por último se coloca la membrana de látex que protege

la probeta, para ello se utiliza un molde al que se le puede aplicar succión sobre su pared. Se

introduce la membrana dentro del molde se doblan los extremos sobresalientes contra el molde

y se aplica succión. La membrana adoptará la forma del molde que luego sin perder succión se

coloca por arriba de la probeta hasta abajo en el pedestal, se deja de succionar y la membrana

se adherirá a la superficie de la probeta, se sueltan los extremos doblados deslizándolos hacia

arriba y hacia abajo según corresponda y se asegura la membrana con dos o-ring en cabezal y

en el pedestal, seguidamente se conectan las mangueras de drenaje en el cabezal. Para finalizar

se coloca la cámara triaxial, se centra el pistón en el cabezal de la probeta, se aprietan las tres

mariposas de ajuste que tiene la base de la cámara triaxial y se procede a su llenado con agua.

Figura 112 Probeta de zeolita granular gruesa dentro de la cámara triaxial




169

4.8.2 Saturación de las probetas.

Una vez armada la cámara triaxial se debe saturar la probeta, llenando todo el volumen de

vacío de la muestra con agua desaireada, con lo que se asegurar una correcta medición de las

presiones intersticiales en el ensayo.

Antes de hacer circular agua desaireada por las probetas se aplicó CO2 en ellas ya que se

comprobó, mediante ensayos preliminares, que la utilización de este gas ayuda en el proceso

de eliminación de burbujas de aire, y a su vez disminuye el tiempo de ejecución de la etapa de

saturación. Esto es producto que este gas desplaza y sustituye gran parte del aire en los poros

de la probeta y es más soluble al agua que el aire.

Luego del proceso de preparación de la muestra, llenado de la cámara triaxial y conexión al

sistema de presión aire/agua, es necesario fijar una presión efectiva en el regulador de presión

de 30 KPa, teniendo la precaución que las válvulas de las líneas de drenaje estén cerradas,

solamente abierta la válvula de presión de celda. De igual forma se debe asegurar que la

presión de cámara sea baja entre 20-40 KPa, se recomienda colocar el back pressure en 0 KPa,

con lo que al fijar los 30 KPa efectivos el equipo automáticamente los otorgará a 30 KPa de

presión en la cámara.

Con todo lo anterior realizado se procede a la aplicación de CO2 a la probeta, primero se aplica

CO2 por las líneas de drenaje inferiores (base-base), luego por las superiores (top-top) y

finalmente se hace circular a través de la probeta. Para ello se toma la manguera de conexión

del tanque de CO2 y se va conectando a las entradas de las líneas de drenaje abriendo y

cerrando las válvulas en el orden mencionado y según corresponda. Este proceso se debe

ejecutar por unos 5 a 7 minutos por cada etapa. Se debe verificar que el flujo de CO2 sea lento

de no más de 2 a 3 burbujas por segundo se debe comprobar antes de conectar. Concluida el

tiempo de aplicación de CO2 se comprueba que estén cerradas todas las válvulas de drenaje y

está solamente abierta la válvula de presión de cámara; se desconecta la conexión de CO2 y se

procede a la saturación de la probeta con agua desaireada.




170

Figura 113 Válvulas de las líneas de drenaje y presión de cámara del equipo triaxial

Para saturar la probeta con agua desaireada se debe proceder de igual forma que en la

aplicación de CO2. Se conecta una manguera a la línea de agua desaireada, que baja desde el

tanque por gravedad, se debe controlar el flujo de agua que sale de la manguera antes de

conectar a los drenajes debe ser un flujo lento gota a gota.

Se va conectando la manguera del agua desaireada a las líneas de drenaje, primero se conecta

y se abren las válvulas de drenaje inferior, se mantienen cerradas las superiores, y se debe

esperar a que por la salida aparezca un goteo constante igual al que está ingresando por la

línea, sin burbujeo de aire. Luego siguiendo el procedimiento, abrir y cerrar las válvulas, se

hace el mismo proceso por el drenaje superior. Por último se hace pasar agua desaireada a

través de la probeta con un flujo ascendente, abriendo una válvula base de la izquierda y otra

top de la derecha, en esta etapa se ve como las burbujas aún alojadas en los poros salen por el




171

drenaje superior. Este proceso es lento, el volumen de agua que atraviesa la probeta en este

tiempo debe ser como mínimo el volumen de vacíos que se obtiene de las relaciones de fase

del suelo.

Se puede concluir este proceso cuando no se aprecien burbujas en las líneas de drenaje

superior y haya circulado por goteo un volumen considerable de agua desaireada. Finalizado

se vuelve a conectar las líneas de drenaje al sistema y se abren las válvulas top y base de la

izquierda

4.8.3 Verificación del grado de saturación mediante el valor B de Skempton

Para verificar el grado de saturación de las probetas se utilizó el parámetro B de Skempton

(1954) , que relaciona el cambio en la presiones intersticiales (Δu) producto de un aumento en

la presión confinante o de cámara (Δζc).

( 16)

Cuando B=1 asegura que la probeta esta 100% saturada y que todo el incremento de la presión

confinante ha sido tomado por el agua en los poros. Un valor B≥0.95 es un valor aceptable

para considerar una probeta saturada según la norma BS1377 part8.

A pesar de ser lo suficientemente cuidadoso en la aplicación de CO2 y al saturar con agua

desaireada la probeta, no es posible asegurar que no existen pequeñas burbujas de aire en

interior de ella, además difícilmente se obtendrá un valor B≥0.95 a las bajas presiones

iniciales. Es por ello que se deben aumentar las presiones de back pressure y la presión de

cámara, mantenido siempre la diferencia de presión efectiva de 30 KPa. De este modo el

volumen de las burbujas que aún quedan en la probeta disminuye (ley de Boyle) y además la

cantidad de aire que puede disolver el agua aumenta (ley de Henry), con lo cual llegará un

momento en que todas las burbujas se disolverán en agua y se obtendrá una probeta saturada

(B≥0.95)

El aumento de las presiones de cámara y back pressure se realizó con el software del equipo.

Es necesario establecer, en el software, una condición máxima de presión que se desea que no




172

supere el equipo y un valor B que se quiere obtener así el controlador de presión se detendrá

cuando una de las dos condiciones se cumpla primero.

El aumento de presiones y verificación de valor B el software lo realiza por incrementos

constantes de presión de cámara y back pressure, los que se ejecutan en un periodo de tiempo

establecido. Se debe fijar un valor del incremento entre 10 a 30 KPa, nunca debe ser superior a

la presión efectiva fijada, y el tiempo en que se quiere que se produzcan dichos incrementos.

Con esta información el equipo comienza la etapa de saturación y verificación del valor B.

Lo primero que hace el equipo es abrir la electroválvula del drenaje, por el periodo de tiempo

establecido, permitiendo el ingreso de agua a presión (back pressure) a la muestra y registra

las mediciones iniciales de presión de cámara, back pressure y presión de poros. Pasado ese

tiempo el equipo cierra la electroválvula y aumenta ambas presiones, cámara y back pressure,

en el incremento establecido, registra el aumento producido en todas las presiones, esperando

un leve tiempo (1 min) en que se estabilice la presión poros y calcula el valor B, como la razón

entre la variación en la presión de poros producto del incremento de presión y la cambio en la

presión de cámara. Si el valor B no cumple la condición establecida B≥0.95 y todavía no se

supera la presión máxima establecida, el equipo repite el proceso hasta que una de las dos

condiciones se cumpla primero.




173

Figura 114 Registro de la etapa de saturación.

La figura 114 muestra un registro de la etapa de saturación de la zeolita granular gruesa

(ZGG), se ven tres curvas que representan la saturación por incrementos de presión de cámara

y back pressure, una con la aplicación de CO2, otra sin la aplicación de CO2 y la tercera con el

procedimiento final adoptado para saturar las muestras ensayadas. Se graficó en la figura 110

la variación de la presión de poros y presión de cámara, se anotó la pendiente que corresponde

al valor B al lado de cada incremento de presión.

De las dos primeras curvas mencionadas se observa que con la aplicación de CO2 se puede

lograr un valor B=0.95en menos incrementos de presión. En el primer caso, saturada con CO2,

se logra un valor B=0.95 en tres incrementos de presión, lo que se traduce a un periodo de

tiempo de ensayo de esta etapa de tres horas. Mientras que sin la aplicación de CO2 es posible

obtener un valor B=0.95 igualmente pero a mayores presiones de cámara, y con mas

incrementos de presión, en el segundo caso se logro con cinco incrementos lo que equivale a

un mismo periodo de tiempo en horas. Ambas probetas fueron ensayadas bajo 50 KPa

efectivos y con incremento de presión de 40 KPa cada una hora. La aplicación de CO2 reduce

B = 0.88

B = 0.95

B= 0.96

B= 0.49

B = 0.70

B = 0.84

B = 0.91

B = 0.95

B = 1.0

B = 0.98B = 0.90

B = 0.46

0

50

100

150

200

250

0 50 100 150 200 250 300 350

Pre

sión

de

poro

s,u

(K

Pa)

Presión de cámara, ζc (KPa)

Saturada con CO₂

Saturada Sin CO₂

Procedimiento Final




174

los tiempos de ejecución de la etapa de saturación y ayuda a optimizar la presión máxima que

puede entregar el compresor para poder aplicar mayores presiones de confinamiento.

