Comportamiento de la ceniza volcánica

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 14524 (2022) Citar este artículo

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Las cenizas volcánicas (VA) son uno de los subproductos de las erupciones volcánicas explosivas. Se pueden usar como estabilizadores de suelos debido a sus propiedades cementosas como un enfoque ecológico de estabilización de suelos. En este estudio se investigó el impacto del VA como material aditivo (hasta un 20%) sobre el comportamiento de un suelo arcilloso bajo ensayos de compresión unidimensional y ensayos de compresión uniaxial. Para ello, se investiga el efecto del porcentaje de AV, las condiciones de curado, es decir, el contenido de humedad óptimo (OMC) y la muestra saturada, y el tiempo de curado, sobre el módulo del edómetro y la resistencia a la compresión uniaxial (UCS). Los resultados muestran que la adición de VA aumenta la UCS continuamente en condiciones de saturación. Sin embargo, esta mejora es considerable para un 5 % de AV adicional en el estado OMC e induce una mejora del 325 % en UCS. La mejora máxima de UCS se produce con una adición del 20% de VA en condiciones de saturación. También se reveló que las mezclas VA-suelo son más sostenibles a bajos niveles de estrés y el módulo del edómetro aumenta con la adición de VA. Un tiempo de curado a largo plazo conduce a un aumento de las uniones fabricadas debido a la reacción puzolánica. El VA adicional no tiene un efecto significativo en los parámetros de consolidación específicamente para el tiempo de curado a corto plazo.

Durante las últimas décadas, los proyectos de mejora y estabilización de suelos en la construcción de carreteras han considerado enfoques ecoamigables en cuanto a las restricciones y fuentes disponibles. Las soluciones adoptadas consideran el uso de geosintéticos1,2,3, la adición de polímero/biopolímero a los suelos4,5,6, o la adición de diferentes tipos de materiales de desecho como llantas o vidrio triturado7,8,9,10 ,11. Con base en estudios previos, la estabilización del suelo es un método significativo y rentable para la sustentabilidad de la carretera12. El mejoramiento químico de suelos es una de las técnicas más comunes que se pueden realizar de acuerdo con el entorno y los gastos del proyecto. Actualmente, las mejoras químicas se realizan mediante el uso de materiales cementosos como cemento, cal y puzolanas12,13,14,15,16.

Si bien el cemento y la cal tienen un alto desempeño y eficiencia en la estabilización de suelos, varios problemas ambientales como degradación y contaminación pueden ser causados ​​durante el proceso de fabricación o uso12,17. A lo largo de los últimos años, frente a los problemas asociados a la mezcla de cemento y cal en los suelos, se ha generalizado entre los ingenieros el uso de materiales de desecho respetuosos con el medio ambiente. Teniendo en cuenta los esfuerzos anteriores, el uso de puzolanas como material para mejorar el suelo se convierte en un tema popular entre los investigadores, ya que relativamente no tiene ningún problema ambiental negativo12,17. Las puzolanas son materiales de base silícea que se diversifican según su forma de producción (cenizas volantes, cenizas volcánicas, cenizas de cascarilla u otras). El uso de puzolanas puede ser productivo para la reducción de la contaminación del aire, así como para el ahorro de energía y emisiones de efecto invernadero17,18.

Recientemente se investigó el potencial del uso de materiales de desecho producidos por campos agrícolas y empresas industriales, a saber, cenizas volantes, escorias, llantas, vidrios y cáscaras de granos8,19,20,21,22,23,24,25,26. Las cenizas volantes y las cenizas volcánicas (VA), que se desperdician respectivamente en los hornos de carbón y las erupciones volcánicas, se pueden elegir como reemplazo apropiado del cemento/cal y también se pueden usar para estabilizar el suelo. Numerosos investigadores han estudiado el comportamiento de VA en diferentes condiciones. Para evaluar la mejora del suelo utilizando materiales cementicios adicionales, se deben estimar las propiedades de adherencia entre las partículas y resistencia27. Con este fin, se pueden realizar ensayos estándar convencionales como ensayos de corte directo, ensayos triaxiales, uniaxiales, ensayos de compresión confinada y California Bearing Ratio (CBR). Agregar puzolanas a la masa del suelo puede mejorar las propiedades del suelo, como la resistencia, el ángulo de fricción, la cohesión y CBR21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33.

