Uso de Las Escorias en Obras Viales - Carrillo, Garcia

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XVII CONIC – USO DE LAS ESCORIAS DE ACERIA DE HORNO ELECTRICO EN OBRAS VIALES

USO DE LAS ESCORIAS DE ACERIA DE HORNO ELECTRICO EN OBRAS VIALES

Autores: Dr. Ing. Arnaldo Carrillo Gil, Ing. Edgar García García

1 RESUMEN Se propone el empleo de las escorias que se generan en las acerías de horno eléctrico, en el mejoramiento de sub-rasantes y en la conformación de bases y sub-bases; en reemplazo del material granular convencional de cantera, con lo cual se promueve el reciclaje de un residuo que ocupa espacios importantes, y se reduce la explotación de canteras con todo el impacto que significa al medio ambiente. Este planteamiento se basa en las experiencias de otros países, de quienes hemos obtenido información valiosa al respecto. Se muestran los resultados de nuestra propia experiencia en la construcción de dos tramos de camino pavimentado en la Planta de una acería en Pisco, en un caso empleando material convencional y en otro empleando las escorias de la acería para efectos de comparación. Los resultados demuestran la viabilidad del planteamiento con beneficios técnicos, económicos y medioambientales.

2 INTRODUCCIÓN Hoy en día las escorias de acería se emplean en muchas partes del mundo, en la fabricación del cemento, como agregados en la fabricación de hormigón, como material de base y sub-base en los pavimentos, en la estabilización de sub-rasantes, en la carpeta asfáltica formando parte del ligante bituminoso; en la agricultura también se ha encontrado aplicación, así como en el tratamiento de aguas residuales. Al emplearse este subproducto en construcción de infraestructura vial se evita explotar nuevas canteras, manteniendo el paisaje de la zona; como no requiere procesar los agregados se reduce el consumo de energía y combustibles, y se reducen las emisiones de CO2 al ambiente. Su empleo también reduce los costos de construcción sin perder calidad, y prolonga la vida útil de los yacimientos pétreos. El empleo de las escorias de acería en la industria de la construcción esta normado en muchos países de Europa, en los Estados Unidos de América y en algunos países de Latinoamérica. Son muchos los países que están empleando con éxito las escorias en la construcción de vías desde hace varios años; por citar algunos: Japón (8 millones TM/año), Francia (7 millones TM/año), Gran Bretaña (4.5 millones TM/año), Alemania, Estados Unidos, Austria, Bélgica, Canadá, España, Chile, Venezuela, Argentina, Colombia, Guatemala (Ref. 1). En el Perú aun no se da uso intenso a las escorias de acerías; con este trabajo queremos impulsar esta práctica, que va a ayudar a mejorar la gestión ambiental de las acerías y de las empresas constructoras en el Perú. Nuestro caso estudio analizará las escorias del horno eléctrico de la acería de Pisco, por lo que los datos que se aporten en esta ponencia acerca de las escorias está referido a la que se obtiene en dicha instalación. En la Planta de Pisco se construyeron un tramo con material convencional y otro con escoria, con lo cual demostraremos la posibilidad de reutilización de este subproducto en la construcción de pavimentos, tanto desde el punto de vista técnico como medioambiental, con beneficios económicos, como se verá en los resultados de los ensayos realizados.