En la curva de procedimiento final se puede ver que el valor B fue variando a medida que se

producían los incrementos, al inicio en un valor B igual a 0.46 para en los últimos incrementos

se llego a un valor B igual a 1

El procedimiento final adoptado para la etapa de saturación consiste en: luego de saturar la

muestra con CO2 y agua desaireada se deben realizar incrementos de presión bajos de 10 KPa

por un periodo de tiempo de aproximadamente 18 horas manteniendo 30 KPa de presión

efectivos, también se debe establecer como máxima presión back pressure a la que llegue el

equipo 250 KPa. En este periodo de tiempo las burbujas de aire que quedaron alojadas en la

probeta son capaces de disminuir su volumen bajo la presión del agua a presión. Con este

procedimiento se logró que para las muestras de zeolita granular gruesa (ZGG) y zeolita

granular fina (ZGF) se obtuvieran valores de B entre 0.95 y 1, con presiones de cámara no

superiores a 250 KPa, y así no exigieron las capacidades máximas del compresor, quedando

así presión suficiente para poder aplicar en la etapa de consolidación.

4.8.4 Consolidación de las Probetas

La etapa de consolidación isotrópica se realizó inmediatamente después de finalizada la etapa

de saturación. En esta etapa se somete a la probeta a un estado de tensiones deseado antes de

comenzar el corte. Adicionalmente los datos obtenidos durante la consolidación sirven para

calcular las dimensiones de la probeta antes del corte y estimar una velocidad de deformación

adecuada para dicho proceso.

Normalmente la presión efectiva a la que está sometida la probeta una vez finalizado la

saturación no es el que se desea al momento de iniciar el corte. Es por ello que se debe

aumentar la presión de cámara para lograr el estado tensional que se requiera.

El procedimiento se ejecuta con la ayuda del software del equipo en la fase de consolidación,

y lo que realiza es lo siguiente: Una vez definido el estado tensional al que se quiere llevar la

probeta, se ingresan estas condiciones en el software, la presión de cámara necesaria para

llegar al estado tensional y la presión de poros de la probeta finalizada la saturación. Se




175

ingresan además las condiciones de medición de volumen, inicio y de parada y se ejecuta el

ensayo. El equipo indicará el momento en que se debe girar la perilla de presión efectiva al

nivel de tensiones deseada, esta maniobra se debe hacer lentamente hasta llegar al estado

tensional, en todo momento que se realiza esta acción el equipo tiene la electroválvula del

drenaje cerrada, así que todo el incremento que se impone lo toma el agua de los poros, se

puede comprobar el grado de saturación igualmente realizando un test del valor B. Cuando se

alcanza la presión el equipo abre nuevamente la electroválvula y comienza a disiparse la

presión de poros que género el incremento en la presión de cámara

El tiempo de ejecución de este ensayo es variable, idealmente se deben cumplir 24 horas, pero

se puede considerar el proceso finalizado cuando se ha alcanzado un 95% de disipación de la

presión de poros que género el incremento de presión de cámara o cuando se estabiliza las

lecturas del medidor de cambio de volumen, según BS1377 parte 8.

Con el proceso de consolidación la probeta sufre modificaciones en sus dimensiones iniciales

(Figura 115 c), es por ello que se deben calcular las nuevas dimensiones de la probeta antes de

iniciar la etapa de corte.

Figura 115 Dimensiones de la probeta a) Dimensiones iniciales, b) Después de la Saturación, c) Después de la

Consolidación, d) Durante el corte (Bardet, 1997)

a) b) c) d)




176

Las dimensiones nuevas de la probeta quedan definidas de la siguiente forma según BS 1377

parte 8:

Volumen de la probeta después de consolidar:

( 17)

Donde es el volumen inicial de la probeta y el cambio de volumen durante la

consolidación y registrado con el medidor de cambo de volumen, ambos parámetros en cm3

Área transversal de la probeta después de consolidar:

( 18)

Donde es el área inicial de la probeta, es el volumen inicial de la probeta y el cambio

de volumen durante la consolidación.

Altura después de consolidar:

( 19)

Donde es el área inicial de la probeta, es el volumen inicial de la probeta y el cambio

de volumen durante la consolidación

Las presiones de confinamiento efectivo típicas aplicadas fueron de 50, 100 y 200 KPa, para

las zeolitas granulares fina y gruesa. Y para el material fino bajo malla#200 fueron de 75,

100, 150 y 300 KPa.

4.8.5 Etapa de Corte

Concluidas las dos etapas anteriores de saturación y consolidación se procede a la última fase

del ensayo la etapa de corte, donde se aplica por intermedio del pistón de la cámara triaxial un

esfuerzo vertical que se distribuye a toda el área de la probeta y que se conoce con el nombre

de Desviador de tensiones o tensión desviante (Δζ). Esta tensión desviadora (Δζ) se obtiene al




177

dividir la fuerza Q, aplicada por el pistón, que se transmite por toda el área a la probeta. Por lo

tanto la tensión principal mayor (ζ’1) estará compuesta por la suma de la presión de

confinamiento (ζ’3), aplicada en la consolidación, y el desviador de tensiones Δζ (figura 116

a)

Figura 116 a) Esquema de las tensiones aplicadas en la probeta durante el corte, b) Cambio en las dimensiones

de la probeta durante el corte

La figura 116 b muestra un esquema de cómo cambia la sección media de la probeta cuando se

aplica el desviador, por lo tanto es necesario corregir el área de la sección al momento de

realizar los cálculos del desviador en cada instante del corte. El desviador quedara definido

por la fuerza aplicada por el pistón divido por el área corregida (Acorr)

La forma de correcta de corregir el área para un ensayo triaxial drenado (CD), la norma BS

1377 parte 8 lo define como:

( 20)




178

Donde es al área de la probeta después la consolidación, es la deformación volumétrica

definida por el cambio de volumen ( ) experimentado por la probeta en el proceso de

compresión y el volumen después de consolidar ( ), y es la deformación axial de la

probeta definida por ( ) el cambio en la altura de la probeta durante el proceso de corte y

( ) la altura después de consolidar la muestra.

Para un ensayo triaxial consolidado no drenado (CU), la probeta cambia de forma pero no de

volumen, por lo tanto =0, el área corregida será entonces igual a:

( 21)

Donde es al área de la probeta después la consolidación y es la deformación axial

descrita anteriormente.

La aplicación del desviador de tensiones (Δζ), se realizó a deformación controlada a una

velocidad 0.066 mm/min para los ensayos triaxiales drenados (CD) sobre materiales

granulares zeolita granular fina y gruesa. Y para los triaxiales consolidados no drenados la

velocidad fue de 0.1 mm/min.

Cada una de las consideraciones mencionadas para cada etapa del ensayo fue puesta en

práctica durante la ejecución de este. Los resultados y análisis de cada ensayo realizado se

presentan en forma grafica y detallada en las paginas siguientes.

4.8.6 Ensayos triaxiales consolidados drenado en zeolita granular gruesa

(ZGG)

Se realizaron dos ensayos triaxiales consolidadas drenadas con la zeolita granular gruesa a

densidades relativas de 51% y 83% que representan un estado de compactación medio y denso

respectivamente. Se buscó representar las mismas densidades relativas de los ensayos de corte

DR= 55% y 90%, objetivo que no se logró. Con lo que se concluye que el método utilizado de

compactación por capas es adecuado para confeccionar probetas en grados de compacidad de




179

medio a denso entre 50 y 85% de densidad relativa, pero no probetas sueltas ni muy densas, en

materiales granulares.

La metodología empleada para la realización del ensayo fue la descrita en las páginas

anteriores, preparación de la probeta y montaje en la celda triaxial, aplicación de CO2,

saturación de la probeta con agua desaireada, verificación del grado de saturación el valor B≥

0.95, consolidación isotrópica de la probeta a la presiones confinamiento deseadas (50, 100 y

200 KPa) y la aplicación del desviador de tensiones a deformación controlada de 0.066

mm/min.

4.8.6.1 Ensayo triaxial (CD) zeolita granular gruesa DR=51%

En la verificación de la saturación de las probetas se obtuvo valores B de 1.0, 0,95 y 0.96 para

las presiones de confinamiento (ζ’3) de 50,100 y 200 KPa respectivamente.

En la figura 117 se puede ver los cambios de volumen que se produjeron en tres probetas

durante la consolidación isotrópica. Se observa además que a una mayor presión de

confinamiento (ζ’3) mayor es cambio de volumen que se produce en la probeta, esto es debido

a que al someter la probeta a un estado tensional mayor existe un reacomodo de las partículas,

que reduce el índice de vacíos en la probeta lo que desplaza una cantidad mayor de agua.

Figura 117 Consolidación isotropica de ZGG (DR=51%)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Cam

bio

de

volu

men

,Δ

V (

cm³)


ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 KPa




180

Con la información obtenida en la etapa de consolidación isotrópica se determinó el

coeficiente de permeabilidad (K), con la figura117 se obtuvo los valores de t90 utilizando el

método de Taylor para el cálculo de los coeficientes de consolidación Cv para cada presión de

confinamiento (ζ’3) (apartado 4.3.13), las dimensiones después de la consolidación se

obtuvieron con las medidas del cambio del volumen con ellas se hizo el cálculo de las

deformación axial (εa) y deformación volumétrica (εvol).

Con esto parámetros fue posible determinar el módulo edométrico asociado a los resultados

obtenidos de la consolidación isotrópica del ensayo triaxial, para ello se utilizaron las

ecuaciones de la teoría de elasticidad siguiendo el siguiente: En un ensayo triaxial la dirección

principal mayor coincide con la dirección axial de la probeta, y las direcciones principales

menores (2 y 3), iguales entre sí, coinciden con la dirección radial. En un ensayo isotrópico las

ecuaciones de Hooke que describen el comportamiento elástico quedarían expresadas de la

siguiente forma:

( 22)

Donde E es módulo de Young, es coeficiente de Poisson, y corresponde a la presión de

confinamiento.

A medida que la presión de confinamiento ( ) es aplicada se relaciona linealmente con la

deformación volumétrica (εvol). Obteniendo la siguiente expresión:

( 23)

es conocido como el módulo de deformación volumétrica.