Liu et al.28 agregaron geopolímeros a base de cenizas volantes para estabilizar los suelos de loess. La proporción entre las cenizas volantes y el suelo de loess utilizados en su estudio fue igual al 10 %, 20 % y 30 %. Con el aumento de la proporción de cenizas volantes, aumentan tanto el módulo joven como la resistencia a la compresión. Xiao et al.29 investigaron el impacto de cenizas volantes adicionales en la mejora de las arcillas marinas mediante pruebas de compresión uniaxial. La mejora depende significativamente del período de curado, el contenido de cenizas volantes y el contenido de agua. Afirmaron que para la muestra con el mayor contenido de cenizas volantes (34,5 %) y 90–150 días de curado, la resistencia a la compresión aumenta considerablemente (hasta un 85 %). Además, en comparación con el cemento Portland ordinario, la eficacia de un período de curado prolongado es mayor cuando se utilizan cenizas volantes como material aditivo29. Mir y Sridharan30 estudiaron el efecto de cenizas volantes adicionales sobre el índice de compresibilidad de las mezclas de suelo arcilloso utilizando pruebas de compresión unidimensionales en tres tiempos de curado diferentes: 1, 7 y 28 días. Para la condición a largo plazo, el porcentaje óptimo de cenizas volantes adicionales fue aproximadamente igual al 20% para la mejora de las propiedades de compresibilidad. Sin embargo, el contenido óptimo de cenizas volantes fue igual al 60% para el período de corto plazo. De acuerdo con los resultados obtenidos por Ma et al.31, el uso de cenizas volantes como estabilizador aumenta el módulo secante y la resistencia a la compresión al aumentar el tiempo de curado.

Solanki et al.32, Pinilla et al.33 y Edil et al.34 utilizaron cenizas volantes como aditivo y realizaron varias pruebas de CBR para determinar el módulo resiliente. La adición de cenizas volantes conduce a un aumento significativo del módulo resiliente. Además, el comportamiento del módulo elástico tiene una relación no lineal con el tiempo de curado y con el contenido de humedad. Pandian y Krishna35 abordaron el impacto de dos tipos diferentes de cenizas volantes en las pruebas de CBR (clase C y clase F). Las cenizas volantes permitieron mejorar la resistencia mecánica. La diferencia entre estos dos tipos de cenizas volantes está relacionada con la cantidad de calcio. Esta sustancia juega un papel importante en las reacciones puzolánicas36. Turner37 usó cenizas volantes como material estabilizador para caminos con superficie de agregados. La ceniza volante adicional tiene un efecto significativo en los parámetros de resistencia de la subrasante. El efecto depende considerablemente de la relación agua/estabilizante. También se observó que la adición de cenizas volantes hizo que el espesor del diseño se redujera unas cinco veces, lo que luego aumentó la rentabilidad.

Diversas investigaciones realizadas sobre la aplicación de VA solo o incorporándolos con cal o cemento en diferentes capas de pavimento, subrasantes, capas de remate o subbases. Bahadori et al.27 utilizaron tres AV diferentes, extraídos de diferentes regiones, para estabilizar suelos margosos. El índice de plasticidad del suelo disminuyó considerablemente al agregar VA. Se incrementó el módulo de elasticidad determinado por ensayos de compresión uniaxial. Hossain et al.12 y Hossain y Mol38 estabilizaron suelos arcillosos usando VA. La durabilidad de la masa de suelo estabilizada se evaluó investigando el impacto del remojo en la resistencia, la capacidad de absorción de agua y la contracción por secado. Agregar un alto porcentaje de VA (hasta un 20%) tiene un mayor impacto que usar una combinación de cemento y VA. Hastuty y Ramadhany39 realizaron pruebas CBR y uniaxiales para evaluar la adición de VA en el desempeño de la arcilla. Las mezclas VA-suelo tienen valores más altos de resistencia y CBR. Iskandar et al.40 realizaron varias pruebas CBR y uniaxiales. Observaron que la adición de VA y yeso mejora tanto la CBR como la resistencia uniaxial en más o menos un 100 %.

El centro de Mashhad (capital de Khorasan Razavi, una provincia de Irán) contiene suelos arcillosos degradados que están compuestos de partículas finas. Estos suelos de grano fino tienen propiedades deficientes, como poca resistencia, falta de resistencia adecuada y poca rigidez. Por lo tanto, se requiere una estabilización del suelo para asegurar la sustentabilidad y los desplazamientos provocados por las cargas externas debido a las construcciones.

