Uso de arenas contaminadas en mezclas con ligantes

USO DE ARENAS CONTAMINADAS EN MEZCLAS CON LIGANTES CALCICOS E
HIDROCARBONADOS
Gerardo Botasso(1); Enrique Fensel(1) ; Daniel Monzón(1)
(1)LEMaC: Centro de Investigaciones Viales- Facultad Regional La Plata
Universidad Tecnológica Nacional
Calle 60 esquina 124 (1900) La Plata, Prov. de Bs. As., Argentina
lemac@frlp.utn.edu.ar
RESUMEN
La utilización de arenas en procesos de estabilización de suelos arcillosos es algo común y
necesario en la provincia de Buenos Aires, en donde la presencia de sustratos arcillosos es algo
cotidiano en los perfiles edafológicos de la red vial.
La necesidad de incorporar materiales que aporten fricción al carácter cohesivo del sistema se
manifiesta a fin de obtener bases de mayor valor portante y de menor susceptibilidad al agua.
Los ascensos capilares y el agua de infiltración disminuye la capacidad portante de las capas hasta
un 200 %, por lo que generar un sistema de baja susceptibilidad al agua, como lo son las mezclas
cementadas con cemento Pórtland y emulsiones asfálticas, es vital para la durabilidad de la red vial.
El presente trabajo muestra la factibilidad de inclusión de arenas en suelo cohesivos, a fin de
estabilizarlos, con la particularidad de que las mismas provienen de procesos industriales. Son
arenas del tipo silíceas, que han sido contaminadas en el proceso con metales pesados y con
formaldehídos, entre otros contaminantes.
La razón de la función del ligante cálcico e hidrocarbonado no es solo otorgar la matriz resistente, la
cohesión o la impermeabilidad, sino ofrecer una matriz de macro y micro encapsulación que
permita evitar la migración de metales pesado y de fracciones volátiles.
El trabajo demuestra la factibilidad de inclusión de las mismas con los test viales y ambientales de
las agencias viales de argentina DNV y la agencia ambiental americana EPA.
Se demuestran a su vez la adaptación a procesos tecnológicos convencionales dentro de las obras
viales nacionales.
Palabras claves: residuo, incorporación, estabilización, fijación, caminos.
195
1. INTRODUCCIÓN: GENERACIÓN DEL RESIDUO
1.1 Arenas de fundición usadas en moldeo
Las fundiciones que utilizan en su proceso arena para la fabricación de moldes disponen de un
círculo cerrado de arena que se va renovando permanentemente mediante adiciones de arena nueva
y eliminación de las arenas más deterioradas. Un sistema utilizado con frecuencia es aprovechar la
arena de los machos para la renovación, ya que éstos se suelen fabricar con arena nueva. De esta
forma se mantienen dentro de unos límites prefijados los elementos que puedan hacer variar algunos
parámetros de la arena, tales como finos, etc., que se encuentren presentes en el circuito.
Cuando los programas de fabricación se orientan a piezas con poco macho, este sistema de
renovación de la arena resulta totalmente insuficiente, por lo que se requieren adiciones de arena
nueva. Habitualmente las fundiciones retiran del circuito entre 0.2 y 0.3 Kg de arena/Kg de
fundición buena, siendo muy poco el porcentaje de arena usada que se valoriza, prácticamente la
totalidad se deposita en vertederos.
En la denominación genérica de arenas usadas se encierran residuos de diversa constitución que
es interés tener en cuenta. Los más frecuentes son:
Clase de Residuo
Arena de moldeo usada y residual
Arenas para machos, Arena para machos usada
Finos
Lodos
Residuos de arena de granalladora
Para describir las arenas de fundición usadas se recurre a un gran número de parámetros que
presentan gran interés:
Composición mineral
Propiedades químicas
Propiedades físicas
Propiedades granulométricas
Contenido metálico (p. Ej. Cromo, níquel, hierro).
Sustancias orgánicas.
1.2 Residuos de las arenas usadas de fundición: Polvos y Finos.
A lo largo del circuito de arena, y en los procesos de regeneración de las arenas usadas de
fundición, se genera una cierta cantidad de compuestos de granulometría fina que reciben diferentes
denominaciones.
Polvos y Finos. Son aquellas partículas que al aspirar y separar mediante filtros secos en cualquiera
de las fases del circuito: preparación del material de moldeo, transporte de la arena y desmoldeo.
Los finos procedentes de la regeneración mecánica de la arena usada contienen los mismos
componentes que la arena de fundición usada, aunque en otras concentraciones, durante la
correspondiente extracción de estas sustancias de grano inferior (impuesta por las exigencias al
regenerado), también accede arena de cuarzo reutilizable a los finos. Esto se debe a una insuficiente
eficacia de separación de las técnicas disponibles. Los finos de arenas usadas que han sido
sometidos previamente a un tratamiento térmico están exentos de componentes orgánicos.
196
1.3 Arenas y polvos en la sección de granallado.
En la sección de acabados de las fundiciones se retiran los restos de machos calcinados, se
recogen arenas usadas del circuito, se eliminan los elementos del sistema de alimentación utilizados
en la colada, etc.
Las operaciones de granallado requieren mención especial, en las se regenera un residuo en
forma de polvo, mezcla de partículas metálicas y restos de arena calcinada que se mezclan entre sí,
a pesar de su distinta composición.