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3 DESARROLLO Y RESULTADOS

3.1 CARACTERIZACION DE LAS ESCORIAS En la fabricación del acero al carbono se emplea como materia prima chatarra de acero, mineral de hierro, carbón, ferroaleaciones y cal principalmente. La fabricación se realiza en dos etapas: la fusión en el horno eléctrico y el afino posterior en el horno cuchara. Durante la fusión a 1600 °C, se obtiene el acero líquido y la escoria negra que se presenta sobrenadando sobre la superficie del acero líquido. En la etapa de afino se produce la desulfurización del acero líquido y se ajustan los componentes del acero a la calidad deseada antes de su paso a la colada continua; a la escoria que se obtiene se le denomina escoria blanca. Durante estos procesos, 12% de la carga es escoria negra y 2% es escoria blanca (valores promedio). La escoria negra será la que analizaremos para su empleo en obras viales. La escoria negra que se obtiene es sometida a un enfriamiento lento en un depósito autorizado al interior de la Planta. Se forma así una estructura cristalizada y vacuosa, con alto contenido de poros y mínima reactividad potencial. Posteriormente las escorias son sometidas a un proceso de chancado y zarandeo para extraer el fierro metálico remanente que retornará al horno eléctrico. El subproducto chancado que es menor a 3” es empleado en estabilización de suelos en las vías internas de la Planta, y es el que se empleará en la conformación de bases y sub-bases. Se tomaron 11 muestra representativas a las que se realizaron los siguientes ensayos (Ref. 2): • Contenido de Humedad Natural (Norma ASTM D 2216) • Análisis Granulométrico por tamizado (Norma ASTM D 422) • Límites de Consistencia (Norma ASTM D 4318) • Límite Liquido (Norma ASTM D 423) • Límite Plástico (Norma ASTM D 424) • Ensayo de Compactación Proctor Modificado (Norma ASTM D 1557) • Valor Relativo de Soporte “ CBR “ (Norma ASTM D 1883) • Equivalente de Arena (Norma ASTM D 2419) • Gravedad Específica y Absorción de las gravas (Norma ASTM C 128) • Gravedad Específica del agregado fino (Norma ASTM C 127) • Abrasión por medio de la maquina Los Angeles (Norma ASTM C 131) • Durabilidad con sulfato de Sodio Agregado Grueso (Norma ASTM C-88) • Durabilidad con Sulfato de Sodio Agregado Fino (Norma ASTM C-88) • Análisis Químicos (Sales Totales, Cloruros, Sulfatos , salinidad, Ph) En el gráfico 3.1 se muestran la curva granulométrica promedio de las 11 muestras de escoria ensayadas; y, en las tablas 3.1 y 3.2 las características geotécnicas promedio. Los ensayos de laboratorio, como se puede apreciar en las tablas 3.1 y 3.2; demostraron que la escoria cumple con casi todos los requisitos especificados por el MTC para emplearse como material de sub-base o base; a excepción del contenido de finos, que es fácilmente subsanable.

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Gráfico 3.1

Tabla 3.1. Evaluación de la escoria como material de sub-base

ENSAYOS SEGÚN NORMAS ASTM

ESCORIAS ESPECIFICACIONES OBSERVACION

% Que pasa la malla N° 200

3.61% 5% - 15% NO CUMPLE

Equivalente de arena (%)

57.62 25% mín. CUMPLE

Límite líquido NP 25% máx. CUMPLE Límite plástico NP 19% máx. CUMPLE Índice de plasticidad NP 6% máx. CUMPLE CBR al 95% de la MDS 80.56 40% mín. CUMPLE Abrasión (%) 31.33 50% máx. CUMPLE SST (ppm) 4,656 10,000 ppm máx. CUMPLE

Tabla 3.2. Evaluación de la escoria como material de base ENSAYOS SEGÚN

NORMAS ASTM ESCORIAS ESPECIFICACIONES OBSERVACION

% Que pasa la malla N° 200

3.61% 5% - 15% NO CUMPLE

Equivalente de arena (%)

57.62 35% mín. CUMPLE

Límite líquido NP 25% máx. CUMPLE Límite plástico NP 19% máx. CUMPLE Índice de plasticidad NP 4% máx. CUMPLE CBR al 95% de la MDS 80.56 80% mín. CUMPLE Pérdida con sulfato de sodio

1.69% 12.5% máx. CUMPLE

Abrasión (%) 31.33 40% máx. CUMPLE SST (ppm) 4,656 5,500 ppm máx. CUMPLE

La falta de finos trae como consecuencia valores nulos en los límites de consistencia; y, falta de cohesión al momento de conformar la capa de base o sub-base. Por ello es que cuando este material se conforma de manera natural