Por otro lado en un ensayo edométrico en donde no existe deformación radial o en el sentido

de las direcciones principales menores, , la expresiones de elasticidad quedan

definidas como:




181

( 24)

Donde es el módulo edométrico que de acuerdo con la teoría de elasticidad se define como:

( 25)

Una vez obtenido el módulo edométrico con las relaciones antes mencionadas se calculó el

coeficiente de permeabilidad K con la expresión (13) mostrada en el apartado de

consolidación.

Se utilizaron un valores del coeficiente Poisson (ν) iguales a 0.35 para muestras sueltas, y de

0.3 para muestras compactas. Ambos valores coinciden con aproximaciones entregadas por

autores para arena (Hunt, 1986).

Tabla 44 Resultados del coeficiente de permeabilidad por consolidación isotrópica para ZGG (DR=51%)

ζ'₃ V0 Vc ΔV ɛvol B E Es Cv K

KPa cm³ cm³ cm³ % MPa MPa MPa m²/s m/s

50 196.35 194.87 1.48 0.75% 6.63 5.97 9.58 2.88E-04 2.95E-07

100 196.53 194.87 1.66 0.84% 11.84 10.66 17.10 3.93E-04 2.25E-07

200 197.41 195.17 2.24 1.13% 17.63 15.86 25.46 5.67E-04 2.19E-07

La tabla 44 presenta los resultados obtenidos para el coeficiente de permeabilidad (K) durante

la etapa de consolidación isotrópica. Se puede notar una disminución en (K) con el aumento

de la presión de confinamiento (ζ’3). Esto se debe al estar sometida la probeta a mayor presión

(ζ’3) el contacto entre partículas aumenta, reduciendo el índice de vacíos por lo tanto existe

una mayor resistencia al paso del agua. Las probeta tenían inicialmente densidades relativas

del 51% con un índice de vacíos (e) de 1.323, para acabada la etapa de consolidación presentar

un índice de vacíos de 1.305,1305 y 1.309 para las probetas consolidadas isotrópicamente a

50,100 y 200 KPa respectivamente.

En la figura 118 se muestra las curvas de desviador de tensiones- deformación axial obtenidas

en el ensayo triaxial drenado para zeolita granular gruesa (ZGG), y la figura 119 muestra las




182

curvas de deformación volumétrica- deformación vertical. Sobre ellas se escribieron las

ecuaciones para determinar el módulo de Young inicial (figura 118) y el coeficiente de

Poisson (figura 119).

El módulo de Young inicial queda determinado:

( 26)

Que es la pendiente inicial, tramo lineal, entre el desviador de tensiones y la deformación

vertical .

Mientras que el coeficiente de Poisson por la ecuación:

( 27)

Donde es cambio en la deformación volumétrica inicial y es el cambio en la

deformación vertical inicial.

Estas ecuaciones son derivadas de la teoría de elasticidad de los suelos y aplicadas para un

ensayo triaxial drenado (Bardet, 1997).

La figura 118 se puede ver que a mayor presión de confinamiento (ζ’3), mayor es la resistencia

de la zeolita, esto producto de una mayor densificación en la probeta en el proceso de corte.

La figura 119 muestra la deformación volumétrica versus la deformación axial, se puede ver

un comportamiento inicial contractivo de las probetas (disminución del volumen). Solamente

en la probeta bajo una presión de confinamiento de 50 KPa un comportamiento dilatante a

partir del 9.5% de la deformación vertical, el ángulo de dilatación (Ψ) obtenido fue de 1.54°.




183

Figura 118 Desviador de tensiones- Deformación axial (DR=51%)

Figura 119 Deformación volumétrica-Deformación axial, ZGG (DR=51%)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 5 10 15 20 25

Des

via

dor

,Δ

σ=

ζ₁

-ζ₃

(KP

a)

Deformación Axial. ε a (%)

ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 KPa

-4.0

-3.5

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0 5 10 15 20 25

Def

orm

ació

n V

olu

mét

rica

,ɛ

Vol(%

)

Deformación Axial. εa (%)

ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 KPa= 1.54°




184

Tabla 45 Resultados obtenidos ensayo triaxial ZGG (DR=51%)

ζ'3 Δζmáx ζ'1 ζ'centro ζ'radio E ν

KPa KPa KPa KPa KPa MPa -

50 188.9 238.9 144.4 94.4 28.18 0.203

100 313.7 413.7 256.9 156.9 34.36 0.247

200 649.4 849.4 524.7 324.7 97.92 0.264

La tabla 45 resume los resultados obtenidos para el ensayo triaxial sobre zeolita granular

gruesa (ZGG) a una densidad relativa de 51%, se muestra los resultados del desviador de

tensiones máximo (Δζmáx), tensión principal mayor (ζ'1), módulo de Young (E), coeficiente de

Poisson (ν) para cada una de las probetas. Se aprecia un aumento en (E) con la aplicación de la

presión de confinamiento (ζ’3) y el coeficiente de Poisson varía entre 0.20-0.26. Además se

presenta ζ'centro y ζ'radio con los que se construyeron los círculos de Mohr de la figura 120 y el

diagrama p´-q de las trayectorias de tensiones efectivas figura 121.

Figura 120 Círculos de Mohr ensayo triaxial ZGG (DR=51%)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 200 400 600 800 1000

Res

iste

nci

a al

Cort

e,η

(KP

a)

Presión Efectiva, ζ' (KPa)

ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 KPa

tangente

φ'=38.2°

c=5.3KPa




185

En la figura 120 se trazó la tangente o envolvente de falla a los círculos de Mohr bajo el

criterio del máximo desviador de tensiones donde se obtuvo un ángulo de fricción interna

efectivo (θ’) igual a 38.2° y una cohesión de 5.3 KPa para la zeolita granula a una DR igual

51%.

Figura 121 Trayectoria de tensiones efectivas ZGG, DR=51%

El ángulo de fricción interno (φ’) y cohesión (c) se relacionan con el ángulo (α) que se forma

en el diagrama p’-q al trazar la recta que une los puntos máximos de la siguiente forma:

( 28)

( 29)

0

50

100

150

200

250

300

350

0 100 200 300 400 500 600

q=

(ζ1-ζ

3)/

2(K

Pa)

p'=(ζ1+ζ3)/2 (KPa)

ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 KPa

q Máx

α=31.3

φ'=37.4°; c=7.2 KPa




186

4.8.6.2 Resultados ensayo triaxial (CD) zeolita granular gruesa DR=83%

En la verificación de la saturación de las probetas se obtuvo valores B de 0.98, 0,95 y 0.98

para las presiones de confinamiento (ζ’3) de 50,100 y 200 KPa respectivamente.

De igual forma que para las probetas ensayadas a una densidad relativa de 51%, para la zeolita

granular a una densidad de 83% se obtuvo el coeficiente de permeabilidad (K) durante la etapa

de consolidación isotrópica aplicada a las probetas. La figura 122 muestra el registro del

cambio de volumen durante la consolidación para cada presión de confinamiento (ζ’3)

aplicada, y la tabla 46 resume los resultados obtenidos del coeficiente de permeabilidad.

Se puede que a mayor presión de confinamiento mayor fue el volumen de agua desplazado,

siguiendo la misma analogía que para el caso que para una densidad relativa del 51%.

Figura 122 Consolidación isotrópica de ZGG (DR=83%)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

0 2 4 6 8 10 12

Cam

bio

de

Volu

men

,ΔV

(cm

³)


ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 Kpa




187

Tabla 46 Resultados del coeficiente de permeabilidad por consolidación isotrópica para ZGG (DR=83%)

ζ'₃ V0 Vc Δv ɛvol B E Es Cv K


50 199.53 198.32 1.21 0.61% 8.24 9.89 13.31 1.46E-04 1.08E-07

100 204.45 202.94 1.51 0.74% 13.54 16.25 21.87 2.05E-04 9.21E-08

200 206.96 203.11 3.85 1.86% 10.75 12.90 17.37 1.46E-04 8.25E-08

De los resultados obtenidos en la tabla 46 se observa una disminución en el coeficiente de

permeabilidad (K), con el aumento en la presión de confinamiento (ζ’3), producto del

reacomodo de las partículas que opone mayor resistencia al traspaso de agua. Las probeta

tenían inicialmente densidades relativas del 83% con índice de vacíos de 1.123, para acabada

la etapa de consolidación presentar índice de vacíos de1.177, 1.151 y 1.152 para las probetas

consolidadas a 50,100 y 200 KPa.

En la figura 123 se puede ver que el desviador de tensiones vs la deformación axial, curva

tensión deformación, con la cual se obtuvieron los parámetros de módulo de Young inicial y

desviador de tensiones máximo para la construcción de los círculos de Mohr.

Figura 123 Desviador de tensiones- Deformación axial, ZZG (DR=83%)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 5 10 15 20 25

Des

via

dor

de

ten

sion

es ,

Δσ

=ζ₁

-ζ₃

(KP

a)


ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 KPa




188

Figura 124 Deformación volumétrica-Deformación axial ZGG (DR=83%)

La figura 124 muestra la deformación volumétrica versus la deformación axial, se puede ver

un comportamiento inicial contractivo de las probetas (disminución del volumen). Luego en

todas las probetas, bajo las distintas presiones de confinamiento, se presento un

comportamiento dilatante (aumento del volumen). Los ángulos de dilatación obtenidos (Ψ)

fueron de 10.6°, 5.70° y 2.60° para las presiones de confinamiento de 50, 100 y 200 KPa

respectivamente.

La tabla 47 resume los resultados obtenidos para el ensayo triaxial en la zeolita granular

gruesa a una densidad relativa de 83%, con estos antecedentes se construyeron los círculos de

Mohr par a la obtención de los parámetros resistentes del material y la trayectoria de tensiones.