Como se indica en la literatura, la mayoría de las investigaciones están relacionadas con la estabilización del suelo con cenizas volantes y el efecto de VA adicional no está bien investigado. Solo unos pocos esfuerzos han abordado la efectividad de VA en las propiedades mecánicas de los suelos12,33,34,35,39. La compresibilidad y el comportamiento de consolidación de la arcilla estabilizada como materiales de subrasante son aspectos críticos para la construcción de infraestructuras. Hasta ahora se ha estudiado el comportamiento de consolidación de la mezcla VA-suelo. Por lo tanto, el objetivo principal de este estudio es comprender el comportamiento de consolidación de la mezcla VA-suelo en dos posibles condiciones de curado, a saber, el Contenido de humedad óptimo (OMC) y las condiciones de saturación durante 7, 14, 28 y 90 días. Además, las propiedades edométricas de la mezcla VA-suelo se determinan por primera vez en este estudio. Las propiedades edométricas se utilizan a menudo para la estimación de asentamientos y el modelado numérico. Además, los parámetros de consolidación, a saber, el índice de compresión (Cc), el coeficiente de hinchamiento (Cs) y el índice de recompresión (Cr) para las condiciones saturadas se miden para la mezcla VA-suelo en diferentes tiempos de curado. Por último, pero no menos importante, el módulo de elasticidad del edómetro de la mezcla VA-suelo se determina a diferentes niveles de tensión, de 25 a 400 kPa. Este parámetro es el más importante para la estimación de asentamientos. Con este objetivo, se realizaron varias pruebas estándar, a saber, pruebas Proctor, compresión unidimensional y pruebas de compresión uniaxial. Cuatro proporciones de VA, 5%, 10%, 15% y 20%, se mezclan con suelos arcillosos. Las muestras se prepararon y curaron en el OMC y en condiciones de saturación que representan las limitaciones del proyecto en el sitio, es decir, las condiciones climáticas. Se determina la resistencia a la compresión uniaxial (UCS) tanto en OMC como en condiciones saturadas. Además, se utilizaron microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopía de dispersión de energía (EDS) para mostrar las formaciones de enlaces antes y después del tratamiento.

El suelo utilizado en esta investigación se extrajo del centro de Mashhad, Irán. Las propiedades físicas y mecánicas del suelo se determinaron según la American Society for Testing and Materials (ASTM)41,42,43. Estas propiedades se presentan en la Tabla 1. El suelo se clasifica como CL-ML según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS)44 y como A-6 según el estándar de clasificación AASHTO (ASTM D3282)45. La Figura 1 muestra la curva de distribución del tamaño de grano del suelo. La Tabla 2 describe sus propiedades químicas y elementos. La cantidad máxima de compuesto químico es CaCO3 con un 14,55%. El CaO es producido por la presencia de agua dentro del suelo que tiene compuestos de CaCO3. En consecuencia, puzolanas adicionales que contengan compuestos de SiO2, Al2O3 o Fe2O3 reaccionarán con el CaO producido y crearán hidrato de silicato de calcio (CSH) e hidrato de aluminato de calcio (CAH) que provocan la mejora del suelo27.

Distribución del tamaño de grano del suelo.

La puzolana utilizada en esta investigación se extrajo de una mina de puzolana natural ubicada a 140 km al noroeste de Mashhad en Irán. Las partículas más gruesas se pasaron a través de una máquina trituradora y un tamiz #200 para asegurar que los tamaños de partículas de VA sean lo suficientemente finos. La gravedad específica (Gs) del VA es 2,05 según la norma ASTM D854-1443. Está clasificado como material puzolánico N según la norma ASTM C61846. En la Tabla 3 se describen los compuestos químicos y elementos de la AV estimada según la técnica de Difracción de Rayos X (XRD). La Figura 2 ilustra el suelo y el VA utilizados en este estudio. La Figura 3 muestra las fotos del suelo y VA del microscopio electrónico de barrido (SEM). En términos de tamaño y forma de grano, la muestra de suelo (Fig. 3a) tiene partículas más grandes y suaves en comparación con VA (Fig. 3b). De hecho, debido al proceso de fragmentación, VA tiene formas de partículas angulares.

Materiales utilizados en esta investigación: (a) suelo arcilloso, (b) ceniza volcánica (VA).

Micrografías SEM de materiales usados; (a) suelo arcilloso, (b) ceniza volcánica (VA).

Se realizaron una serie de pruebas estándar que incluyen pruebas de compactación, compresión uniaxial y compresión unidimensional para investigar el efecto de la adición de VA en el rendimiento de mejora del suelo.