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sin agregar algún tipo de ligante, se suelta y pierde compactación al perder humedad, se hace más permeable y permite la filtración de la humedad en las capas inferiores (Ref. 2). Para resolver la falta de finos en la escoria, se ensayaron mezcla de escorias con polvo de la acería que se colecta en el sistema de tratamiento de humos. Cabe mencionar que la presencia de cal libre en las escorias de acería constituye un factor importante de inestabilidad. Por hidratación la cal libre se convierte en cal apagada con liberación de calor e hinchamiento que puede provocar la desintegración de una parte de la partícula. El procedimiento para reducir al mínimo el fenómeno consiste en exponer a la intemperie las escorias por lo menos 6 meses, para dar tiempo a la hidratación antes de hacer uso de ellas (Ref. 1), y así está especificado en los países donde se emplea este subproducto. En el caso de Pisco, se emplearon las escorias que han estado expuestas a la intemperie más de dos años. 3.2 CARACTERIZACION DEL POLVO DE ACERIA Durante el proceso de fusión, aproximadamente 1,5% de la chatarra que se carga al horno eléctrico surge como polvo de acería que es captado por el sistema de tratamiento de humos. El polvo de la acería es sumamente fino, similar al polvo de cemento, con propiedades aglomerantes. De dos muestras obtuvimos los siguientes resultados promedio (Ref. 2):

Tabla 3.3. Características físicas del polvo de acería Características según ASTM Valores

% que pasa malla 200 100 Límite Líquido 17.45 Límite Plástico 15.50 Índice de Plasticidad 1.95 Clasificación SUCS ML Clasificación AASHTO A-4

3.3 CARACTERIZACION DE LA MEZCLA ESCORIA – POLVO DE ACERIA Conocidas las curvas granulométricas de las escorias analizadas y del polvo de acería, se desarrolló un diseño de mezcla encontrando que la mezcla adecuada para cumplir con la Especificación del MTC es 90% de escoria y 10% de polvo de acería. Al añadir estros, con propiedades cementantes incluso, se le proporcionó a la mezcla algo de “liga”, se elevó la densidad del material y el valor del CBR, mejorando las características de resistencia y deformación (Ref. 2). En el gráfico 3.2 se observa la nueva curva granulométrica promedio.

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Gráfico 3.2

3.4 ASPECTOS AMBIENTALES Los principales componentes de la escoria son: CaO, SiO2, FeO2, Fe2O3, Al2O3, MgO, MnO y otros en menores proporciones. La escoria granulada resultante de la fabricación de hierro y acero, ha sido calificada como residuo no peligroso, de acuerdo a la Resolución Legislativa N° 26234 del Convenio de Basilea; y así ha sido publicada en el Reglamento (D.S. Nº 057-04-PCM) de la Ley N° 27314 - Ley General de Residuos Sólidos, Anexo 5, Lista B: Residuos No Peligrosos. Los volúmenes de escoria que se generan, así como sus diferentes componentes, varían de acuerdo a las características de la materia prima que se emplea en la fusión. Dada las condiciones de temperatura en que se obtienen las escorias, químicamente se presentan estables. Los ensayos realizados durante los monitoreos ambientales en la Planta, demuestran que la escoria posee un alto valor de neutralización, que no es factible la generación de lixiviados, y menos en una zona de clima seco y donde el nivel freático se encuentra a una profundidad mayor a 5 m. En países donde se emplea este residuo como material granular en bases, sub-bases, o en el mejoramiento de sub-rasantes; su empleo se restringe a zonas donde no sean inundables; y por otro lado, se condiciona el empleo de las escorias hasta un espesor máximo de 70 cm, siempre y cuando el pavimento cuente con una capa de rodadura asfáltica, de hormigón, o una capa impermeable en la superficie. Aceptan el empleo de espesores mayores, pero mezclando la escoria con material convencional. (Ref. 3) Los principales componentes del polvo de acería son Fe, Zn, SiO2, CaO, MgO, Pb y otros componentes en menores proporciones. El polvo es bastante fino, de característica impalpable, cuando se humedece se comporta como una pasta cohesiva y al secarse se rigidiza y “arma” de manera que parece mortero endurecido. Por esta razón la mezcla arroja mayores valores de gravedad específica y CBR.