Los polvos de granallado se regeneran en las granalladoras y durante la recuperación de la
granalla. La granalla utilizada suele ser principalmente chatarra de fundición de acero o de alambre
de acero. Durante la operación de granallado se acumula arena usada, fracciones de la granalla y
material de fundición erosionado. Las impurezas presentes son eliminadas durante la recuperación
de la granalla, con el objeto de poder utilizar de nuevo la granalla.
Los polvos de granallado contienen fundamentalmente polvos de arena usada, así como
granallas de granulometrías inferior, partículas procedentes de la abrasión del metal y óxidos
metálicos. Los polvos del granallado, generados durante la limpieza de las fundiciones maleables,
presentan una composición diferente. Predomina la parte de hierro, especialmente en forma de
cascarilla.
2. FENÓMENO DE LIXIVIACIÒN
2.1 Lixiviación y carga contaminante.
Dada la importancia que se le confiere desde el punto de vista ambiental para valorar la
migración de partículas nocivas a este ensayo, se describe su fundamento y desarrollo.
Si el agua se pone en contacto con un material, cada componte del mismo se disuelve a una
velocidad infinita. Incluso en los residuos solidificados más impermeables, el agua puede penetrar
en su interior y disolver parte del residuo, por lo que no se puede hablar de materiales
completamente insolubles. Así pues, cuando un residuo se pone en contacto con el agua se puede
medir su velocidad de disolución. Este proceso es denominado lixiviación, el agua que inicia el
proceso se llama lixiviante y el agua contaminada se la denomina lixiviado. La capacidad del
material de lixiviar se la conoce como lixivialidad.
Como se ha visto, la lixiviación mide la capacidad de liberación de una sustancia tóxica a
partir de un residuo cuando éste está sometido a unas determinadas condiciones que están bien
detalladas por diversas normas. En general el ensayo de lixiviación consiste en mantener el residuo
inmerso en agua ligeramente ácida, e ir analizando la calidad de ésta. De ahí se deduce que un
residuo puede contener una gran cantidad de materia tóxica pero ser inmune a la acción del agua.
Otro aspecto se refiere a la carga, o potencial de carga contaminante. El vidrio de Pb es un residuo
de alta carga contaminante, pero con una capacidad de lixiviación nula.
2.2 Resistencia a la lixiviación.
La gran incógnita que presenta un material al que se ha aplicado un proceso de reciclado, es
saber como se comportará en servicio. Es preciso someter al producto al ensayo de lixiviación para
conocer si libera sustancias tóxicas al medio y en que cantidad.
La lixiviación consiste en un ataque ácido y se debe ir comprobando la calidad del líquido
una vez que se ha puesto en contacto con el residuo.
El ataque depende de los siguientes factores:
Naturaleza del agente agresor.
PH del medio
Temperatura
197
Tiempo de contacto
El comportamiento de un material frente a un medio agresor dependerá, lógicamente de la
naturaleza mutua. La lixiviación dependerá de la resistencia relativa de los enlaces y de la capacidad
agresora del líquido.
2.3 Ensayo de Lixiviación.
Existen numerosos ensayos de lixiviación estandarizados o en vías de normalización y, en la
actualidad, se extiende a una especialización, esto es usar el ensayo que mejor se ajusta a las
solicitaciones de toda índole a que puede verse sometido el residuo, el residuo estabilizado o bien
una vez ya reciclado.
MÉTODO
EPA SW-846, Método 1311
EPA SW-846, Método 1310
EPA SW-846, Método 1312
SW-924
ASTM D 3987-85
PROPÓSITO
APLICACIÓN DEL
MATERIAL
Comparar el nivel de toxicidad Residuos
estabilizados.
con los lixiviados de vertederos Productos reciclados.
de RSU y especiales
Evaluar la concentración de los Residuos estabilizados.
lixiviados
Para residuos expuestos a la Caracterización de los residuos
lluvia ácida
peligrosos.
Para residuos depositados en Residuos
monolíticos
y/o
zonas saturadas de baja triturados
permeabilidad.
Suministrar medios para una Compuestos inorgánicos
rápida obtención del lixiviado.
3. DESARROLLO DEL TRABAJO
Dadas las características del residuo a tratar y tomando las experiencias del LEMaC en este
sentido, el presente trabajo plantea la inclusión de arenas de fundición en mezclas con suelo del tipo
denominado seleccionado mas un agente cálcico (cemento) por un lado, y por otro lado uno
hidrocarbonado (emulsión asfáltica).
3.1. Identificación y caracterización de las Arenas de Fundición analizadas.
Se realizaron caracterizaciones físico-química sobre muestras de arenas en distintas etapas
del proceso de fundición con la siguiente denominación:
IDENTIFICACIÓN
I
II
III
IV
198
ARENAS CONTAMINADAS
Arena sin tratamiento (Virgen)
Arena de noyos sin Calcinar
Arena de noyos Calcinada
Arena de Granalladora
1
2
3
Figura 1: Arenas empleadas
1 Arena de Granalladora
2 Arena Calcinada
3 Arena Sin Calcinar
Se avanza sobre el trabajo analizando las características de dichas arenas fijando como
comparativa a las arenas vírgenes, para luego formular las mezclas para la estabilización de las
arenas usadas en el proceso de fundición, teniendo en cuenta todos los parámetros en cuestión.