Estas pruebas se realizaron considerando varios tiempos de curado y porcentajes de AV. Cabe señalar que se realizaron pruebas de compactación y uniaxiales para la validación y control del procedimiento de mejora. Para estudiar los parámetros edométricos y de consolidación se realizaron ensayos de compresión unidimensionales. Se consideró un período de 28 días para el tiempo de curado en los ensayos de compresión uniaxial. En términos de pruebas de compresión unidimensionales, la Tabla 4 resume los variados parámetros y el programa de prueba. La designación general de cada prueba se denomina VAnDt-X en la que, VAn indica el porcentaje de mezcla n VA-suelo, Dt los t días de tiempo de curado y X las condiciones de curado. VA0, VA5, VA10, VA15 y VA20 representan respectivamente 0, 5, 10, 15, 20% de mezclas de VA-suelo. Estas mezclas se basan en investigaciones previas31. El procedimiento de curado se realiza en el contenido de humedad óptimo (-OMC) o en condiciones de saturación (-S) en 7, 14, 28 y 90 días. Por ejemplo, VA5D7-S representa el 5% de VA en 7 días de curado considerando condiciones saturadas. Cabe señalar que todas las pruebas se realizaron con una compactación proctor estándar relativa (RC) del 90 %.

El suelo seco se mezcló con el porcentaje deseado de VA en condiciones secas. Se preparó una mezcla homogénea del suelo VA añadiendo agua y luego se mezcló vigorosamente. A continuación, la mezcla se envolvió en bolsas de plástico y se mezcló continuamente mediante agitación. Finalmente, las bolsas se almacenaron hasta la realización del ensayo. Teniendo en cuenta la norma ASTM D69847, se realizó la prueba estándar de compactación proctor para determinar el OMC y la Densidad Seca Máxima (MDD) de la mezcla VA-suelo (diferentes contenidos de VA). En estas pruebas no se consideró el tiempo de curado y se realizaron inmediatamente después de la preparación. Se utilizaron probetas cilíndricas de 50 mm de diámetro y 100 mm de altura para determinar la Resistencia a la Compresión Uniaxial (UCS) siguiendo la norma ASTM D216648. Vale la pena señalar que las muestras remodeladas se prepararon con OMC según el método de apisonamiento en húmedo49. Todos los especímenes preparados se envolvieron nuevamente en bolsas de plástico y se mantuvieron durante varios días dentro de una cámara de curado con una temperatura controlada de 23 ± 2 °C. En términos de condiciones de curado saturadas, las muestras se sumergieron en una olla llena de agua. Se aplicó una carga de control de desplazamiento con una tasa de 1 mm/min para las pruebas uniaxiales. Este valor de tasa de carga corresponde a la tasa de deformación que se crea debajo de las subrasantes del pavimento debido a las cargas de tráfico38.

Se realizaron ensayos de compresión unidimensional sobre los suelos estabilizados según norma ASTM D243550. Para estos ensayos se utilizó un molde cilíndrico de 75 mm de diámetro y 20 mm de altura. La preparación de las muestras fue similar a las pruebas de compresión uniaxial, pero las muestras se colocaron en una cámara de curado durante 7, 14, 28 y 90 días. Para cada porcentaje de VA, se reconstituyeron dos muestras, es decir, para condiciones de prueba saturadas y OMC. Además, en términos de condición saturada, después de ensamblar las piedras porosas en la parte superior e inferior de la muestra, la olla del aparato de compresión unidimensional se llenó con agua y la temperatura de la sala de prueba se mantuvo constante a 23 ± 2 °C. (ver Fig. 4). El nivel de estrés en estas pruebas está limitado a 400 kPa que corresponde a carreteras secundarias37.

Ensayo de compresión unidimensional; (a) bajo la aplicación de carga, (b) curado de muestras en condiciones saturadas, (c) curado de muestras en condiciones de contenido óptimo de humedad (OMC).

La figura 5a ilustra la variación de la densidad seca con el contenido de humedad para diferentes porcentajes de VA. La figura 5b muestra los resultados de las pruebas de supervisión estándar realizadas. Se presenta el impacto del porcentaje de VA en OMC y MDD. Al aumentar el porcentaje de VA, de 0 a 20%, el MDD disminuye aproximadamente un 9% (de 1920 a 1750 kg/m3). Esta tendencia se puede atribuir a la gravedad específica VA y la distribución del tamaño de grano de la mezcla que también fue observada por Hossain y Mol38.