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Los ensayos realizados para caracterizar este residuo nos han mostrado que no posee características de reactividad, corrosividad ni inflamabilidad; sin embargo si posee características de toxicidad relacionado al cadmio. Para caracterizar este residuo se tomó como referencia la normativa de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de América (EPA). (Ref. 4) La toxicidad del residuo se determinó usando el Procedimiento de Lixiviación (Método EPA 1311). El límite permisible es de 1.0 mg del elemento cadmio en 1.0 ml del lixiviante; y el valor resultante es 2.0 mg/ml. Puesto que el polvo de acería constituye el 10% en la mezcla y se encontrará en una matriz de alto índice de neutralización, protegido con una carpeta asfáltica impermeable en una zona de clima seco, y donde el nivel freático se encuentra a mas de 5 m de profundidad; no es factible que el elemento cadmio se libere al ambiente o se transporte al agua subterránea. Tampoco significa un riesgo para el suelo porque como calidad de suelo, tomando como referencia los estándares canadienses (Canadian Soil Qualty Guidelines for the Protection of Environmental and Human Health), que diferencian las concentraciones de los parámetros indicadores de contaminación de acuerdo al uso del suelo, para suelos de uso comercial e industrial la concentración de cadmio admitida es de hasta 22 mg/kg, valor mucho mayor a la concentración de este elemento en el polvo de acería. 3.5 DISEÑO DEL PAVIMENTO

3.5.1 ESTUDIO DE LA SUB-RASANTE

Los tramos de prueba se decidió construirlas en las vías colindantes del depósito de aduana N° 5.

Figura 3.1. Ubicación de sondajes

Para estudiar la sub-rasante se ejecutaron seis sondajes, distribuidos y dispuestos longitudinalmente tal como aparece en la Figura 3.1 (Ref. 5). Superficialmente se encuentra una arena fina en estado seco y suelto con

Pavimento con Escoria

Pavimento Tradicional

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presencia de raíces hasta una profundidad de 0.55 m, seguida de arena fina en estado húmedo y medianamente compacto con presencia de lentes de arena cementada e intercalada con pequeños estratos de arena con algo de limo hasta la profundidad final de exploración (1.50 m). No se detectó el nivel freático.

Tabla 3.4. Características Físicas y Clasificación del Material de Sub-rasante (Ref. 5)

Clasificación del Material CBR

Sondeo Fracción Fina (%) LL (%) LP

(%) SUSC AASHTO

In-Situ Lab.

Humedad Natural (%)

γγγγd

(kN/m3)