Sobre las mismas se realizaron los siguientes ensayos:
3.1.1 Caracterización física
Determinaciones Físicas
Ident.
Muestra
Pe (Kg/dm3)
IRAM
1520/02
I
II
III
IV
2.710
2.629
2.623
2.807
Absorción
(%)
IRAM
1520/02
0.3
11.6
11.4
7.10
PUV Suelto
(Kg/dm3)
IRAM
1548/03
1.382
1.359
1.433
1.684
Equivalente
Arena
IRAM
1682/72
100
100
97
93
Materia
Orgánica
IRAM
1647/94
0
0
0
0
Granulometría, de acuerdo a la norma IRAM 1505/02
% Pasa en los
tamices Nº
4
I
II
III
IV
100
100
100
100
199
8
10
16
30
40
50
80
100
200
Modulo de finura
100
100
100
99.7
97.3
87.6
6.1
4.8
1.4
1.00
85.5
83.8
80.3
74.3
67.0
50.6
3.8
2.6
1.2
2.06
89.6
88.7
75.9
58.9
76.1
61.3
4.6
3.5
1.2
1.75
100
100
100
99.0
94.8
80.0
6.1
4.0
1.1
1.17
La arena virgen ha sido valorada como una arena fina, de módulo de fineza bajo y
granulometría uniforme, libre de materia orgánica. El ensayo equivalente de arena ha permitido
valorar la pureza de la arena al arrojar un valor de 100, indicando que la misma esta libre de
material arcilloso y/o contaminantes orgánicos. El peso específico se condice con el de una arena
silícea, y el PUV con el de una arena monogranular por la baja proporción de vacíos que genera.
Las determinaciones se realizaron con las normas IRAM correspondientes para este tipo de material
y se indican en los cuadros respectivos del informe.
De lo anterior se infiere, que la arena es de adecuada calidad para el proceso al cual fue
incorporada.
En el caso de las arenas blancas II y III, cabe mencionar que la energía entregada para el
desterronamiento permitió trabajar con muestras que pasaron el 100% por la malla del tamiz Nº 4
de ASTM (4,75mm), esto se ha logrado fácilmente con una energía de roturado de
aproximadamente 2 Kg.cm/cm3, que se obtiene fácilmente con molinos de bolas, molinos de
mandíbulas o tornillo; de no contar con éstos, la muestra se puede colocar en una superficie plana
de hormigón y accionar sobre la misma un rodillo liso para su desterronamiento.
Las granulometrías ficticias logradas, pues existen aún partículas aglomeradas, hay que
considerarlas como tales, ya que el grano no tiene resistencia estructural, y puede, durante el
proceso de fijación modificar su tamaño, razón por la cual los valores de granulometrías y módulos
de fineza son orientativos para esa energía entregada.
En la Figura 2 se grafica el método adoptado en Laboratorio con el que se diseñó la
metodología y se calculó la energía de roturación.
Figura 2: Roturado de Arena Residual Calcinada
200
3.1.2 Caracterización química
Lixiviado de hidrocarburos, fenoles y metales pesados sobre muestras sólidas y sobre los
lixiviados.
Determinaciones químicas, de acuerdo a la norma SW 846/86 método de la normativa EPA.
Muestra
I
II
III
IV
Hidrocarburos totales por IR
Nd
Nd
Nd
Nd
Fenoles
Nd
Nd
Nd
Nd
Sobre muestra Sólida (mg/Kg)
Analito(mg/l)
Cd
Cr
Ni
Cu
Zn
I
<0.5
<2.5
<2.5
<2.5
<2.5
II
<0.5
0.46
1.42
<2.5
27.3
III
<0.5
1.01
3.84
<2.5
127
IV
<0.5
1.01
3.84
<2.5
4788
III
<0,02
<0,1
<0,1
<0,2
0,9
2,3
IV
<0,02
3,1
0,9
0,6
2,5
4,3
Sobre Lixiviado (mg/l)
Analito(mg/l)
Cd
Cr
Ni
Pb
Cu
Zn
I
<0.02
<0.1
<0.1
<0.2
0.1
0.2
II
<0,02
<0,1
<0,1
<0,2
0,5
0,5
Método de pretratamiento y análisis siguiendo las metodologías estandarizadas en el
Estándar Methods for Examination of water and wastewater.
Límite de detección de hidrocarburos 0.02%
Límite de detección de fenoles 0.1 mg/Kg
Determinaciones de formaldehído sobre las arenas blancas II y III:
Determinaciones
Humedad (Método gravimétrico, 100+/- 5ºC (%) p/p)
Materia Orgánica total (Método Gravimétrico 1000+/-10ºC (%)
p/p)
0.08
Mezcla
después de
fundir
0.32
1.26
0.98
Mezcla antes
de fundir
201
Formaldehído libre (espectroscopia infrarroja) (%) p/p
Nitrógeno (Método de Kjeldahl) (%) p/p
Estimación del formaldehído máximo presente como metilolConsiderando una reacción de autocurado de la resina ureaformaldehído, con n-butanol como alcohol reactivo, a partir de los
niveles de nitrógenos determinados. (%) p/p
No se detectó No se detectó
la presencia de la presencia de
función
función
aldehído
aldehído
0.07
0.04
0.16
0.09
En las muestras analizadas no se detectó la presencia de la función formaldehído. Tomando
el total de nitrógeno determinado como componente de la función formaldehído, y suponiendo que
todo el nitrógeno provenga de la resina urea formaldehído, los valores determinados 0.16% (1600
ppm) y 0.09 % (900 ppm), están por debajo de los niveles considerados como contaminantes
peligrosos.