(a) variación de la densidad seca con el contenido de humedad, (b) variación de la densidad máxima seca (MDD) y el contenido óptimo de humedad (OMC) con el contenido de ceniza volcánica (VA).

Al principio, polvo VA adicional cubre las partículas del suelo. Conduce a una mezcla de partículas más gruesas y, en consecuencia, aumenta el volumen del espacio libre. Sin embargo, el espacio libre (proporción de vacíos) aumenta hasta que el VA cubre la superficie de todas las partículas. Entonces, más adición de VA al suelo llenará los espacios libres y la relación de vacíos disminuirá38. El impacto de agregar más VA al suelo será entonces bajo. Este comportamiento también puede ser delineado por la Fig. 6 que revela la variación de la relación de vacíos con el porcentaje de VA. Al aumentar el porcentaje de VA, la relación de vacíos aumenta en un 10% y tiende a disminuir posteriormente. Esta reducción puede deberse al tamaño de partícula de los AV.

Variación de la relación de vacíos con el contenido de ceniza volcánica (VA).

Se observa una tendencia adversa para la variación del contenido de humedad óptimo versus el porcentaje de VA. La OMC aumenta hasta un 2% al agregar un 20% de VA y la cantidad de agua está en relación directa con el contenido de VA. Tal y como abordan diferentes investigadores como Hossain y Mol38. Mencionaron que esta tendencia se puede atribuir a la absorción de agua de la mezcla VA-suelo para las reacciones puzolánicas.

La Figura 7 ilustra las fotos SEM para la muestra VA10D90-S. Finos granos de VA cubren las partículas de arcilla y se fabrican enlaces químicos. Los enlaces químicos contienen CSH y CAH (puntos brillantes en la Fig. 7). Se llevó a cabo una prueba de espectroscopia de dispersión de energía (EDS) para determinar los compuestos dentro de los enlaces cristalinos. Como se muestra en la Fig. 8, la cantidad de calcio que se encuentra en CSH y CAH es alta. Así, los puntos brillantes que representan los enlaces sólidos, son producidos por la reacción puzolánica27.

Micrografía SEM del suelo tratado con VA10D90-S.

Gráfico EDS de los productos puzolánicos VA10D90-S.

La Figura 9 demuestra el efecto de agregar VA en el UCS después de 28 días de curado. La UCS ronda los 17 kPa, mientras que sube hasta los 147 kPa para suelos estabilizados con un 20% de VA. Supone una mejora del 760% una vez curado considerando un estado saturado (Fig. 9a). La presencia de VA en el suelo induce enlaces de resistencia que conducen a la mejora de la cohesión del suelo y a un mayor UCS.

Influencia del contenido de ceniza volcánica (VA) en la resistencia a la compresión uniaxial (UCS); (a) en condiciones de saturación, (b) en condiciones de contenido óptimo de humedad (OMC).

Por otro lado, UCS también aumenta considerando las condiciones de curado OMC, sin embargo, la mayor fuerza apareció para VA5. De hecho, al agregar 5% de VA al suelo, UCS comienza desde 45 kPa en VA0 y aumenta bruscamente a 170 kPa (277% de mejora) para VA5. Luego, disminuye de forma no lineal al agregar VA adicional al suelo, hasta aproximadamente 74 kPa (64 % de mejora) para VA20 (Fig. 9b). Esta tendencia también fue observada por27. Las reacciones puzolánicas no pueden completarse debido a la falta de agua y esto puede empeorar la situación al agregar VA adicional, lo que conduce a una mayor proporción de vacíos en la muestra de suelo. Además, las partículas de VA son naturalmente no cohesivas, por lo que, al agregar VA adicional, la UCS disminuye debido a la ausencia de enlaces.

Se realizaron un total de 36 pruebas de compresión 1-D para investigar el efecto de la adición de VA en el módulo del edómetro. Con este fin, se determinó el módulo de elasticidad secante para cinco niveles de tensión, 25 kPa, 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa y 400 kPa. La figura 10 muestra las curvas de tensión-deformación para cuatro pruebas diferentes, VA0D0-OMC, VA0D0-S, VA15D90-OMC y VA15D90-S. Para un nivel de estrés constante, al agregar VA al suelo, los desplazamientos se vuelven más bajos tanto para OMC como para condiciones saturadas en comparación con el caso de suelo no estabilizado. El módulo de elasticidad secante se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación (Ec. 1) y la Fig. 10.

Curva tensión-deformación unidimensional de compresión.