Tabla 47 Resultados obtenidos ensayo triaxial ZGG (DR=83%)

-5.0

-4.0

-3.0

-2.0

-1.0

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

0 5 10 15 20 25

Def

orm

ació

n v

olu

mét

rica

, ɛ

vol(%

)


ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 KPa

ζ'3 Δζmáx ζ'1 ζcentro ζradio Ei ν


50 149.2 199.2 124.6 74.6 17.6 0.384

100 310.9 410.9 255.5 155.5 26.3 0.285

200 692.3 892.3 546.1 346.1 48.1 0.322

Ψ=10.6

°

Ψ=5.70°

Ψ=2.60°




189

Figura 125 Círculos de Mohr ensayo triaxial ZGG (DR=83%)

Figura 126 Trayectoria de tensiones efectivas ZGG (DR=83%)


criterio del máximo desviador de tensiones donde se obtuvo un ángulo de fricción interna

0

100

200

300

400

500

600

0 200 400 600 800 1000

Res

iste

nci

a al

Cort

e,η

(KP

a)


ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 KPa

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 100 200 300 400 500 600

q=

(ζ1-ζ

3)/

2(K

Pa)

p'=(ζ1+ζ3)/2 (KPa)

ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 KPa

q Máx

φ'=39.6°

c=0

α=32.4

φ'=39.3°

c=0




190

efectivo (φ’) igual a 39.6° y una cohesión (c)nula para la zeolita granular a una densidad

relativa igual 83%.

De acuerdo a los ensayos triaxiales (CD) realizados a la distribución granulométrica

propuesta de zeolita granular gruesa (ZGG), se puede decir que esta distribución presenta

propiedades mecánicas estables ya que para un grado de compactación medio se obtuvo un

ángulo de fricción interno efectivo (φ’) estado suelto 38 grados y una cohesión baja de 5.3

KPa. Y para un estado denso de compactación se obtuvo un valor de (φ’) igual a 40º y

cohesión nula. Las propiedades mecánicas obtenidas por el ensayo triaxial son entre un

10.9%-14.38% más conservadoras que los valores obtenidos por el ensayo de corte directo

para los estados de compactación analizados.

Las fuentes de información sobre la resistencia al corte de zeolita pura son limitadas, y más

aun sobre resistencia al corte de zeolita en ensayo triaxial. Sin embargo Fronczyk et al.(2010b)

reportaron en su trabajo ángulos de fricción interna (φ’) de 44° y cohesión (c) de 28 KPa, en

zeolita pura eslovaca, a una densidad relativa de 88% en ensayos triaxiales drenados. Ensayos

realizados a una granulometría uniforme de zeolita entre 0.5 a 1.0 mm.

Respecto al coeficiente de permeabilidad (K) obtenido durante la consolidación isotrópica

existe una disminución de la permeabilidad con la aplicación de la presión de confinamiento

(ζ’₃) para ambas densidades, y estabilización a mayores presiones. Y en segundo lugar existe

una reducción en la permeabilidad con el grado de compactación o densidad relativa se

produjo una disminución en (K) promedio del 62%, que se explica fácilmente por el menor

índice de vacíos que existe en una probeta más densa y por lo tanto un mayor contacto entre

partículas que impide el libre paso del agua a través de la probeta.

De igual forma los valores obtenidos de coeficiente de permeabilidad (K) estimados de la

consolidación isotrópica son bajos ya que la distribución granulométrica de zeolita granular

gruesa (ZGG) representa a una arena gruesa del tipo SP. Esto se debe a las presiones a las que

se somete a la probeta y estos valores serán comparados con ensayos de permeabilidad de

carga constante.




191

4.8.7 Ensayos triaxiales consolidados drenados en zeolita granular fina

(ZGF)

Se realizaron dos ensayos triaxiales consolidadas drenadas con la zeolita granular fina a 70%

y 85% de la densidad máxima compactada seca. Las probetas tenían un peso unitario seco de

8.10 y 9.84 KN/m3 respectivamente. Y fueron preparas siguiendo la misma metodología de la

compactación por capas del material, representan distintos grados de compactación. En la

preparación de las probetas no existió dificultad, ya que el material presentaba cohesión que

facilitó el procedimiento. Por lo tanto se concluye que el método de compactación por capas

en molde es adecuado para trabajar con materiales con plasticidad.

La metodología empleada para la realización del ensayo es la misma que para la zeolita

granular gruesa donde se preparó la probeta y luego se montó en la celda triaxial, se aplicó

CO2, luego saturación de la probeta con agua desaireada, la verificación del grado de

saturación el valor B≥ 0.95, consolidación isotrópica de la probeta a las presiones

confinamiento deseadas (50, 100 y 200 KPa) y la aplicación del desviador de tensiones a

deformación controlada de 0.066 mm/min.

4.8.7.1 Resultados ensayo triaxial (CD) zeolita granular fina a 70% de la DMCS

En la verificación de la saturación de las probetas se obtuvo valores B de 0.95, 0,95 y 1.00

para las presiones de confinamiento (ζ’3) de 50,100 y 200 KPa respectivamente.

La figura 127 muestra el registro del cambio de volumen durante la consolidación para cada

presión de confinamiento (ζ’3) aplicada, y la tabla 49 resume los resultados obtenidos del

coeficiente de permeabilidad (K).

Se puede ver que la probeta a una presión de confinamiento (ζ’3) igual a 200 KPa sufrió un

gran cambio de volumen durante la etapa de consolidación. Lo que generó un bajo módulo Es

obtenido durante esta etapa.




192

Figura 127 Consolidación isotrópica de ZGF al 70 de la DMCS

Tabla 48 Resultados del coeficiente de permeabilidad por consolidación isotrópica ZGF (70% DMCS)

ζ'₃ V0 Vc ΔV ɛvol B E Es Cv K


50 203.42 202.56 0.86 0.42% 11.83 10.64 17.08 3.29E-04 1.89E-07

100 196.35 185.69 10.66 5.43% 1.84 1.61 2.66 3.53E-05 1.30E-07

200 197.17 176.40 20.77 10.53% 1.89 1.71 2.74 3.54E-05 1.27E-07


permeabilidad (K), con el incremento en la presión de confinamiento (ζ’3), similar a lo

sucedido en las muestra de zeolita granular gruesa. Esto es porque a presiones mayores se

produce una reducción del índice de vacíos que impide el paso del agua.

La figura 128 se puede ver que el desviador de tensiones vs la deformación axial, curva


desviador de tensiones máximo para la construcción de los círculos de Mohr. Y la figura 129

muestra las curvas de deformación volumétrica- deformación axial.

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12C

ambio

de

Volu

men

,Δ

V (

cm³)


ζ'₃=50 KPaζ'₃=100 KPaζ'₃=200 KPa




193

Figura 128 Desviador de tensiones- Deformación axial para ZGF al 70 de la DMCS

Figura 129 Deformación volumétrica-Deformación axial para ZGF al 70 de la DMCS.

La tabla 49 resume los resultados obtenidos de las gráficas anteriores, para las tensiones

principales, con las que se construyeron los círculos de Mohr de la figura 130. Además en la

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25

Des

via

dor

,Δ

σ=

ζ₁

-ζ₃

(KP

a)

Deformación axial. εa (%)

ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 KPa

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 5 10 15 20 25

Def

orm

ació

n V

olu

mét

rica

,ɛ

Vol(%

)

Deformación axial, ε a (%)

ζ'₃=50 KPaζ'₃=100 KPaζ'₃=200 KPa




194

tabla 49 se muestran los resultados de módulo de Young inicial y coeficiente de Poisson

obtenidos durante el ensayo.

Tabla 49 Resultados obtenidos ensayo triaxial para ZGF al 70% de la DMCS.

ζ'3 Δζmáx ζ'1 ζcentro ζradio Ei ν


50 83.8 133.8 91.9 41.9 9.68 0.220

100 226.2 226.2 163.1 63.1 12.59 0.248

200 317.7 517.8 517.7 155.7 13.58 0.202

Figura 130 Círculos de Mohr ensayo triaxial para ZGF al 70% de la DMCS.

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

Res

iste

nci

a al

Cort

e,η

(KP

a)


ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 KPa

φ'=26.1°;

c=0




195

Figura 131 Trayectoria de tensiones efectivas para ZGF al 70% de la DMCS.


criterio del máximo desviador de tensiones, donde se obtuvo un ángulo de fricción interna

efectivo (φ’) igual a 26.1° y una cohesión (c) de 1.69 KPa para la zeolita granular fina de a un

85% de la densidad máxima compactada seca, al ser un valor tan bajo de cohesión fue

considerado como cohesión nula o igual a cero.

4.8.7.2 Resultados ensayo triaxial (CD) zeolita granular fina a 85% de la DMCS

En la verificación de la saturación de las probetas se obtuvo valores B de 0.95, 0,96 y 98 para

las presiones de confinamiento (ζ’3) de 50,100 y 200 KPa respectivamente.

La figura 132 muestra el registro del cambio de volumen durante la consolidación para cada

presión de confinamiento (ζ’3) aplicada, y la tabla 50 resume los resultados obtenidos del

coeficiente de permeabilidad (K).