3.2 Caracterización del suelo
El suelo seleccionado que se presenta en esta experiencia es de amplio uso en nuestra zona en
bases y subbases de obras viales como reemplazo de suelos naturales que se caracterizan por su alto
contenido en arcillas. Por esa razón su clasificación es la de la Highway Research Board (HRB), la
mas difundida en esta temática.
Determinación de constantes Físicas
L.L. (Límite Líquido)
L.P. (Límite Plástico)
I.P. (Índice de Plasticidad)
P.T.#200(%)
Clasificación HRB
34
0
0
75
Peso por Unidad de Volumen Norma IRAM Nº 1548
PUV (Suelto)
1,04 gr/cm3
PUV (Compactado)
1,28 gr/cm3
Proctor Estándar Norma VN- E 5
Dss. máx.
1,466 gr/cm3
Hóp
24,60%
Si bien el suelo, considerado de muy buena calidad dentro de estos parámetros, no tiene
plasticidad, como veremos mas adelante en la mezcla con las arenas residuales no afectará la
cohesión íntima entre las partículas de ambos materiales.
4. Dosificación de Mezclas
La reducción de los residuos para disminuir su acción contaminante se les puede aplicar
algunas de las siguientes técnicas:
Minimización o reducción
Desviación
202
Prevención
Reciclaje o reutilización
Estos criterios aplicados a una política de gestión sirven para establecer orden de prioridades en el
tratamiento del residuo. Las técnicas utilizadas para la reducción en general de un residuo podrán
desarrollarse in situ al momento de ser generado.
En nuestro caso la técnica utilizada para el tratamiento del residuo es la estabilización y
solidificación, o sea encapsulamientos, inhibiciones en fases aglutinantes y dispersantes.
4.1 Estabilización
Las propiedades de los suelos que mas frecuentemente se estudian en problemas de
estabilización son:
Estabilidad Volumétrica. La expresión se refiere por lo general a los problemas relacionados con
los suelos activos por cambios de humedad relacionados con variaciones estacionales. Se trata de
transformar la masa de arcilla en una masa rígida o en una granulada, con sus partículas unidas por
lazos suficientemente fuertes como para resistir las presiones internas de expansión. Esto se logra
por tratamientos químicos o térmicos, la experiencia ha demostrado que los tratamientos químicos
son útiles sobre todo para arcillas ubicadas cerca de la superficie del terreno, en tanto que los
tratamientos térmicos se han aplicado mas bien a arcillas más profundas.
Resistencia. Existen varios métodos de estabilización que son útiles para mejorar la resistencia de
muchos suelos. Todos ellos parecen perder mucho de su poder en el momento en que se tienen
importantes contenidos de materia orgánica, circunstancia desafortunada, dado que, muchos de los
graves problemas de falta de resistencia ocurren precisamente en suelos orgánicos.
Algunas de las formas de estabilización mas usadas para elevar la resistencia son los siguientes:
Compactación, Estabilización química con Cemento o Aditivos Líquidos.
Permeabilidad. No suele ser difícil modificar substancialmente la permeabilidad de formaciones de
suelos por métodos tales como la inyección, etc.
En materiales arcillosos, el uso de defloculantes (por ejemplo, polifosfatos) puede reducir la
permeabilidad también significativamente, el uso de floculantes, muchas veces hidróxido de cal o
yeso, aumenta correspondientemente el valor de la permeabilidad. En la actualidad se va
disponiendo de algunas sustancias que introducidas en el suelo en forma de emulsión puede reducir
mucho su permeabilidad, si bien el uso de estas sustancias ha de ser cuidadosamente analizado,
pues no es raro que ejerzan efectos desfavorables en la resistencia al esfuerzo cortante de los suelos.
Las emulsiones asfálticas en sus distintos tipos son agentes impermeabilizantes.
Durabilidad. Suelen involucrarse en este concepto aquellos factores que se refieren a la resistencia
al intemperismo, a la erosión o a la abrasión del tráfico, de esta manera, los problemas de
durabilidad en las vías terrestres suelen estar muy asociados a suelos situados relativamente cerca
de la superficie de rodamiento. En rigor, estos problemas pueden afectar tanto a los suelos naturales
como a los estabilizados, si bien en estos últimos los peores comportamientos suelen ser
consecuencia de diseños adecuados, tales como una mala elección del agente estabilizador o un
serio error en su uso, tal podría ser el caso cuando se mejora la bien conocida susceptibilidad de los
suelos arcillosos estabilizados con cemento o la presencia de sulfatos.
4.2 Estabilización Suelo Arena
203
El suelo seleccionado aporta cohesión a la mezcla. Estos suelos se caracterizan por ser finos y
plásticos. Los valores de plasticidad deben ser controlados para que no excedan los valores
máximos permitidos y también los mínimos para que quede garantizada la cohesión. El suelo al
aportar sus propiedades cohesivas hace trabajable a la mezcla.