En este estudio, un parámetro se denomina IF, Factor de mejora. Se puede obtener mediante la siguiente ecuación:

donde Ess es el módulo edómetro del suelo estabilizado con VA y Ens es el módulo edómetro del suelo no estabilizado (VA = 0%) para un nivel de tensión constante. IF indica las características de asentamiento de la mezcla VA-suelo. En la siguiente parte, se analiza el efecto del porcentaje de VA, el tiempo de curado y la condición (saturada o no saturada) sobre la IF.

La figura 11 muestra la variación de los porcentajes de AV frente a IF para la condición de OMC. Aumentando el porcentaje de VA hasta el 15%, el IF aumenta para todos los niveles de estrés y decrece para VA20. De hecho, para una mayor cantidad de VA, el mayor asentamiento es inducido por VA20 y, en consecuencia, IF se reduce.

Influencia del contenido de ceniza volcánica (VA) sobre el factor de mejora (IF) en la condición de contenido óptimo de humedad (OMC).

La Figura 12 muestra los resultados de la IF para los ensayos de compresión unidimensional saturada (ensayos de consolidación convencionales). Cuanto más VA se agrega al suelo, más aumenta el IF. De hecho, el asentamiento disminuye consistentemente con el aumento del porcentaje de VA para las condiciones saturadas. Al comparar los resultados tanto para OMC como para condiciones saturadas, la evolución de IF se puede atribuir a la falta de agua en el VA20. Por lo tanto, los enlaces resistentes fabricados son más pequeños que en VA15. Para la condición saturada, dado que la muestra está llena de agua, la reacción puzolánica VA continúa y se alcanza un IF más alto. Las propiedades de compresibilidad del VA son superiores a las del suelo30; por lo tanto, para condiciones no saturadas, agregar más VA de 15 a 20% requiere más agua para la reacción puzolánica. Las liquidaciones se reducen por VA20 debido a la existencia de más VA en la muestra.

Influencia del contenido de ceniza volcánica (VA) sobre el factor de mejora (IF) para condiciones de saturación.

Como ya se ha dicho, VA es un tipo de material cementoso, por lo que el tiempo de curado (período de reacción puzolánica) tiene un impacto notable en la resistencia de las muestras. En el estudio actual, el módulo del edómetro de la mezcla VA-suelo se determina a los 7, 14, 28 y 90 días de curado. Los curados se realizaron para OMC y condiciones saturadas, los resultados se muestran en las Figs. 13 y 14, respectivamente. Para ambas condiciones, el IF aumentó significativamente. Por ejemplo, para un nivel de tensión dado, a saber, 25 kPa para VA5D7-OMC y VA5D90-OMC, el IF aumentó hasta un 196 % para el período de curado a largo plazo en contraste con su tiempo de curado a corto plazo (IF7 días = 2,6 y IF90 días = 5.1). Para los estados de la OMC, debido a la falta de suficiente agua para la reacción puzolánica, la IF permanece casi constante después de 30 días de tiempo de curado. Mientras, IF aumenta relativamente linealmente al aumentar el tiempo de curado para el estado saturado. La reacción puzolánica requiere agua, y cuanta más agua hay, más enlaces de resistencia se producen, por lo que en condiciones de saturación, el IF aumenta considerablemente hasta los 90 días de curado.

Influencia del tiempo de curado en el factor de mejora (IF) para las condiciones de contenido óptimo de humedad (OMC).

Influencia del tiempo de curado sobre el factor de mejora (IF) para las condiciones de saturación.

Como se indicó anteriormente, el módulo del edómetro se determina para cinco niveles de estrés diferentes. La Figura 15 a,b indica los cambios de IF con varios niveles de estrés para VA15 en OMC y condiciones saturadas. Se observa una relación no lineal indirecta entre el nivel de tensión y el IF para todos los tiempos de curado. El IF disminuye drásticamente con el aumento del nivel de estrés. Los enlaces entre el suelo y VA que se fabricaron durante el tiempo de curado pueden fracturarse bajo la aplicación de la carga. De hecho, cuanto mayor es el nivel de carga, más enlaces se rompen. También se puede ver en la Fig. 15 que la relación entre el IF y el nivel de estrés se puede interpolar como una función de potencia, \(IF=k{(\frac{\sigma }{{P}_{atm}})} ^{n}\), y las medidas del valor R-cuadrado indican un buen ajuste para los datos. En la función interpolada, k y n son las constantes que varían debido a la condición de curado, el tiempo y el contenido de AV. Estos parámetros, k y n, varían respectivamente según la condición de curado y el nivel de tensión.