Se puede ver que la probeta a una presión de confinamiento (ζ’3) igual a 200 KPa sufrió un

gran cambio de volumen durante la etapa de consolidación. Lo que genero un bajo módulo Es

obtenido durante esta etapa.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

0 50 100 150 200 250 300 350 400

q=

(ζ1-ζ

3)/

2(K

Pa)

p'=(ζ1+ζ3)/2 (KPa)

ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 KPa

q Máx

φ'=26.3°;

c=0

α=23.9




196

Figura 132 Consolidación isotrópica de ZGF al 85% de la DMCS

Tabla 50 Resultados del coeficiente de permeabilidad por consolidación isotrópica ZGF al 85% DMCS



50 203.42 202.56 0.86 0.42% 11.83 14.19 19.11 5.17E-05 2.65E-08

100 197.76 195.97 1.79 0.91% 11.05 13.26 17.84 3.55E-05 1.95E-08

200 197.00 190.03 6.97 3.54% 5.65 6.78 9.13 1.60E-05 1.72E-08


permeabilidad (K), con el aumento en la presión de confinamiento (ζ’3), similar a lo sucedido

a lo sucedido en las muestra de zeolita granular gruesa. Esto es porque en presiones mayores

se produce una mayor reducción del índice de vacíos.

La figura 133 se puede ver que el desviador de tensiones vs la deformación axial, curva


desviador de tensiones máximo para la construcción de los círculos de Mohr. Y la figura 134

muestra las curvas de deformación volumétrica- deformación axial.

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 9 10 11 12C

ambio

de

Volu

men

,Δ

V (

cm³)


ζ'₃=50 KPaζ'₃=100 KPaζ'₃=200 KPa




197

Figura 133 Desviador de tensiones- Deformación axial para ZGF al 85% de la DMCS.

Figura 134 Deformación volumétrica-Deformación vertical para ZGF al 85% de la DMCS.

Se puede ver en al figura 134 que todas las probetas sufrieron un comportamiento contractivo.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25

Des

via

dor

,Δ

σ=

ζ₁

-ζ₃

(KP

a)

Deformación axial. ε a (%)

ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 KPa

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0 5 10 15 20 25

Def

orm

ació

n V

olu

mét

rica

,ɛ

Vol(%

)

Deformación axial. εa (%)

ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 KPa




198

La tabla 51 resume los resultados obtenidos de las graficas anteriores, para las tensiones

principales, con las que se construyeron los círculos de Mohr de la figura 135. Además en la

tabla 51 se muestran los resultados de módulo de Young inicial y coeficiente de Poisson

obtenidos durante el ensayo.


ζ'3 ΔζMáx ζ'1 ζcentro ζradio Ei ν


50 79.13 129.1 89.6 39.6 3.10 0.243

100 174.4 274.4 187.2 187.2 26.10 0.153

200 344.8 544.8 372.4 372.4 36.12 0.217

Figura 135 Círculos de Mohr ensayo triaxial para ZGF al 85% de la DMCS.

0

50

100

150

200

250

300

0 100 200 300 400 500 600

Res

iste

nci

a al

Cort

e,η

(KP

a)


ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 KPa

Tangenteφ'=27.8°;

c=0.




199

Figura 136 Trayectoria de tensiones efectivas para ZGF al 85% de la DMCS.


criterio del máximo desviador de tensiones, donde se obtuvo un ángulo de fricción interna

efectivo (φ’) igual a 27.8° y una cohesión (c) de 0.60 KPa para la zeolita granular fina de a un

85% de la densidad máxima compactada seca, si bien al trazar la envolvente de falla se

encuentre un valor de cohesión es bastante bajo y con fines prácticos fue considerado como

cohesión nula.

De acuerdo a los ensayos triaxiales (CD) realizados a la distribución granulométrica de

zeolita granular fina (ZGF), se puede decir que presenta propiedades mecánicas estables de

ángulo de fricción donde se obtuvieron valores de φ’ iguales a 26°.1 y 27.8° y cohesiones

bajas de 1.69 y 0.60 KPa para valores pesos unitarios secos de8.10 y 9.84 KN/m3, estas

cohesiones son consideradas como nulas al ser valores tan bajos

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 50 100 150 200 250 300 350 400

q=

(ζ1-ζ

3)/

2(K

Pa)

p'=(ζ1+ζ3)/2 (KPa)

ζ'₃=50 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=200 KPa

q Máx

α=24.84

φ'=27.6°

c=0




200

Las probetas ensayadas en todo momento presentaron un comportamiento contractivo durante

proceso de corte, que se atribuye a la esfericidad de las partículas de esta distribución

granulométrica.

Las probetas que fueron consolidadas isotrópicamente a 200 KPa sufrieron mayores cambios

de volumen durante esta etapa lo que se tradujo en mayores deformaciones verticales acabado

la consolidación.

4.8.8 Ensayos triaxial consolidado no drenado en zeolita fina ZF

(<0.075mm)

Se realizó un ensayo triaxial al 88% de la densidad máxima compactada seca. Las probetas

preparadas tenían un peso unitario seco de 11.27 KN/m3. Y fueron preparadas siguiendo la

misma metodología de la compactación por capas. En la preparación de las probetas no existió

dificultad alguna. La figura 137 muestra una probeta de zeolita fina luego de su preparación y

lista para su montaje en la cámara triaxial.

Las probetas de zeolita fina ensayadas fueron consolidadas isotrópicamente a presiones de 75,

100,150 y 300 KPa.




201

Figura 137 Probeta de zeolita fina (<#200) antes de ser montada en cámara triaxial

La metodología empleada para la realización del ensayo es la misma que para las

distribuciones de zeolita granulares, donde se preparó la probeta, luego se montó en la celda

triaxial y se aplicó CO2.

La diferencia radica en la saturación con agua desaireada ya que esta distribución presenta

características de un material impermeable, así que la eficiencia para saturar la probeta por

gravedad es casi nula. Es por ello que se saturaron las líneas de drenaje inferior y superior, y

se realizó la etapa de saturación que ejecuta el equipo, que satura la probeta por incrementos

de presión de cámara y back pressure. En la comprobación del grado de saturación mediante el

parámetro B, solo en una de ellas se logró un valor aceptable de B=0.98, en la probeta

ensayada a 75 KPa. Los valores B obtenidos fueron de 0.83 para la pobreta ensayada a 100

KPa, 0.78 para la ensayada a 150 KPa y 0.87 para la probeta ensayada a 300 KPa. No se




202

siguió el aumento de presiones debido a la calibración máxima del equipo (500 KPa) y las

capacidades del compresor.

La aplicación del desviador de tensiones se realizó a deformación controlada de 0.1 mm/min.

La figura 138 muestra el registro de cambio de volumen durante la consolidación isotrópica,

con estos antecedentes fue posible determinar el coeficiente de permeabilidad (K) para esta

distribución granulométrica. Los resultados se presentan en la tabla 52.

Figura 138 Consolidación isotrópica de ZF al 88% de la DMCS

Tabla 52 Resultados del coeficiente de permeabilidad por consolidación isotrópica ZF al 88% DMCS



75 209.89 200.77 9.12 4.35% 1.73 1.04 2.22 2.26E-04 9.98E-07

100 199.53 194.59 4.94 2.48% 4.04 2.42 5.19 7.29E-05 1.38E-07

150 201.18 195.97 5.21 2.59% 5.79 3.48 7.45 9.98E-05 1.31E-07

300 196.94 189.50 7.44 3.78% 7.94 4.77 10.21 1.57E-05 1.67E-08

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 9 10 11 12 13 14

Cam

bio

de

Volu

men

,Δ

V (

cm³)


ζ'₃=75 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=150 KPa

ζ'₃=300 KPa




203

De la tabla 52 se observa la disminución en el coeficiente de permeabilidad (K) a medida que

aumenta la presión de confinamiento (ζ'₃). Lo cual es lógico desde el punto de vista que a

una mayor presión de confinamiento existe una mayor reducción del índice de vacíos.

Figura 139 Desviador de tensiones- Deformación axial para ZF al 88% de la DMCS.

La figura 139 muestra el desviador de tensiones versus la deformación vertical, para las

distintas presiones de confinamiento. Se puede ver que las probetas ensayadas a 75, 100 y 150

KPa, presentaron un punto máximo pronunciado como una falla frágil en la probeta. Mientras

que la probeta ensayada a 300 KPa no presentó este comportamiento y alcanzó su resistencia

máxima al 20% de deformación de forma creciente.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 5 10 15 20 25

Des

via

dor

de

ten

sion

es,

Δσ

=ζ

₁-ζ

₃(K

Pa)

Deformación axial, ɛa (%)

ζ'₃=75 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=150 KPa

ζ'₃=300 KPa




204

Figura 140 Cambio presión de poros- deformación vertical ZF al 88% DMCS.

La figura 140 presenta el cambio en la presión de poros durante el proceso de corte, se puede

ver en las tres primeras probetas una estabilización de las presiones de poros alrededor del 7 %

de deformación vertical. A pesar de no comprobarse un grado de saturación del 100% con la

verificación de valor B en todas las probetas, no se observan cambios de presión de poros

negativas, lo que se traduce que las probetas presentaron un comportamiento contractivo

durante el proceso de corte o un comportamiento de un suelo fino normalmente consolidado.

La tabla 53 resume los resultados obtenidos de máximo desviador de tensiones, presión de

poros para cada probeta ensayada, para la posterior construcción de los círculos de Mohr

totales y efectivos. Además presenta el módulo de Young inicial obtenido durante el ensayo y

las componentes de los círculos de Mohr construidos.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 5 10 15 20 25

Cam

bio

Pre

sión

de

Poro

s,Δ

u (

KP

a)

Deformación axial, ɛa (%)

ζ'₃=75 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=150 KPa

ζ'₃=300 KPa




205


Totales Efectivos

Δζ Δu ζ1 ζ3 ζcentro ζradio ζ'1 ζ'3 ζ'centro ζ'radio Ei

KPa KPa KPa KPa KPa KPa KPa KPa KPa KPa Mpa

70.4 40.6 145.4 75 110.2 35.2 104.8 34.4 69.6 35.2 9.23

114.3 52.0 214.3 100 157.1 57.1 162.3 48.0 105.2 57.1 14.87

177.0 88.9 327.0 150 238.5 88.5 238.1 61.1 149.6 88.5 19.59

473.6 178.9 673.6 200 436.8 236.8 494.6 21.1 257.8 236.8 29.13

Figura 141 Círculos de Mohr totales ensayo triaxial para ZF al 88% de la DMCS.