En cuanto a la arena debemos considerar sus propiedades friccionales. Esta característica de la
arena nos permite que la mezcla adquiera una resistencia friccional carente en el suelo.
Para estabilizar suelos, arenas o mezclas de ambos, se emplean asfaltos provenientes de la
destilación del petróleo o la adición de cemento Pórtland.
Estos sistemas son la base resistente de la estabilización. Las propiedades que cada uno aporta al
sistema hacen que el mismo adquiera características propias que ninguno de los componentes
tendrían por sí solos.
Como criterio para encontrar la relación óptima entre suelo y arena se utiliza el principio de
llenado por parte del suelo de los vacíos dejados por la arena, para ello se determina el PUV
compactado de la arena residual teniendo en cuenta la absorción de la misma de la forma saturada
superficie seca, y teniendo en cuenta también el PUV del suelo en el mismo estado de compactación
descripto en el párrafo de caracterización del suelo.
Los resultados obtenidos para la arenas contaminadas son:
Designación
II
III
IV
PUV (Compact.)
1,484
1,538
1,800
Absorción (%)
11,6
11,4
7,1
Tomando en cuenta los valores hallados, lo que nos da una cierta amplitud para determinar los
porcentajes intevinientes de cada material, se procedió bajo el criterio de inclusión de la mayor
cantidad de residuo en la mezcla. La elección de los porcentajes de residuo y suelo, radica en la
utilización de la mayor cantidad posible de residuo que mezclado con suelo nos permita una mezcla
trabajable en obra, asociada a esta un porcentaje de cemento que nos garantice resistencia aceptable
a la edad de 7 días, a la vez de encapsular al residuo y garantizar durabilidad.
Para este caso se adoptaron valores porcentuales en la mezcla de:
45 % Suelo Seleccionado
55 % Arenas de Fundición
Dentro del porcentaje de las arenas, y dada la compatibilidad química mostrada por las
denominadas II y III, arenas sin calcinar y calcinadas respectivamente, se resolvió integrar este
porcentaje colocando mitad de cada una.
4.3 Suelo-Arena-Cemento
Los porcentajes de cemento que se adoptaron para la evaluación son concurrentes para este tipo
de mezclas de suelo seleccionado con arenas silíceas.
El porcentaje de los materiales se determina con respecto al componente seco. El porcentaje de
cemento es sobre el total de la mezcla de suelo seleccionado / residuo en estado seco.
4.3.1 Cemento
El cemento utilizado cumple los requerimientos de resistencia de la categoría 40, es decir, se
asegura la obtención de más de 40 MPa (408 kg/cm2) en las condiciones descriptas en la norma
IRAM 50.000.
204
Tomando como criterio de evaluación a las propiedades de los suelos que mas frecuentemente
se analizan, descriptos en el capítulo 4.1 Estabilización, se describen los conceptos generales de las
determinaciones realizadas.
4.3.2 Compactación
Las mezclas se pueden estabilizar por la aplicación de una cierta energía de compactación.
Esta energía, normalizada en la obra vial, la expresa el ensayo proctor standart, con un valor
aproximado de 6 Kg.cm/cm3. Recordemos que en la caracterización del residuo tenemos los
valores de P.U.V. y el peso específico, que son orientadores en la dosificación. A su vez, variando
el contenido de humedad, logramos variar la compacidad, para esa misma energía.
En los suelos estabilizados con cemento será necesario, como se indicará, verificar las
características del suelo para cuantificar la acción cementante del cemento Pórtland normal
utilizado.
Para el caso particular se realizó el Proctor Standart-Norma de Vialidad Nacional VN-E5.
A continuación se pueden ver algunos de los equipos utilizados para las determinaciones:
Figura 3: EQUIPOS y vista parcial de un SUELO-ARENA-CEMENTO
4.3.3 Resistencia Inconfinada
Sobre probetas cilíndricas de diámetro ( D = 5 cm.) y altura ( H = 10 cm). Este ensayo,
fundamental en bases cementadas, se hace con probetas de esbeltez igual a 2 y tiene la
particularidad de ser un amplio uso ya que podemos con ellas evaluar el ciclo de durabilidad.
El ensayo de resistencia se realiza se realiza a la fecha consignada de la edad de la probeta, a la que
se mantiene en condiciones de temperatura y humedad hasta cumplir su edad de ensayo, se la
somete a la acción de una fuerza axial de compresión hasta la rotura final, midiéndose la carga final.
Los valores de resistencia se evaluaron a 7, 14 y 28 días, siendo esta última edad a la que se
espera desarrolle la resistencia final aportada por la acción del cemento en la mezcla.
