2.1 Referentes teóricos

Existen varios estudios a nivel mundial sobre aditivos para la mejora de subrasantes, de los cuales se destaca el de ^{Kodicherla y Nandyala (2019)}, que mejoraron el índice CBR de una sub-rasante de matriz arcillosa, agregando materiales como la fibra de coco y cenizas volantes, obteniendo un valor de 20% mejor, con respecto a la sub-rasante en su estado natural. Otro estudio comparó la resistencia de una sub-rasante de un suelo arcilloso estabilizado con: álcali (LAS), escoria granulada de alto horno activada (GGBS), silicato de sodio, residuo de carburo de calcio (CCR), y espuma de aire, obteniendo que el suelo estabilizado con “LAS” tiene una mayor resistencia pero con mayor absorción de agua y mayor resistencia, lo que se atribuye a la presencia de una mayor cantidad de productos de hidratación cementosos en el suelo estabilizado con LAS (^{Jiang, Du & Liu, 2018}).

^{Rajakumar, Jeyapriya y Meenambal (2018)}, estudiaron la posibilidad de estabilizar suelos blandos con la utilización de cenizas de carbón y geosintéticos, mostrando que al adicionar el 10% de ceniza de carbón, aumenta la resistencia al corte, así como el contenido óptimo de humedad y la densidad. Asimismo, ^{Ma, Ca y Yuan (2018)}, utilizaron tres estabilizadores: cenizas volantes, arena y fibra de basalto, donde la mayoría de los tratamientos de mezcla aplicados en este estudio produjeron buenos resultados, asociados con el aumento de la resistencia del suelo expansivo.

El estudio de ^{Singhi, Laskar y Ahmed (2017)}, se enfocó en determinar la resistencia a la fatiga y el esfuerzo máximo de un suelo arcilloso, estabilizado por la mezcla de escoria y cenizas de escoria con la activación de álcali, donde se comprobó que estos parámetros son mejores por el contenido de escoria. ^{Mahasneh (2016)}, aplicó otro tipo de materiales para estabilizar suelos arcillosos, como: residuos de aluminio y pavimentos asfálticos reciclados, donde se observó un aumento en la resistencia al corte no confinado, una disminución en el hinchamiento y en el potencial de contracción del suelo arcilloso limoso. Lo anterior demuestra la posibilidad de mezclar materiales, reutilizables o no, con este tipo de suelos, permitiendo mejorar los resultados mecánicos y admisibles en las propiedades físicas.

De otro lado, ^{Proctor, Fehling, Shay, Wittenborn, Avent y Bigham (2005)}, definen que: “las escorias de acería son desechos generados de la fabricación del acero, cuya materia prima principal es la chatarra”: por cada tonelada de hierro producido, se generan entre 220 kg - 370 kg y 340 kg - 421 kg de escorias (^{Das, Prakash, Reddy & Misra, 2007}). En Colombia se producen aproximadamente 1,2 millones de toneladas de acero anual (^{Sanchez, 2017}), lo cual justifica la búsqueda de alguna aplicación para los subproductos del proceso.

En un estudio referente a la adición de material de escoria de acero, ^{Yadu y Tripathi (2013)}, evaluaron el potencial de la escoria granulada de alto horno (GBS) para estabilizar un suelo blando; los resultados indicaron que la inclusión de GBS aumenta la resistencia de los suelos blandos. Igualmente, ^{Ashango y Patra (2016)}, presentan la estabilización del suelo expansivo (C) con escoria de acero (SS), ceniza de cáscara de arroz (RHA) y cal rápida (L); los resultados mostraron que el valor del CBR aumentó, al incrementar los periodos de curación de 7 a 30 días y la rigidez del suelo estabilizado aumentó de 58 a 78%, en comparación con el suelo arcilloso sin estabilizar.

En la investigación de Pilgrene-^{Mashifana, Ndubisi-Okonta y Ntuli (2018)}, la estabilización de suelos expansivos con fosfogypsum, cenizas volantes y cenizas volantes con oxígeno básico, mejora las propiedades de ingeniería del suelo. ^{Grubb, Malasavage, Smith y Chrysochoou (2010)}, estudiaron seis mezclas de material de dragado estabilizado (SDM) que incorporan varias combinaciones de cal, polvo de horno de cemento, alto contenido de álcalis y escorias, y cenizas volantes de clase F. Los autores obtuvieron buenos resultados en cuanto a: resistencia, compresibilidad y volumen, que las hacen favorables para aplicaciones de llenado y mejora de la sub-rasante arcillosa, a costos equivalentes o menores que los materiales de construcción convencionales.

2.2 Metodología

La presente investigación es de tipo experimental cuantitativo. El proyecto se desarrolló en tres fases: caracterización de materiales, plan de dosificación, y ensayos de laboratorio y análisis de resultados. Los materiales investigados fueron: arcilla tipo caolín, proveniente de las subrasantes típicas de la sa-bana de Bogotá, y escoria de Acería. A la muestra de arcilla caolinita, se le realizaron los ensayos de: Determinación del Límite Líquido de los suelos, según norma I.N.V. -E - 125 - 13 (INVIAS, 2019), y Límite Plástico e Índice de Plasticidad de Suelos, según norma I.N.V. -E - 126 - 13 (INVIAS, 2019), para determinar su comportamiento mecánico.