El factor de mejoramiento (IF) cambia con el nivel de estrés por 15% adicional de ceniza volcánica (VA15) para diferentes estados; (a) contenido óptimo de humedad (OMC), (b) saturado.

Como se indica en la Fig. 16, la variación de k y n con el porcentaje de VA muestra una tendencia análoga a la de las Figs. 11 y 12. El VA adicional expande los enlaces fabricados que hacen que la mezcla VA-suelo sea más frágil y conduce a valores más altos de k excepto para VA20-OMC. Por tanto, esta fragilidad provoca la aparición de más grietas como consecuencia de la aplicación de tensiones. Además, los valores de k son mayores para las condiciones saturadas que para los estados OMC debido a la presencia de más enlaces puzolánicos. De hecho, los parámetros clave que afectan a k son el porcentaje de AV y las condiciones de curado (tiempo y humedad) y depende de la formación de enlaces. n tiene valores negativos que indican el efecto de reducción de VA adicional para niveles de estrés más altos. Asimismo, los valores de n son más bajos para condiciones saturadas. Porque cuanto mayor es el contenido de humedad, menos frágil es el comportamiento de la arcilla. Por lo tanto, las muestras preparadas en condiciones OMC son más frágiles que las del estado saturado, y n tiene un valor mayor para las condiciones OMC.

Influencia del contenido de cenizas volcánicas (VA) y tiempo de curado sobre n y k.

La figura 17 muestra los ensayos de compresión unidimensionales en condiciones de saturación (ensayos de consolidación convencionales). La Figura 17 presenta el gráfico de prueba de consolidación típico para diferentes porcentajes de VA a los 90 días de tiempo de curado. Como se indicó anteriormente, el VA adicional aumenta la relación de vacíos, lo que lleva a desplazar el gráfico hacia arriba. El Índice de Compresión (Cc) muestra la capacidad del suelo para disminuir su volumen bajo cargas externas. La figura 18 ilustra la variación de Cc con el porcentaje de VA en diferentes tiempos de curado. Como se ve, agregar VA al suelo disminuye la Cc, mientras que más VA influye en la Cc para el tiempo de curado a corto plazo. Este efecto cobra importancia cuando la muestra se cura durante 90 días. Las uniones formadas se fragmentan con VA adicional para un tiempo de curado a corto plazo. Esta tendencia del período de curado a corto plazo se puede atribuir al hecho de que los enlaces de resistencia se rompen a niveles altos de tensión y Cc se determina en el incremento final de la carga (pendiente tangencial a una tensión de 400 kPa). En términos de tiempo de curado de 90 días, por ejemplo, Cc disminuye hasta un 60 %, de 0,082 a 0,032, para VA20-D7-S y VA20-D90-S.

Curva de consolidación para diferentes contenidos de ceniza volcánica (VA) a los 90 días de curado.

Influencia de la ceniza volcánica (VA) sobre el índice de compresión (Cc) con el tiempo de curado.

El coeficiente de hinchamiento (Cs) que revela la capacidad del suelo para aumentar su volumen después de la descarga. La figura 19 muestra los cambios de Cs con el contenido de VA. En consecuencia, VA tiene un impacto insignificante en Cs y exclusivamente para el tiempo de curado a corto plazo. Sin embargo, Cs disminuye para tiempos de curado a largo plazo al aumentar el porcentaje de VA. Los enlaces puzolánicos impiden el hinchamiento hasta cierto punto cuando están bien fabricados. Más específicamente, el índice de recompresión (determinación de Cc en el incremento inicial de carga, Cr) también se evalúa para elaborar el efecto de VA adicional en las propiedades de asentamiento. La Figura 20 indica los cambios de Cr con el contenido de VA. Cr disminuye con el aumento de AV. Esta reducción se vuelve lineal al agregar VA adicional. Por lo tanto, se puede afirmar que la adición de VA al suelo es eficaz para los parámetros de consolidación a niveles de tensión más bajos.

Influencia del contenido de ceniza volcánica (VA) sobre el índice de hinchamiento (Cs) para varios tiempos de curado.

Influencia del contenido de ceniza volcánica (VA) sobre el índice de recompresión (Cr) para diferentes tiempos de curado.