0

100

200

300

400

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Res

iste

nci

a al

cort

e, τ

(KP

a)

Presión Totales, σ (KPa)

ζ'₃=75 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=150 KPa

ζ'₃=300 KPa

Tangente

φcu=22.5°

c=0




206

Figura 142 Círculos de Mohr efectivos ensayo triaxial para ZF al 88% de la DMCS

En la figura 141 y 142 se trazaron las envolventes de falla, bajo el criterio de máximo

desviador, para el caso de presiones totales y efectivas, con las que obtuvo un valor de ángulo

de fricción no drenado (φcu) igual a 22.5° y cohesión nula, y para el caso efectivo un valor de

ángulo de fricción interna (φ’) de 37.1° e igualmente cohesión nula.

0

100

200

300

0 100 200 300 400 500 600

Res

iste

nci

a al

Cort

e, τ

(KP

a)

Presión efectiva,σ' (KPa)

ζ'₃=75 KPa

ζ'₃=100 KPa

ζ'₃=150 KPa

ζ'₃=300 KPa

Tangente

φ’=37.1°

c=0




207

Figura 143 Trayectoria de tensiones totales para ZF al 88% de la DMCS.

La figura 143 presenta las trayectorias de tensiones totales y efectivas, que se obtuvo durante

el ensayo. Se puede ver que el material, zeolita fina, sigue trayectoria efectiva característica de

los suelos finos normalmente consolidados.

Respecto a los ángulos de fricción obtenidos para la zeolita fina no existen antecedentes de

comparación de una distribución granulométrica similar, solo se cuenta con referencias de

Yukselen (2010) que ensayo muestras de zeolita en corte directo remoldeadas y preparadas en

su límite líquido donde obtuvo ángulos de fricción de 34° a 37° con cohesiones iguales a cero,

estas cohesiones igualmente fueron asumidas producto del bajo valor encontrado.

(KPa)

α=20.9º α=31.1º

p=(σ1+σ3)/2

p’=(σ’1+ σ’3)/2




208

De acuerdo a los resultados de permeabilidad obtenidos durante la consolidación isotrópica se

deduce fácilmente que existe una disminución del coeficiente de permeabilidad (K) con el

incremento de la presión de confinamiento, producto de la reducción del índice de vacíos de la

muestra. De igual manera los resultados del coeficiente de permeabilidad (K) obtenidos son

considerados poco conservadores ya que se obtuvo valores de permeabilidad más altos a los

esperados para un material de fino de características de impermeable (K>10-9

m/s) y poseen

una diferencia bastante amplia con los resultados obtenidos con el ensayo de consolidación

unidimensional edométrico.

4.9 Ensayos de permeabilidad

El concepto de permeabilidad, en geotecnia, es conocido como la capacidad del suelo para

permitir el paso del agua a través de él, sin que dicho tránsito del fluido altere la estructura

interna del material.

Esta propiedad es posible cuantificarla en base al coeficiente de permeabilidad (K) de un

suelo, una constante de proporcionalidad que relaciona la facilidad del movimiento del flujo

de agua a través de éste. Existen distintas alternativas para su determinación, formulas

empíricas y ensayos de laboratorio y terreno. Los ensayos más comunes conocidos para la

determinación directa de (K) son el permeámetro de carga constante y carga variable, cuya

diferencia radica en el material a ensayar, suelos granulares en el caso de carga constante y

suelos con mayor contenido de finos caso carga variable. Existen otras alternativas de ensayos

más sofisticados como la celda de Rowe o permeámetro de pared flexible.

El coeficiente de permeabilidad de una masa de suelo depende de factores como la viscosidad

del agua, ya que a mayor temperatura existe un aumento en el coeficiente de permeabilidad

(K) producto de la disminución de la viscosidad, es por ello que se ha normalizado a

temperatura de 20°C. Otro factor es la relación de vacíos (e) del suelo, K es menor para

relaciones de vacíos bajas. El tamaño y forma de las partículas del suelo es otro factor propio

del material que influye en el coeficiente de permeabilidad. Y por último el grado de

saturación ya que si un material ensayado no está 100% saturado se obtendrá un valor menor a




209

que si lo estuviese, esto es debido que al estar 100% se disminuye los efectos de la tensión

superficial.

Los resultados del coeficiente de permeabilidad (K), obtenidos por cualquiera de los dos

ensayos, no suelen ser de todo confiables por diferentes razones externas a las propiedades del

material, algunos ejemplos de ello son: el suelo que se utiliza en el equipo de permeabilidad

nunca es igual al suelo de terreno, las condiciones de borde son diferentes en laboratorio las

paredes lisas del equipo de permeabilidad facilitan el tránsito del flujo de agua. Los gradientes

hidráulicos (i) aplicados en laboratorio muchas veces no representan condiciones de terreno,

es decir gradientes entre 0.5-1.5. El efecto que puede provocar las burbujas de aire atrapadas

en la muestra. Por todas estas razones es que en la ejecución del ensayo se debe ser

sumamente cuidadoso y evitar todos estos posibles problemas que pueden inducir errores en la

medición.

El ensayo de carga variable consiste en hacer circular agua a través de una probeta de suelo, de

longitud (L) y sección (A), dentro de un equipo llamado permeámetro, en donde se mantiene

una diferencia de potencial hidráulico (h) constante. El permeámetro se coloca de forma

vertical y el flujo de agua que pasa a través de la muestra es ascendente. Se registra el

volumen de agua (V) que evacua la muestra en un periodo de tiempo (t) que corresponde al

caudal (Q) y se registra su temperatura. En la figura144 se presenta un esquema del ensayo de

carga constante.




210

A

Suministro de

agua

desaireada

L

h1

h2

h=h1-h2

Nivel

de agua

constante

Termómetro

Probeta graduada

Cronómetro

Volumen

recolectado

Figura 144 Esquema del ensayo de carga constante

De esta forma el coeficiente de permeabilidad queda definido por la siguiente expresión:

( 30)

Donde (V) corresponde al volumen recolectado durante la medición del ensayo, (L) es la

longitud de la muestra, (A) el área de la muestra, (h) la carga hidráulica y (t) el tiempo de

medición del ensayo. Es usual expresar el coeficiente de permeabilidad en m/s.

La tabla 55muestra valores típicos del coeficiente de permeabilidad (K) para diferentes tipos

de suelos con clasificación USCS.




211

Tabla 54Orden de magnitud de valores del coeficiente de permeabilidad (K), basado en la descripción del suelo

para la clasificación USCS, m/s (Bowles, 1997)

Se realizaron dos ensayos para la determinación del coeficiente de permeabilidad (K) de las

distribuciones granulares gruesa y fina. Los pesos unitarios secos ensayados fueron 10.14

KN/m3 para la zeolita granular gruesa correspondiente a 85% de la densidad relativa y de 9.26

KN/m3

para la zeolita granular fina correspondiente a un 80% de la densidad máxima

compactada seca. La tabla56 resume las condiciones de las probetas ensayadas.

Las probetas fueron preparadas siguiendo el procedimiento de compactación por capas en el

permeámetro, se compacto utilizando un pisón metálico a 25 golpes por capa y 4 capas. El

proceso de saturación de la probeta se realizó introduciendo agua a la muestra, en forma

ascendente, desde el tanque de agua desaireada gota a gota, el tiempo estimado en este proceso

fue aproximadamente de 1 hora.

Tabla 55Propiedades de las probetas de zeolitas granular gruesa y fina ensayadas

Distribución ZGF ZGG

Gravedad específica (Gs) - 2.18 2.18

Masa seca probeta (Ms) g 205.7 225.3

Altura probeta (L) cm 6.88 6.88

Diámetro probeta (Φ) cm 6.35 6.35

Área probeta (A) cm2 31.67 31.67

Volumen Probeta (V) cm3 217.9 217.9

Densidad seca (ρd) g/cm3 0.944 1.034

Peso unitario seco (γd) KN/m3 9.26 10.14

Índice de vacíos (e) - 1.31 1.11

Porosidad (η) - 0.567 0.526

100 10-2 10-5 10-9 10-11

Gravas

Limpias

GW, GP

Gravas Limpias y Mezclas

de arena

GW, GP, SW, SP

Arenas finas, Arenas Limosas

o Mezclas

SM, SC

Arcillas y

Limos

CH, MH,

CL,ML

Suelos

Impermeables




212

Durante el ensayo se registraron, tres mediciones del volumen de agua que atraviesa la

muestra, la correspondiente masa de agua, además del tiempo y la temperatura de la misma. Se

fue variando la carga hidráulica y se obtuvieron valores de gradiente (i) entre 0.58 a 5.81. Las

tablas 57 y 58presentan los resultados obtenidos para los ensayos de permeabilidad de carga

constante, los resultados son los valores promedios de las tres mediciones realizadas

anteriormente.