Mezcla 1:
45 % Suelo Seleccionado + 55 % Arenas de Fundición (50 % I + 50 % II)
Referencias:
M1: 45 % Suelo Seleccionado + 55 % Arenas de Fundición (50 % I + 50 % II)
M1-6: 45 % Suelo Seleccionado + 55 % Arenas de Fundición (50 % I + 50 % II) + 6 % Cemento
205
M1-8: 45 % Suelo Seleccionado + 55 % Arenas de Fundición (50 % I + 50 % II) + 8 % Cemento
MEZCLA 1 - Suelo Arena Cemento
35
30
Resistencia (Kg/cm2)
25
20
15
10
5
0
7
14
28
Edad (Días)
M1
M1-6
M1-8
Mezcla 2:
45 % Suelo Seleccionado + 55 % Arenas de Granalladora (III)
Referencias:
M2: 45 % Suelo Seleccionado + 55 % Arenas de Granalladora (III)
M2-6: 45 % Suelo Seleccionado + 55 % Arenas de Granalladora (III) + 6 % Cemento
M2-8: 45 % Suelo Seleccionado + 55 % Arenas de Granalladora (III) + 8 % Cemento
206
MEZCLA 2 - SUELO ARENA CEMENTO
35
30
Resistencia (Kg/cm2)
25
20
15
10
5
0
7
14
28
Edad (Días)
M2
M2-6
M2-8
Figura 4: Ensayo de Resistencia Inconfinada
4.3.4 Durabilidad por ciclos de humedecimiento y secado
Norma VN-E21
El porcentaje mínimo de cemento fue diseñado mediante está técnica. No se considera el
ciclo de durabilidad de congelamiento y deshielo por considerar que el primero es lo
suficientemente severo.
Este ensayo se comienza a los siete días de moldeadas las probetas, curadas en cámara
húmeda durante este lapso, seguidamente se realiza una inmersión en agua a temperatura ambiente
durante un tiempo de 5 hs., luego pasan a estufa a 71 ºC durante 42 hs., se realiza sobre dos
probetas, midiendo en una su estabilidad volumétrica y la otra probeta es sometida a una acción de
desgaste con un cepillo con alambres de acero normalizado al igual que el procedimiento de
207
cepillado. En cada cambio de estado se pesan y se miden las probetas. Se realiza un total de 12
ciclos como los descriptos.
En el caso particular, y dado que la normativa establece límite máximos de pérdida
acumulada en función de la clasificación del tipo suelo durante los 12 ciclos que plantea, se
determinó su clasificación en primera instancia, siendo esta del tipo A-2, y luego se evaluó la
pérdida, que la norma fija para este tipo de suelos en un máximo del 10%, obteniéndose los
resultados representados en el gráfico siguiente:
DURABILIDAD
12
Pérdida Acumulada (%)
10
8
6
4
2
0
M1-6
M1-8
M2-6
Mezclas 1 y 2 Suelo Arena Cemento
Figura 5: Ensayo de Durabilidad en Inmersión.
208
M2-8
4.3.5 Absorción por Capilaridad
Se realiza sobre probetas cilíndricas de diámetro (D = 5 cm.) y altura (H = 10 cm.), como las
moldeadas para medir resistencias. La medición de absorción se realiza a las fechas de 1, 3 y 7 días
de edad de la probeta, mediante pesadas consecutivas, se mantiene la probetas en condiciones de
temperatura y humedad hasta cumplir su edad de ensayo. Las mismas son curadas en cámara
hermética, de tal forma de mantener las condiciones de humedad, sobre una mezcla de suelo
seleccionado y arena silícea saturada en agua, a la que se le coloca en su superficie un papel
absorbente que sirve de asiento de la probeta a la que se la coloca en contacto por su base, dado que
lateralmente se encuentran confinadas. La absorción medida en este caso es a partir de la humedad
óptima de la mezcla suelo arena cemento hallada en el ensayo Proctor.
Absorción SAC
20
18
16
Absorción (%)
14
12
10
8
6
4
2
0
M1
M1-6
M1-8
M2
M2-6
M2-8
Mezclas 1 y 2 Suelo Arena Cemento
Figura 6: Ensayo de Absorción.
209
4.3.6 Lixiviados
Determinaciones realizadas bajo la normativa ya descripta, tomando las probetas de Rci
ensayadas a los 7 días y disgregadas en su totalidad de tal forma que pase el Tamiz de 3/8 . Las
probetas analizadas son con un contenido de 8% de cemento por las razones que se exponen en las
conclusiones.
Analito(mg/l)
Cd
Cr
Ni
Pb
Cu
Zn
Muestra 1
<0,02
<0,1
<0,1
<0,2
0,18
0,44
Muestra 2
0,02
3,1
0,63
0,54
2,4
4,1
Los valores de lixiviado han tenido, en forma general, una disminución, tomando como
comparativos los hallados para las muestras originales de las arenas de fundición.
4.3.7 Conclusiones sobre SAC
En función de los valores hallados en las distintas determinaciones realizadas a ambas mezclas,
se concluyó en que el porcentaje del 8 % de cemento es el mas apto para este tipo de mezclas, bajo
las condiciones expresadas en este trabajo de origen y tipo de material, procedimientos y uso, y
tomando el contexto general de trabajabilidad, cohesión y respuesta estructural, desde el punto de
vista resistente y de durabilidad, y considerando el haber conformado una matriz en donde la
migración de los componentes peligrosos queda restringida con una menor densidad de distribución
de estos componentes dispersos en un medio que los contenga.
4.4 Suelo-Arena-Emulsión:
Se define como Suelo Arena Emulsión (SAE) al sistema compuesto por una mezcla artificial,
en proporciones adecuadas de suelo medianamente plástico y arenas naturales que ofrezcan un
sistema con determinadas propiedades fricciónales y cohesivas, estabilizado con emulsión asfáltica
y cohesivas, estabilizado con emulsión asfáltica lenta aniónica o catiónica.