En este estudio, se investiga la factibilidad de usar cenizas volcánicas (VA) para la estabilización de suelos arcillosos mediante el empleo de pruebas de compactación, compresión uniaxial y compresión unidimensional. Se agregaron al suelo cuatro porcentajes diferentes de VA (es decir, 5, 10, 15 y 20 %) para estudiar el efecto de VA sobre la resistencia uniaxial, así como sobre el módulo del edómetro en el contenido óptimo de humedad (OMC) y condiciones completamente saturadas durante períodos de curado que varían de 7 a 90 días. Se evaluó el impacto de la AV sobre los parámetros de consolidación. Las investigaciones de laboratorio permiten obtener las siguientes conclusiones:

El uso de VA aumenta la relación de vacíos y OMC. Esto se puede atribuir a la formación de espacios y enlaces después de la reacción puzolánica. Por lo tanto, VA adicional aumenta la absorción de agua,

Para las condiciones OMC, el porcentaje óptimo de VA adicional es respectivamente igual a 5% y 15% para las pruebas de compresión uniaxial y 1-D. Mientras que, para condiciones de curado saturado, no se observó un VA óptimo para ambas pruebas. En otros términos, se encontró que la presencia de agua permite que se produzca la formación de enlaces,

Los parámetros de rigidez del suelo mejoran significativamente al agregar VA, y esta mejora es más importante para condiciones de curado saturado,

En cuanto a los períodos de curado, para un porcentaje constante de VA, la condición de curado a corto plazo (7 días) aumenta el Factor de Mejora (FI). Sin embargo, la mejora es más notable para condiciones de curado a largo plazo (14 días y más). De hecho, se fabrican más enlaces por la reacción puzolánica a lo largo del tiempo de curado,

En términos de nivel de estrés, se puede afirmar que el uso de VA sería más productivo para cargas de servicio bajas. De lo contrario, los enlaces fabricados se fragmentan y, por lo tanto, disminuyen tanto la rigidez como la resiliencia. Por lo tanto, la estabilización con VA sería funcional para el diseño de pavimentos en contraste con la mejora basada en cimentaciones,

La adición de VA disminuye el índice de recompresión (Cr) de forma más drástica que el índice de compresión (Cc). Tiene un bajo impacto en el Índice de Hinchamiento (Cs). Agregar VA adicional adicional tiene un efecto insignificante en los parámetros de consolidación a corto plazo (hasta 28 días) y se vuelve considerable a largo plazo (es decir, 90 días).

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado. Los datos sin procesar también están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Ceniza volcánica

Hidrato de silicato de calcio

Hidrato de aluminato de calcio

Microscopía electrónica de barrido

Espectroscopia de dispersión de energía

Contenido de humedad óptimo

Máxima densidad seca

factor de mejora

Resistencia a la compresión uniaxial

Porcentaje de N de la mezcla ceniza volcánica-suelo curada en t días en condiciones óptimas de contenido de humedad

Porcentaje de N de la mezcla ceniza volcánica-suelo curada en t días en la condición de saturación

Módulo secante de elasticidad

Estrés vertical

Tensión vertical

Módulo edómetro de suelo estabilizado

Módulo edómetro de suelo no estabilizado

Parámetro constante

Parámetro constante

índice de compresión

Coeficiente de hinchamiento

Índice de recompresión

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Los autores desean expresar su gratitud al Dr. Sanjay Nimbalkar de la Universidad Tecnológica de Sydney, quien revisó pacientemente el manuscrito y brindó comentarios constructivos.

Departamento de Ingeniería Civil, Facultad de Ingeniería, Universidad Ferdowsi de Mashhad, Mashhad, Irán

Mohammad Amin Sayyah y Saeed Abrishami

Departamento de Ingeniería Civil, Ambiental y Oceánica, Stevens Institute of Technology, Hoboken, NJ, 07030, EE. UU.

Pooya Dastpack

Universidad Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, 3SR Lab, 38000, Grenoble, Francia

daniel dias

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Mohammad Amin Sayyah: prueba, redacción, conceptualización, revisión. Saeed Abrishami: supervisión, edición, conceptualización, metodología, revisión. Pooya Dastpak: redacción del borrador original, conceptualización, revisión, edición. Daniel Dias: revisión, edición, conceptualización, metodología.

Correspondencia a Saeed Abrishami.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Sayyah, MA, Abrishami, S., Dastpak, P. et al. Comportamiento de mezclas ceniza volcánica-suelo bajo ensayos de compresión unidimensional. Informe científico 12, 14524 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18767-8

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Recibido: 09 Abril 2022

Aceptado: 18 de agosto de 2022

Publicado: 25 agosto 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18767-8

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