Tabla 56 Registro del ensayo de permeabilidad zeolita granular fina (ZGF)

Carga hidráulica h 0.04 0.10 0.20 0.30 0.40

Tiempo de control seg 3961 2161.5 1079 802 654.5

Volumen de control cm3 40 72.5 75 79 78.5

Temperatura °C

18.4 18.4 18.2 17.6 17.5

Gradiente hidráulico i - 0.58 1.45 2.91 4.36 5.81

Velocidad descarga m/s 3.19E-06 1.06E-05 2.20E-05 3.11E-05 3.79E-05

Viscosidad 20 °C g/cm/s 0.0101 0.0101 0.0101 0.0101 0.0101

Viscosidad temperatura de ensayo g/cm/s 0.0105 0.0105 0.0105 0.0107 0.0107

Tabla 57 Registro del ensayo de permeabilidad zeolita granular gruesa(ZGG)

Carga hidráulica h 0.04 0.1 0.20 0.3 0.4

Tiempo de control seg 1467.0 1036.3 540.3 350.7 188.3

Volumen de control cm3 150 233 233 233 216

Temperatura °C

15.1 14.4 14.0 13.4 12.9

Gradiente hidráulico i - 0.58 1.45 2.91 4.36 5.81

Velocidad descarga m/s 3.25E-05 7.18E-05 1.39E-04 2.11E-04 3.47E-04

Viscosidad 20 °C g/cm/s 0.0101 0.0101 0.01 0.0101 0.0101

Viscosidad temperatura de ensayo g/cm/s 0.0114 0.0116 0.01 0.0119 0.0121




213

Figura 145 Velocidad de descarga- gradiente hidráulico

En la figura 145 se graficó la velocidad de descarga versus el gradiente hidráulico, para ambas

muestras, en ella se trazó las líneas de tendencia que aproximan los resultados obtenidos y

cuya pendiente en este caso es el coeficiente de permeabilidad (K).

De los ensayos realizados de carga constante se obtuvo para la zeolita granular gruesa (ZGG)

un coeficiente de permeabilidad de 5.43x10-5

m/s y para la zeolita granular fina (ZGF) un

coeficiente de 6.86x10-6

m/s. Ambos resultados coinciden con la orden de magnitud propuesto

en la tabla 55.

Se obtuvo además el coeficiente de permeabilidad de forma empírica utilizado la expresión de

Kozeny-Carman (Kozeny, 1927; Carman, 1938, 1956), esta expresión relaciona el coeficiente

de permeabilidad (K) con la distribución granulométrica de la muestra, la forma de las

partículas e índice de vacíos

v = 6.86E-06 i

R² =0.98

v = 4.83E-05 i

R² = 0.99

0.0E+00

5.0E-05

1.0E-04

1.5E-04

2.0E-04

2.5E-04

3.0E-04

3.5E-04

4.0E-04

0 1 2 3 4 5 6 7

Vel

oci

dad

de

des

carg

a,v (

m/s

)

Gradiente hidráulico, i

ZGF

ZGG

K(20°C)=5.64x10-5

m/s (ZGG)

K(20°C)=7.19x10-6

m/s(ZGF)




214

La relación es la siguiente

( 31)

Donde es el peso unitario del agua a 20 °C igual a 9.81 KN/m3, es la viscosidad dinámica

del agua a 20 °C es igual 1.002x10^-3

N s/m2, es el coeficiente empírico de Kozeny-

Carman es igual a 5, es área específica por unidad de volumen de partículas y el índice de

vacíos de la muestra.

Carrier (2003) propone la siguiente la expresión de Kozeny-Carman que minimiza el error

para 20°C definida como:

( 32)

En donde es la frecuencia de partículas entre dos tamices, es el diámetro del tamiz

superior, es el diámetro del tamiz inferior y SF es un factor de forma de las partículas Fair

y Hatch (1933) sugirieron los siguientes valores para el factor de forma, SF: esféricas 6;

redondeadas 6.1; gastadas 6.4; ásperas 7.4 y angulares 7.7. Loudon (1952) sugirió los

siguientes valores: redondeados 6.6; angularidad media 7.5; y angulares 8.4.

Para la zeolita granular gruesa se utilizó un factor de forma 8.4 por tratarse de partículas

trituradas, el índice de vacíos 1.11 y el otro factor fue obtenido de la curva granulométrica se

obtuvo un valor de K igual a 6.53 x10-5

m/s.

Para la zeolita granular gruesa se utilizó un factor de forma 6.1 por tratarse de partículas mas

redondeadas, el índice de vacíos 1.31 y el otro factor se obtuvo de la curva granulométrica se

obtuvo un valor de K igual a 6.653 x10-6

m/s.

Los resultados empíricos obtenidos empíricamente por la expresión de Kozeny-Carman son

bastantes aproximados a los obtenidos con el ensayo de carga constante, con lo que se




215

concluye que es posible obtener de esta manera bastante buenas a estimaciones del valor de

(K) en suelos granulares.

Figura 146Forma de los granos de zeolita granular gruesa.

Figura 147 Forma de los granos de zeolita granular fina.



COLBÚN, REGIÓN DEL MAULE, CHILE Capitulo 5.Conclusiones y Recomendaciones

216

CAPITULO 5

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 Conclusiones

En esta investigación se ha logrado identificar distintos parámetros geotécnicos, de interés

ingenieril, que caracterizan a la Zeolita presente en las tobas de Quinamávida, Región del

Maule, Chile. Resultados que surgen como primeros antecedentes en investigaciones de esta

índole a nivel nacional, ya que el estudio de este mineral no metálico se ha centrado en otras

especialidades de investigación principalmente cubiertas por áreas como la Química y la

Geología, y la existencia de investigaciones específicas de este tipo son pocas incluso en el

resto del mundo.

Los distintos acontecimientos geológicos, que han definido la estructura geográfica de Chile,

han creado ambientes y condiciones que son favorables a la formación de zeolitas, ya que

Chile es un país con una gran cantidad de cuencas y además cuenta con una cadena

montañosa con gran presencia de volcanes, que en algún periodo geológico estuvieron o

estarán en gran actividad. Con esto es posible describir que los distintos materiales volcánicos,

en un periodo de volcanismo activo, fueron depositados en algunas de aquellas cuencas, y en

algunos casos sumado a condiciones de presión, pH y temperatura hicieron posible la

formación de zeolitas en el territorio nacional.

La zeolita es un derivado principalmente de la ceniza volcánica, que al ser depositada y con

las condiciones adecuadas, al enfriarse a gran velocidad geológica, la ceniza forma cristales

en su estructura, principalmente constituyendo una red cristalina de tetraedros. Este mineral se

encuentra presente en grandes conglomerados volcánicos conocidos como toba volcánica, que

es una roca ligera y de consistencia porosa.




217

La zeolita que fue analizada en este trabajo es una mezcla de mordenita y clinoptilolita,

presenta un valor de 2.18 para la gravedad específica (Gs). Este valor es bastante bajo

comparado con materiales no zeolíticos, pero existe relación con valores reportados por

autores para materiales similares. Y por clasificación USCS clasifica como un suelo tipo MH,

ya que posee límite líquido 65 e índice de plasticidad 35, límite líquido determinado con caída

de cono. Con el método de cucharon de Casagrande se obtuvo un límite líquido de 70%, lo

que corresponde a una diferencia del 7% en la determinación del límite liquido entre ambos

métodos.

Ensayos de humedad reportaron valores entre 7.9%–9% de agua en la zeolita natural

temperatura ambiente, agua que está alojada en la estructura del material y concuerda con

Olguín (2006) que señala entre un 10%-20% el peso de la zeolita corresponde a agua.

De los ensayos de densidad máxima y mínima para la zeolita granular gruesa el resultado

obtenido es bajo comparado con un material de las mismas distribución granulométrica no

zeolítico, como arenas similares, pero esto se explica debido a los bajos valores de (Gs)y la

estructura porosa de la zeolita que indica que es un material liviano. Fronczyk et al. (2010a)

reportó valores de densidad mínima de 0.867 g/cm3 y densidad máxima 1.230 g/cm

3 en una

granulometría entre 1-2mm, así que estos valores presentan una buena aproximación.

Con los ensayos de compactación de Proctor modificado, los valores de humedad óptima

(wopt) obtenidos son de 32.3 y 37.5% para zeolita granular fina y zeolita fina respectivamente,

además de los resultados para (γmáx) están entre 11.59 y 12.5 KN/m3concordando con

resultados de otros autores como Ören (2007).

Los elevados valores obtenidos de (wopt)son asociados a la gran superficie específica interna

de la zeolita, que es un material que posee grandes cavidades en su estructura, además de la

propiedad de absorción que es una característica intrínseca de la zeolita natural, con lo que

podría ser explicado este efecto.




218

Otro efecto que fue posible diferenciar es el aumento de (γmáx) y (wopt) para un distribución

fina que una más granular, en un ensayo de compactación al mismo nivel de energía de

compactación. Se debe principalmente al tamaño de las partículas.

En análisis de la resistencia al corte mediante el ensayo de corte directo (CD) para la Zeolita

Granular Gruesa (ZG) se obtuvieron valores para φ’máx de 43.8° para una baja densidad

relativa DR=33%, φ’máx de 44.5° para una densidad relativa media DR=55%, y φ’máx de 44.9°

para una alta densidad relativa DR=90%. Lo que indica que la zeolita granular gruesa presenta

una buena resistencia al corte y una cohesión nula para los dos primeras densidades relativas y

una baja cohesión para DR=90%. Estos resultados son valores representativos para un material

chancado de partículas irregulares, la cohesión que se obtuvo en el ensayo con DR=90% es

producto de un mayor contacto entre las partículas de menor tamaño en la muestra, de igual

modo es inferior a 10 KPa un resultado bastante bajo y puede ser atribuible a la posible

disgregación de partículas al preparar una probeta a una alta densidad relativa, por esta

razónse podría considerar la cohesión para este tipo de granulometría ZGG despreciable o cero

por tratarse de una material granular,

Además no se presentaron grandes aumentos en (φ’máx) con el aumento de la densidad relativa

en los ensayos que se realizaron. Pero en cambio el ángulo de fricción residual (φ’r) fue

disminuyendo.