El sistema suelo-arena carece totalmente de cohesión y su estabilidad esta dada exclusivamente
por el valor friccional que desarrollan sus partículas según distintos contenidos de humedad. En este
caso, la misión principal de la emulsión asfáltica es conferirle la cohesión viscosa necesaria para dar
efectividad a ese valor friccional al estado seco o de escasa humedad.
Cuando se tiene un suelo cohesivo puro, el problema es totalmente diferente. Una arcilla seca
desarrolla altos valores de cohesión no viscosa, la cual se pierde en presencia del agua. En
consecuencia, el elemento cohesivo, en este caso es la arcilla, y la función principal del betún
asfáltico no es precisamente la de aportar cohesión sino la de proteger las partículas de arcilla de la
acción de la humedad. En otros términos, actúa confiriéndole propiedades hidrófugas cubriendo las
partículas de arcilla con una muy fina película bituminosa fuertemente adherida y bloqueando o
taponando capilares a fin de impedir el acceso del agua. Estos son los casos extremos que se puedan
presentar con cada material tratado individualmente.
En los casos intermedios, la preponderancia del valor friccional o cohesivo, sin el betún como
estabilizante, dependerá de la relación volumétrica y características de sus componentes. En estos
casos la emulsión asfáltica contribuirá a conservar la cohesión desarrollada por el suelo mediante su
210
impermeabilización y aportar a la vez su propia cohesión viscosa al conjunto. En estas condiciones
el sistema incrementará notablemente su capacidad portante.
Las mezclas suelo arena emulsión debidamente dosificadas y construidas presentan, entre otras
cualidades, una adecuada resistencia estructural y a la acción del agua. Estas propiedades progresan
con el transcurso del tiempo y alcanzan sus valores definitivos cuando la mezcla completa su
proceso de curado, es decir, cuando ha perdido la totalidad del agua de preparación (agua de
humectación, mas la aportada por la emulsión).
En favor de las emulsiones asfálticas podemos decir que existen muchas ventajas que justifican su
utilización. Entre otras razones, porque se logra uniformidad de mezclado con mayor facilidad,
debido a que la emulsión, por su misma naturaleza, aporta asfalto dispersado en forma de glóbulos
microscópicos, además se trata de un ligante que desarrolla mas rápidamente sus propiedades
cohesivas, ya que, en mezclas compactadas, solo debe evaporarse agua, mientras que con el diluido,
se debe eliminar agua y solvente.
En nuestro país, las estabilizaciones con asfaltos diluidos, por esas y otras razones, están
prácticamente en desuso. En cambio, han sido ampliamente utilizadas las emulsiones aniónicas
superestables y catiónicas superestables.
En toda estabilización bituminosa, mezcla última de suelo, agua y asfalto, ésta forma una
película continua que recubre las partículas, confiriendo a la mezcla características de resistencia a
la acción del agua y el aumento de cohesión, es decir, resistencia estructural.
Toda estabilización tiene por objeto mejorar las características resistentes de un suelo para su uso en
construcción de caminos, en bases o subbases de pavimentos flexibles.
Surge de inmediato el aprovechamiento de suelos locales en las zonas carentes de agregados pétreos
gruesos, es decir, que la estabilización o mezclas de suelo-arena con emulsión bituminosa, desde el
punto de vista económico, puede reemplazar a los estabilizados granulares, con las ventaja de
proveer impermeabilidad, la cual se suma al hecho de cumplir con los mínimos especificados de
VSR para bases y subbases.
Las posibilidades de estabilización de un suelo con emulsión asfáltica dependen,
fundamentalmente, de la composición granulométrica y características físicas y químicas del suelo a
tratar.
Para comprender mejor la función que cumple cada componente en un sistema a estabilizar,
conviene distinguir, en primer término, los dos casos extremos y luego los diferentes casos
intermedios a que las infinitas combinaciones que los mismos puedan dar lugar.
El trabajo trata de establecer, en comparación con las determinaciones y modos habituales, el
porcentaje óptimo de emulsión en mezclas de suelo-arena-emulsión.
Se comienza por caracterizar los tres componentes del sistema suelo, arena y emulsión. Se realiza
una selección de los materiales a utilizar.
Se elige un criterio para la dosificación de áridos, con el cual se llegan a establecer dos
dosificaciones posibles. Luego se caracterizan las mezclas.
Se realiza una serie de ensayos que determinarán la aptitud portante de las mismas.
Un vez definidas todas estas variables se comienza a trabajar con la incorporación de
emulsión. Con estas mezclas se moldean probetas del tipo de los ensayos de resistencia a
compresión simple. El moldeo se realiza en forma estática a doble pistón, manteniendo constante la
energía de compactación medida en cada moldeo.
Para el caso particular en ambos tipos de mezclas se adoptaron los siguientes porcentajes de
adición de emulsión: 6; 8; 10 y 12 %. Estos porcentajes están referidos al peso seco de la mezcla.