Las propiedades físicas y químicas del material de escoria de acería, fueron brindadas por la Empresa Acerías Paz de Río, quienes suministraron las muestras para realizar la presente investigación. No obs-tante, se hicieron los siguientes ensayos: Gravedad Específica / Absorción (3/4" -3/8” - N°4 - N°40 - N°200), según norma AASHTO 85-91; Resistencia al desgaste de los agregados de tamaño menores de 0,0375 m (11/2”), por medio de la Máquina de los Ángeles, según norma I.N.V. - E -218 -13; determinación de la resistencia del agregado grueso al desgaste por abrasión utilizando el aparato MICRO-DEVAL, según norma I.N.V. - E -238 -13; Evaluación de la resistencia mecánica de los agregados gruesos por el método de 10% de Finos, según norma I.N.V. - E -227 -13; y Porcentaje de caras fracturadas en los agregados, según norma I.N.V. - E -224 -13.

El plan de dosificación consistió en planificar el reemplazo y distribución de la escoria de acería dentro del suelo arcilloso, en cada uno de los tamices analizados. El comportamiento de la mezcla de escoria de acería con arcilla caolinita, ver figura 1, se estableció con una matriz de dosificación de aumento gradual, en porcentajes de: 25, 50 y 75%, a través del tamiz N°4.

Figura 1 Trituración de Escoria de Acería por Tamizado. 

En la tabla 1, se indican los ensayos de laboratorio previstos en la primera fase. Una vez conocido los pesos retenidos en cada uno de los tamices analizados, se procedió a reemplazar la escoria de acería en los porcentajes establecidos. Se realizó la preparación de las probetas de ensayo, en las dosificaciones de: 25, 50 y 75%, con respecto a la escoria de acero. Luego, a partir del trabajo de ^{Ashango y Patra (2016}), se determinó un tiempo de maduración de 14 días, y se procedió a la realización de los ensayos de compresión inconfinada.

Posteriormente, se realizaron los ensayos para obtener el índice CBR de las muestras, índice principalmente usado como parámetro que indica la calidad de una sub-rasante en una estructura de pavimento. Esto se efectuó para cada una de las muestras adicionadas con escoria, y fueron comparadas partiendo de los resultados obtenidos de la muestra sin adición de escoria, para determinar su comportamiento. También se realizaron pruebas de densidad seca, esto con la finalidad de verificar sus características correspondientes con la Base Granular (BG-38) según referencia de especificaciones técnicas en el artículo 230 de las especificaciones para vías del INVIAS (2013). En cuanto a los ensayos efectuados, fueron de dos tipos: compresión inconfinada (Material fino ("caolín”), y CBR (material fino "caolín"). En el primer caso, los porcentajes a adicionar fueron: 0, 25, 50 y 75%; mientras que en el segundo caso fueron: 25, 50 y 75%.

3.1 Pruebas de caracterización

Para la muestra de Caolinita, se obtuvo: límite líquido 40,7%, límite plástico 25,1% e índice de plasticidad 15,5%. La cantidad de escoria usada para mezclar con la arcilla caolinita, fue la retenida entre los tamices N°10 y N°100, que se considera como material fino. Luego se determinó el peso que se reemplazó en escoria de acería en cada porcentaje, quedando la matriz de dosificación como se muestra en la Tabla 2.

Con este plan de dosificación, se hizo la comparación de resultados para determinar el comportamiento de la escoria de acería al ser adicionada con la arcilla caolinita. La humedad óptima de compactación y la densidad seca máxima de la caolinita, se determinaron aplicando el ensayo de la norma INV - E -142 “Proctor modificado” (INVIAS, 2019), cuyos resultados se muestran en la tabla 3.

Una vez obtenidos los porcentajes de compactación y densidades, para tres humedades diferentes, se graficaron en la figura 2. En ella se determinó que la Humedad óptima de compactación de la muestra patrón, fue de 20,2% y la densidad máxima seca, fue de 1,59 gr/cm3.

Figura 2 Humedad Óptima y Densidad Seca Máxima - muestra Caolinita. 

Con el ensayo de CBR, se determinó la resistencia inicial al corte de la muestra patrón de la caolinita, la cual fue el punto de partida en el análisis de resultados, al compararlo con mezcla de escoria de acería en distintos porcentajes (INVIAS, 2013). En la Tabla 4, se muestra la relación esfuerzo deformación del ensayo CBR, obtenido en el laboratorio.

En la Tabla 5, se indican los valores obtenidos en laboratorio de esfuerzo vs Deformación, de la muestra de Caolín.