Se utilizó la ecuación propuesta por Bolton (1986) que permite cuantificar la contribución de

la dilatación en ángulo de fricción interna (φ’máx), en deformaciones planas. Con la expresión

que fue posible determinar un ángulo de fricción crítico (φ’cr) para la zeolita granular gruesa

(ZGG) de 37.4° con una contribución de la dilatación de K igual a 1.04.

El análisis de la resistencia al corte (CD) para la Zeolita Granular fina (ZGF) se obtuvieron

valores para φ’máx de 32.5° para 77% de la DMCS, φ’máx de 33.1° para 85% de la DMCS y

φ’máx de 34.2° para 90% de la DMCS. La cohesión obtenida es baja en ninguna de las pruebas

superó 10 KPa y varió entre 2.4- 3.3 KPa. Estos resultados son bastante aproximados a valores




219

de ángulo de fricción de zeolitas granular finas reportadas por otros investigadores como

Yukselen (2010) o Kayabali (1997).

Con los ensayos de corte directo a la zeolita fina (<0.075 mm) se pudo apreciar en los

resultados la influencia de la aplicación una tasa de deformación elevada, donde para el mismo

material se puede tener un aumento del 57% en la resistencia al corte de un material fino.

Además con los ensayos de corte directo se puede apreciar la influencia del tamaño de las

partículas en la resistencia al corte, donde para la granulometría más gruesa analizada los

ángulos de fricción (φ’máx) fueron mayores que para el resto de las bandas, esto producto de

que se trataba de un material con mayor cantidad de partículas chancadas e irregulares las que

aumentan la resistencia al corte producto de un mayor roce entre las partículas misma. Es por

ello también que presentó dilatación en los tres ensayos realizados. En cambio para la zeolita

granular fina las partículas eran de contornos más redondeados lo que disminuye el roce, por

lo tanto disminuye la resistencia al corte.

Con los ensayos para determinar la resistencia al corte no drenada (Su) de la zeolita fina (ZF),

compresión no confinada y caída de cono, se obtuvieron resultados con bastante diferencia.

Sin embargo los resultados de (Su) obtenidos con caída de cono son semejantes a los

reportados por Yukselen (2010), que igualmente informan una baja resistencia al corte no

drenada (Su) y depende del contenido de humedad de la muestra. De los resultados de

compresión no confinada se puede decir que la zeolita fina puede ser un buen aporte para el

mejoramiento de la capacidad de soporte de suelos, ya que presenta alta resistencia a la

compresión con baja humedad, esto puede ser objeto de estudio en futuras investigaciones.

De los ensayos de consolidación unidimensional, para zeolita fina (ZF) se obtuvieron valores

de coeficiente de compresión Cc de 0.11 y 0.04, y coeficiente de Hinchamiento (Cs) iguales a

0.005 y 0.003. Resultados bajos si son comparados con arcillas no zeolíticas, esto se debe

principalmente a que la estructura cristalina de la zeolita, que es rígida y tridimensional

(similar a un panal de abejas), donde el agua puede entrar y salir de sus poros, pero el

entramado de la zeolita permanece rígido.




220

La permeabilidad es bastante baja del material fino (<0.075 mm) varió entre 5.71×10-11

-

9.51×10-13

m/s a sobrecargas de 200 KPa, lo que es considerado como un material

impermeable con posible aplicaciones en revestimiento de vertederos.

De los resultados de los ensayos triaxiales se puede concluir que la resistencia al corte que

presenta la distribución propuesta de zeolita granular gruesa (ZGG) corresponde a la de un

material mecánicamente estable. Que puede aportar gran resistencia en obras que requieran

mejoramientos de suelo, las resistencias obtenidas son menores que las que se obtuvo por

ensayos de corte directo, que era algo esperable producto del plano de falla inducido en el

ensayo de corte directo, y se espera que la resistencia sea un par de grados mayor si se logra

un mayor grado de densificación a ensayar. Para zeolita granular fina (ZGF) con ensayos

triaxiales sucede algo similar.

Se obtuvo ángulos de fricción interna efectivo (φ’), para el estado más denso de zeolita

granular gruesa (ZGG) de 40.1° y cohesión nula. Una estimación del coeficiente de Poisson

(ν) de 0.284, es un valor cercano a los obtenidos en muestras de arenas densas. La zeolita

granular gruesa tiende a dilatar a densidades altas, este comportamiento se ve reflejado tanto

en los ensayos de corte directo como los ensayos triaxiales. A una presión de confinamiento

(σ’3) de 50 KPa se obtuvo un ángulo de dilatación (Ψ) de 10.6°, mientras que para (σ’3) de 200

KPa se obtuvo un (Ψ) de 2.6°, con lo que se deduce que la tendencia a dilatar es menor a

presiones de confinamiento superiores.

Para zeolita granular fina (ZGF) se registró un valor de (φ’) de 27.8° y cohesión baja (0.60

KPa) que fue considera como nula. Una estimación del coeficiente de Poisson (ν) de 0.214.

En este caso la zeolita granular fina no presentó tendencia a dilatar, en los dos ensayos

realizados presentó comportamiento contractivo.

La zeolita fina (<0.075 mm) desarrolló una trayectoria de tensiones efectivas característica de

los suelos normalmente consolidados, y se obtuvo un ángulo de fricción efectivo de (φ’) de

37° y cohesión nula y un ángulo en condiciones no drenada (φcu) de 22.5 y cohesión nula

igualmente.




221

Respecto a la permeabilidad obtenida por el ensayo de carga constante, los resultados para el

material grueso (ZGG) son bastante cercanos a las órdenes de magnitud que proponen

diversos autores para el coeficiente de permeabilidad (K) para materiales granulares. Los

coeficientes de permeabilidad (K) para zeolita granular gruesa fue 5.64x10-5

m/s y 7.19x10-5

m/s para zeolita granular fina, así de acuerdo a estas características la zeolitas granulares

podrían ser utilizada material drenante o filtro, aprovechando entre otras cosas su propiedades

intrínsecas como por ejemplo intercambio catiónico. Los coeficientes de permeabilidad fueron

comparados empíricamente con la fórmula de Kozeny-Carman en donde se obtuvieron

resultados similares en orden magnitud pero variaciones entre un 4-20% a la permeabilidad

obtenida durante el ensayo.

Los resultados de permeabilidad se ven reducidos con el estado tensional en el que está

sometida la muestra, esto se puedo comprobar al comparar los resultados obtenidos durante la

consolidación isotrópica y los ensayos de carga constante. En el caso de la ZGG se obtuvo

una disminución del coeficiente de permeabilidad (K) de dos a 3 órdenes magnitud. En el caso

de la ZGF ocurrió una disminución de 1 a dos órdenes de magnitud. Al comparar los

resultados para el coeficiente de permeabilidad de la zeolita fina (<0.075mm) que se obtuvo

con la consolidación con edómetro y la consolidación isotrópica con triaxial existe una

diferencia de entre 4 a 6 órdenes de magnitud, siendo los resultados obtenidos durante la

consolidación isotrópica los menores, pero no representan las características de un material

impermeable.

Del análisis realizado a las características geotécnicas de la Zeolita presente en las tobas de

Quinamávida, se puede sintetizar que este mineral no metálico, presenta propiedades

mecánicamente estables, que pueden contribuir de buena forma a dar soluciones a problemas

geo-ambientales, aprovechando todas las sus propiedades intrínsecas, y que son aplicables en

el ámbito de ingeniería civil, como material para el mejoramiento de suelos en su fracción fina

(ZF) mejorando propiedades del suelo como compresibilidad, aportando resistencia a la

compresión debido su consistencia de aglomerante natural o en su forma granular ZGG y

ZGF puede ser utilizado como material para construcción de barreras reactivas permeables




222

(PRB) debido a los buenos resultados de resistencia al corte (φmáx) y baja cohesión (c) que

presenta el material. Además puede ser utilizado como material liviano para la fabricación de

hormigón ligero.

5.2 Recomendaciones

Realizar las clasificaciones de los materiales, específicamente límite líquido, utilizando

el ensayo de caída de cono, si no se cuenta con la experiencia necesaria ensayo de

cucharon de Casagrande, dedibo a que con la caída de cono se obtiene mayor

repetitibilidad en los ensayos y existe una menor influencia de la experiencia del

operador.

Para granulometrías de material fino (<0.075mm), es necesario contar con mayor

precisión. La granulometría laser proporcionó información exacta del diámetro de

partículas y frecuencia. Sin embargo no se puede dejar de decir que la información que

proporcionó el método del hidrómetro, preliminarmente, en cuanto a las fracciones que

componen la parte fina de la zeolita fue una buena estimación

Para la medición de la permeabilidad del material más fino (<0.075mm) se recomienda

hacer pruebas en “Permeámetro de Pared Flexible”, ya que al ser un material fino

además con estructura porosa, con este método es posible saturar suelos finos y

corroborar con el valor B el grado de saturación, realizar el ensayo de permeabilidad a

un nivel de esfuerzos efectivos deseado y con un gradiente hidráulico controlado.

Se recomienda indagar más en las características geoquímicas de la zeolita, a base de

ensayos que ayuden a verificar los resultados obtenidos para otras zeolitas en otros

lugares.

Se recomienda ensayar de igual forma granulometrías más comerciales, o

distribuciones más uniformes, que sean capaces de ser adquiridas en cualquier cantera

de extracción de zeolita.

Se propone como posibles futuras investigaciones estudiar el comportamiento

hidráulico con la absorción metales pesados de la zeolita. Además mejoramiento de




223

suelo con adición de zeolita y la incorporación de zeolita en la fabricación de

hormigón de altas resistencias.

Se recomienda realizar investigaciones sobre técnicas de preparación de probetas e

influencia en los resultados obtenidos sobre materiales más estudiados como a la arena

Bío-Bío



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