Emulsión Asfáltica
Para este tipo de mezcla se decidió utilizar una emulsión superestable de rotura lenta,
determinándose el tiempo de rotura para cada mezcla y contenido de emulsión en ella, dependiendo
211
de este tiempo el momento para proceder a los distintos moldeos. Se presentan los valores
obtenidos sobre los ensayos mas representativos realizados para caracterizar a la emulsión asfáltica:
Contenido de Asfalto = 58.5%
Penetración = 46 mm
Punto de Ablandamiento = 55ºC
Se procede a destilar la emulsión y de allí obtener el contenido de asfalto residual, sobre éste
se realizan las determinaciones de Penetración y Punto de Ablandamiento.
4.4.1 Resistencia Inconfinada
La metodología adoptada para valorar la resistencia consistió en, luego de moldearlas con el
procedimiento descripto anteriormente, someterlas a curado en cámara húmeda para lograr
uniformidad, luego las probetas fueron curadas al aire en condiciones de temperatura y humedad de
Laboratorio durante un período de 7 días. Para valorar la acción de la emulsión asfáltica se realizó
un moldeo de la mezcla sin aditivar , tomando al valor hallado como comparativo.
Se presentan los valores hallados para ambas mezclas en función del contenido de emulsión
asfáltica en forma porcentual.
Referencias:
M E1: 45 % Suelo Seleccionado + 55 % Arenas de Fundición (50 % I + 50 % II)
M E2: 45 % Suelo Seleccionado + 55 % Arenas de Granalladora (III)
MEZCLA SUELO ARENA EMULSIÓN
20
18
16
Resistencia (Kg/cm2)
14
12
10
8
6
4
2
0
0
6
8
10
% Emulsión
ME1
212
ME2
12
Figura 7: Probeta con emulsión (Izq) y sin
emulsión(Der.)
4.4.2 Absorción por Capilaridad
Se determina sobre probetas cilíndricas manteniendo las condiciones de moldeo planteadas
para las moldeadas para resistencia al igual que las condiciones de curado en cámara húmeda.
Luego se procedió a un curado en estufa con convección mecánica a una temperatura de 60 ºC,
hasta peso constante, logrado éste en un tiempo aproximado de 24 hs. Luego se colocan en la
cámara descripta para lo realizado con SAC, con la salvedad de que les fue colocado un film
impermeable que cubría su lateral y la parte superior, dado que por la naturaleza de la mezcla no es
posible realizar el moldeo confinando sus laterales como en el caso anterior, con el objetivo de que
no se produzcan pérdidas o ganancias de humedad en estas superficies, limitando la misma a que se
realice a través de su base y de esta forma determinar la absorción por capilaridad medida por
diferencia de pesos. Su valoración se realizó a una edad de 7 días y tomando como comparativo el
valor de la mezcla sin emulsión.
213
Absorción SAE - M1
20
18
16
Absorción (%)
14
12
10
8
6
4
2
0
M1
M1 + 6%
M1 + 8%
M1 + 10%
M1 + 12%
M2 + 10%
M2 + 12%
Mezcla 1 Suelo Arena Emulsión
Absorción SAE - M2
20
18
16
Absorción (%)
14
12
10
8
6
4
2
0
M1
M2 + 6%
M2 + 8%
Mezcla 2 Suelo Arena Emulsión
214
Figura 8: Ensayo de Absorción por capilaridad.
4.4.3 Lixiviados
Bajo las mismas condiciones de normativa que las probetas de Rci , ensayadas a los 7 días y
disgregadas en su totalidad de tal forma que pase el Tamiz de 3/8 . Las probetas analizadas
corresponden a un porcentaje de adición de emulsión asfáltica de10 % para la Mezcla 1 y del 8 %
para la Mezcla 2.
Analito(mg/l)
Cd
Cr
Ni
Pb
Cu
Zn
Muestra 1
<0,02
<0,1
<0,1
<0,2
0,17
0,41
Muestra 2
<0,02
3,0
0,59
0,55
2,3
4,3
Al igual que para la mezcla de SAC los valores de lixiviado han tenido, en forma general,
una disminución, y con valores relativamente parecidos entre sí.
4.4.4 Conclusiones SAE
Para la Mezcla 1 se aprecia un mejor rendimiento con el porcentaje del 10 % de adición de
emulsión asfáltica, tomando la conjunción dada entre la impermeabilidad que le brinda y el
aumento de resistencia que adquiere.
Bajo esta misma premisa se observa que el porcentaje de 8% de emulsión asfáltica es el que
provoca un mejor rendimiento para la Mezcal 2.
Se toma como válido lo expresado como consideraciones para las muestras de Suelo Arena
Cemento en el presente trabajo.
215
Bibliografìa
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D.S. Prevención de la contaminación en los talleres de fundición. Ed. Mc Graw-Hill. 1998.
Nieto López Guerrero, Pedro; Incidencia de las actividades industriales sobre la calidad de
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Novais de Oliveira, Therezinha Maria; Ribero da Costa, Rejena Elena. Areias de fundiçâo:
uma questâo ambiental. Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental. UFSC. Campus
Universitário. Trindade. Florianópolis. Brasil.
Sala, José M.; Recursos Hídricos (Especial Mención de las aguas subterráneas); Ralatorio,
Geología de la Provincia de Buenos Aires; VI Congreso Geología Argentina 21-27 de
septiembre de 1975 en Bahía Blanca.
216
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