PS-1 11.54 NP NP SP-SM A-2-4 6.10 9.60 2.71 15.70

PS-2 15.23 NP NP SP-SM A-3 11.50 1.27 15.89

PS-3 12.68 NP NP SP-SM A-3 9.80 9.82 16.09

PS-4 12.26 NP NP SP-SM A-2-4 12.80 2.14 17.07

PS-5 5.53 NP NP SP-SM A-2-4 15.18 2.09 16.19

PS-6 3.12 NP NP SP A-3 5.40 2.65 15.60

Las características físicas y mecánicas el material de sub-rasante, obtenidas mediante ensayos de campo y laboratorio, se resume en la Tabla 3.4. El ensayo de CBR in situ arrojó un valor de 6.10%, mientras que en el laboratorio alcanzó un valor de 12.8%. Estos valores son bajos por lo que se decidió mejorar la sub-rasante mezclando el suelo natural con 20% de material granular a fin de llegar a un mínimo de 20% de CBR (Ref. 5). 3.5.2 ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO Para el diseño de los dos tramos de prueba se utilizó el método AASHTO - 1993 que es un refinamiento del procedimiento desarrollado desde 1958-1960 por la Asociación Americana de Carreteras (Ref. 5). Período de diseño: 20 años (2007 – 2026). Trafico: Camiones tráiler de 30 toneladas de capacidad. Frecuencia: 200 camiones por día como máximo. El número de ejes equivalentes a 18 kips, considerando el carril más cargado para el período de diseño es: 6’411,444 ejes equivalentes. Factores Hidrometeorológicos: Clima seco, la temperatura ambiente fluctúa entre 13° C y 27° C. Conforme al método ASSHTO, para caracterizar la capacidad de carga del suelo de soporte, se empleó el Modulo Elástico o Modulo Resilente (MR). Los valores del módulo de resilencia de diseño han sido calculados en base a los valores de CBR empleando las ecuaciones de correlación (Ref. 5). Para el diseño del pavimento se consideraron el empleo de los siguientes materiales: • Concreto asfáltico, con un coeficiente estructural igual a 0.42

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• Base granular, con un coeficiente estructural igual a 0.13, un coeficiente de drenaje de 1, con un CBR igual a 65% (verificado por ensayos de laboratorio).

• Base de escoria, con un coeficiente estructural igual a 0.14, coeficiente de drenaje de 1, y CBR igual a 80% (verificado por ensayos de laboratorio).

Aplicando las teorías correspondientes y el software de diseño de la ASSHTO, se estableció la siguiente estructura de pavimento (Ref. 5): a) Tramo con material convencional (paralelo a la Carretera Panamericana

Sur): • SUB-RASANTE: Suelo natural escarificado y compactado en un

mínimo de 0.20 m por debajo del nivel de base, al 95% del Ensayo Proctor Modificado de laboratorio hasta alcanzar un mínimo de 20% de CBR, utilizando rodillos lisos vibratorios. Como se ha indicado será necesario practicar un mejoramiento del suelo de sub-rasante por medio de la adición de material granular tipo afirmado en un porcentaje mínimo de 20%.

• BASE: la Base estará conformada por material de cantera selecto, granular grueso colocado en un espesor 0.35 m compactado hasta lograr un mínimo de 65% de CBR en el campo.

• CARPETA ASFALTICA: como superficie de rodadura construida en concreto asfáltico en caliente de 0.05 m de espesor uniforme.

b) Tramo con escoria (perpendicular a la Carretera Panamericana Sur):

• SUB-RASANTE: Suelo natural escarificado y compactado en un mínimo de 0.20 m por debajo del nivel de corte, al 95% del Ensayo Proctor Modificado de laboratorio hasta alcanzar un mínimo de 20% de CBR, utilizando rodillos lisos vibratorios. Es necesario practicar un mejoramiento del suelo de sub-rasante por medio de adición de material granular de cantera.

• BASE: la Base estará conformada por material escoria con un 10% de polvo de acería mezclado íntimamente, y colocado en 0.30 m de espesor compactado para lograr un mínimo de 80% de CBR en el campo.

• CARPETA ASFALTICA: como superficie de rodadura construida en concreto asfáltico en caliente de 0.05 m de espesor uniforme.

3.6 CONSTRUCCION DEL PAVIMENTO En febrero del 2007 se culminó con la construcción de ambos tramos, conforme al diseño indicado. Durante la construcción, las labores se desarrollaron de manera similar en ambos tramos, no se encontraron diferencias. Se tomaron datos de campo y se realizaron ensayos en Laboratorio para verificar si sus características cumplían con el diseño. En la Tabla 3.5 se muestran los resultados obtenidos durante la construcción.