En la figura 3, la resistencia del suelo o esfuerzo de compresión último, corresponde a 0,417 MPa: según la clasificación de ^{Terzaghi (1956)}, es una arcilla de consistencia muy blanda.

Figura 3 Compresión inconfinada. 

En la Tabla 6, se relaciona el resumen de los resultados obtenidos de: humedad óptima, CBR de laboratorio, densidad seca y compresión inconfinada, para la matriz de Caolinita.

La caracterización de la escoria de acería, fue suministrada por la siderúrgica Acrías paz de Río, y sus resultados fueron comparados con los requisitos para bses granulares del INVIAS, como se muestra en la Tabla 7.

De acuerdo con los parámetros de la Tabla 7, se puede considerar que la escoria de Acería tiene propiedades mecánicas que la clasifican como una base granular, mejor que una subrasante. Sin embargo, el único parámetro que no se cumple es la resistencia al desgaste, lo que indica que la escoria utilizada en esta investigación, no es lo suficientemente dura y no presentaría buenos resultados al ser sometida a fricción.

En la Figura 4a, se detalla que la densidad al dosificar escoria de acería aumenta en 25% y 50%, mientras que al dosificar al 75%, la densidad disminuye. En la Figura 4b, se observa que la humedad es inversamente proporcional, a medida que se aumenta la dosificación de escoria, disminuye la cantidad de agua necesaria para obtener la humedad óptima. En la Figura 5a, se observa que la resistencia al corte de las muestras analizadas, aumenta a medida que se incrementa la dosificación de escoria de acería.

Figura 4 A) Dosificación de escoria vs Densidad seca máxima. B) Dosificación de escoria vs Humedad Óptima. 

Figura 5 A) Dosificación de escoria vs CBR . B) Dosificación de escoria vs Humedad Óptima. 

En la Figura 5b, se observa que la resistencia del suelo o esfuerzo de compresión último, disminuye a medida que se aumenta la dosificación de escoria de acería, debido a que la consistencia de la arcilla caolinita es muy blanda y a que el índice de plasticidad se hace no plástico. La composición de la escoria de Acería analizada, está formada por silicatos cálcicos que presentan porosidad y se hidratan al estar en contacto con el agua.

En la Figura 6a, se observa que el esfuerzo total en la arcilla caolinita es inversamente proporcional a la dosificación de escoria. Es decir, a medida que se aumenta la dosificación disminuyen los esfuerzos; además, disminuye la cohesión entre partículas o resistencia al corte bajo presión. En la figura 6b, la matriz de dosificación de escoria de acería y arcilla caolín, es inversamente proporcional. Es decir, a medida que se aumenta la dosificación de escoria, disminuye el índice de plasticidad y se comporta la matriz como no plástica. Esto se debe a que la composición de la escoria de acería de Paz de Río, está constituida por silicatos cálcicos que presentan porosidad y se absorben al estar en contacto con el agua.

Figura 6 a) Dosificación de escoria vs Resistencia al corte . B) Dosificación de escoria vs Índice de plasticidad. 

3.2 Discusión

Como se observa en la tabla 6, para la muestra de arcilla caolín sin adiciones, los resultados se asemejan a una subrasante típica de las vías de Colombia, con altos porcentajes de plasticidad y bajo CBR. En este sentido, el suelo presenta: sensibilidad a la humedad, cambios de volumen y baja resistencia, ocasionando daños graves en la estructura de las vías.

En la muestra de arcilla caolinita, se observa que la humedad óptima disminuye a medida que se aumenta la dosificación de escoria. Esto se debe a la reducción del índice de plasticidad que sufre la mezcla, hasta convertirla en no plástica, ver tabla 6. La reducción de plasticidad se debe a la composición de óxido de calcio o cal que presenta la escoria, que hace que funcione como material estabilizante. Así mismo, en la tabla 6 se observa que las densidades secas en la muestra de arcilla caolinita, se incrementan al aumentar las dosificaciones en: 25 y 50%, mientras que disminuye en el 75%, con respecto a la muestra patrón de caolín.

En la arcilla caolinita, al momento de compactar las muestras, estas se acomodan en los poros de la escoria reduciendo el porcentaje de vacíos. En los resultados de laboratorio de CBR, tabla 6, se detalla el aumento de los valores de CBR cuando se incrementa la dosificación de escoria. Esto se debe a la propiedad que tiene la escoria de ser un material cementante, que al ser mezclado con un suelo arcilloso, lo estabiliza, incrementando sus propiedades mecánicas, tales como: el índice de resistencia y densidad seca.

Asimismo, la escoria tiene propiedades cementantes, debido a su composición mineralógica y química (tabla 4), convirtiéndola en una opción de material estabilizante para materiales arcillosos. Sin embargo, la escoria no cumple con el parámetro de desgaste y abrasión, según lo estipulado por el INVIAS (2013), debido a que es un material frágil y de baja resistencia a la fricción. En consecuencia, no se puede implementar sin mezclar con un agregado pétreo que disminuya el porcentaje de desgaste (^{Méndez, 2012}).