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Tabla 3.5 Resultados de ensayos de Laboratorio

Descripción Sub-rasante Natural

Sub-rasante mejorada

(80% Suelo + 20% Escoria)

Base mejorada (90% Escoria + 10% Polvo de

acería)

Base granular de

cantera

Máxima Densidad Seca (Ton/m3)

1.70

1.83 1.78 1.93 1.88

2.21 2.26 2.21 2.18

2.20 2.12

Óptimo Contenido de Humedad (%)

10.00

12.70 12.80 9.10 10.40

9.20 9.80 8.50 9.80

6.50 4.75

Valor de Soporte CBR (%) al 100%

de la MDS 16.20 60.50 84.80 80.80

Valor de Soporte CBR (%) al 95%

de la MDS 12.8 30.50 40.10 44.60

Expansión (%) 0.23 0.00 0.00 0.09 Abrasión (%) 31.80 20.50

Equivalente de Arena (%)

56.24 65.65

Clasificación SUSC

AASHTO

SP-SM A-3

GC A-2-4 (0)

GP-GM A1-a (0)

El costo directo por m2 de conformación de la base granular con material de cantera, considerando un espesor de 35 cm, fue de US$ 3.20; en cambio empleando la escoria con polvo de acería resultó US$ 1.50; 53% menos (precios a noviembre del 2006). Esto es una enorme ventaja económica.

4 CONCLUSIONES La escoria de la acería de Pisco, que proviene de la fusión del acero en el horno eléctrico, se puede emplear como material de sub-base y base, y también puede ser empleado en el mejoramiento de la sub-rasante. Como cualquier material de cantera presenta ventajas y desventajas. La principal desventaja es la falta de finos en su granulometría, pero es subsanable agregando finos de otra cantera o residuos disponibles, como el que proponemos con los finos de la acería; por otro lado, algunos autores temen que la presencia de cal libre provoque una expansión que perjudique la estructura, pero dicho potencial se reduce totalmente exponiendo las escorias a la intemperie por un período mínimo de seis meses, tal como se practica en los países donde se emplea este subproducto. Los ensayos realizados nos demuestran que tanto la escoria como el material de cantera mantienen similares características. La ventaja de emplear la escoria es que ofrece la posibilidad de reciclar un residuo que ocupa un espacio importante; se reduce la explotación de canteras que perjudican al medio ambiente al variar el paisaje de la zona y porque para su procesamiento se requiere de energía y combustibles. Este hecho significa una ventaja económica a favor de las escorias; el ahorro en la partida de conformación de base puede llegar a 57% del presupuesto de la partida.

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El empleo de las escorias en obras viales se practica en muchos otros países, donde cuentan con Normas específicas. En países con mas experiencia en este campo, el Estado promueve esta práctica por motivos medioambientales. Han transcurrido dos años y medio de la construcción de los tramos y no encontramos signos de fallas ni diferencia alguna entre ambos pavimentos. Mas adelante vamos a evaluar las estructuras con ensayos deflectométricos por medio de viga Benkelman y ensayos de carga directa, y comparar los dos tramos de prueba, de manera que basándonos en estos resultados propongamos al MTC considerar en sus Especificaciones el empleo de las escorias tal como lo proponemos en este Estudio.

5 REFERENCIAS 1. Arce Cardona, Oscar Alberto. La escoria de acería como material de

agregado en capas granulares y superiores de pavimentos flexibles; XVI Simposio Colombiano sobre Ingeniería de Pavimentos, Manizales – Colombia, set. del 2007.

2. GEOMASTER S.A.C. Estudio y evaluación de las escorias de la Planta de Hierro para su aprovechamiento como material útil en obras civiles. Estudio realizado para la Corp. Aceros Arequipa S. A. Pisco - Perú, oct. del 2006.

3. Gobierno de España - Generalitat de Catalunya. Decreto 32/2009, de 24 de febrero, sobre la valorización de escorias siderúrgicas.

4. ENVIRONMENTAL HYGIENE AND SAFETY SRL. Informe de caracterización de Residuos Sólidos Industriales. Estudio realizado para la Corp. Aceros Arequipa S. A. Pisco - Perú, jun. del 2008.

5. A.C. INGENIEROS CONSULTORES S.A.C. Pavimentación de las Vías de Acceso al Nuevo Deposito N° 5 – Estudio con fines de cimentación; Diseño realizado para la Corp. Aceros Arequipa S. A. Pisco, diciembre del 2006.

6. Pavimentos estabilizados: una propuesta económica y estable, Univ. Ricardo Palma, Lima - Peru, 2006.

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