Evaluación de los parámetros de resistencia al corte de un material granular a partir de la inclusión de escorias negras de horno de arco eléctrico

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Resumen

The present research aims to determine the influence of the physical characteristics of a granular material on its mechanical behavior. For this purpose, two materials were chosen: a non-plastic granular base MP and electric arc furnace black slag ENHAE. Based on physical characterization tests, Cu, Gs, emáx., and ρd. results were obtained for each material and their combinations, determining how the strength parameters are affected by the direct shear test under drained conditions. The experimental setup consists of fifteen (15) tests on standard samples and their respective inclusions, applying confinement stresses of 50 kPa, 100 kPa, and 200 kPa, with a cutting speed of 0.03 mm/min. Thus, a direct relationship was determined between the physical values of relative density (ρr) and the parameters of maximum shear strength (τ máx.), friction angle (φ´), and cohesion (C). To meet the objectives, the two materials were molded in their natural state in the laboratory; the first titled as the standard sample (MP) corresponds to a non-plastic granular material, the second being Electric Arc Furnace Black Slag (ENHAE) used as an addition. With the previously characterized materials, three mixes named MA, MB, and MC were prepared, replacing the granular material (MP) with ENHAE in proportions of 40%, 50%, and 60% of the retained weight in each sieve from No. 4 to pass 200. Both MP and ENHAE are well-graded non-plastic sands, type (SW) according to the USCS soil classification. The material for the standard sample (MP) was obtained from the Dromos Pavimentos S.A. quarry, located in the Los Puentes neighborhood in the municipality of Mosquera Cundinamarca, while ENHAE comes from the National Steel Company "Sidenal" located in the city of Sogamoso Boyacá. The base materials (MP and ENHAE) and their mixes (MA, MB, and MC) are compacted granular materials under optimal moisture, whose mechanical behavior depends on the fabric, characterized by the distribution of pore size PSD (Pore Size Distribution) and its suction component, which corresponds to a primary stress state variable to determine the stress-strain characteristics of a soil. Through the theory of partially saturated soils developed by (Bishop, 1959), (Fredlund, Rahardjo, & Fredlund, 2012), which relates matric suction and water content in the soil defined by the Soil Water Characteristic Curve (SWCC), the influence was determined to obtain the friction angle (φ'), cohesion (C), and dilatancy (φ) as resistance parameters. The samples of MP, ENHAE, and their mixes MA, MB, and MC were molded under the compaction energy of the Modified Proctor Test Method "A" (INV. E 142-13), aiming to determine the relationship between optimal moisture and maximum dry density. Additionally, tests were conducted using filter papers (INV. E-159-13) to determine the matric suction potential of partially saturated soil and obtain SWCC curves to establish stresses present in the soil mass. The results reveal that low air entry values "AEV" in the soil mass reduce the contribution of matric suction to shear strength parameters, friction angle (Φ'), and cohesion (C). Therefore, shear strength develops at the level of interparticle contacts generated during compaction under optimal moisture content and maximum density.

Descripción

El presente trabajo de investigación plantea determinar la influencia de las características físicas de un material granular en su comportamiento mecánico. Para tal fin, se escogieron dos materiales, una base granular MP, no plástica y escoria negra de horno de arco eléctrico ENHAE, tomando como base los ensayos de caracterización física, se obtuvieron para cada material y sus combinaciones resultados de Cu, Gs, emáx., y ρd., determinando cómo se afectan los parámetros de resistencia, producto del ensayo de corte directo en condición drenada. La propuesta experimental consta de quince (15) ensayos a las muestras patrón y sus respectivas inclusiones aplicando esfuerzos de confinamiento de 50 kPa, 100 kPa y 200 kPa y una velocidad de corte de 0.03 mm/min. De esta manera, se determinó la relación directa entre los valores físicos de la densidad relativa (ρr) y los parámetros de resistencia al corte máximo (τ máx.), de ángulo de fricción (φ´), y de cohesión (C). Para cumplir con los objeticos se moldearon en el laboratorio los dos materiales en estado natural; el primero titulado como muestra patrón (MP) que corresponde a un material granular no plástico, el segundo Escoria Negra de Horno Eléctrico (ENHAE) usada como adición. Con los materiales previamente caracterizados se elaboraron tres mezclas denominadas MA, MB, y MC, remplazando el material granular (MP) por ENHAE en proporciones de 40%, 50% y 60% del peso retenido en cada uno de los tamices a partir del No. 4 hasta el pasa 200. La MP y la ENHAE son arenas bien gradadas no plásticas, tipo (SW) según la clasificación de suelos de la USC. El material para la muestra patrón (MP) fue obtenida de la cantera Dromos Pavimentos S.A., ubicada en la vereda Los Puentes en el municipio de Mosquera Cundinamarca, la ENHAE proviene de la Siderúrgica Nacional “Sidenal” ubicada en la ciudad de Sogamoso Boyacá. Los materiales base (MP y ENHAE) y sus mezclas (MA, MB y MC) son materiales granulares compactados bajo humedad optima, cuyo comportamiento mecánico depende de la fábrica, caracterizada por la distribución del tamaño de los poros PSD (Pores Size Distribution) y de su componente de succión que corresponde a una variable de estado de esfuerzos primordial para determinar las características esfuerzo – deformación de un suelo. A través de la teoría de los suelos parcialmente saturados desarrollada por (Bishop, 1959), (Fredlund, Rahardjo, & Fredlund, 2012), la cual relaciona la succión matricial y el contenido de agua en el suelo definida mediante la Curva Característica suelo – Agua SWCC (Soil Water Characteristic Curve), se determinó su influencia al obtener el ángulo de fricción (’), la cohesión (C) y la dilatancia (φ) como parámetros de resistencia. Las muestras de MP, ENHAE y sus mezclas MA, MB y MC se moldearon bajo la energía de compactación del ensayo Proctor Modificado Método “A” (INV. E 142-13). Cuyo fin es determinar la relación entre la humedad optima y la densidad máxima seca. Adicionalmente, se realizaron ensayos usando papeles filtro (INV. E-159-13), para determinar el potencial de succión matricial del suelo parcialmente saturado y obtener las curvas SWCC para establecer los esfuerzos presentes en la masa de suelo. Los resultados alcanzados revelan que los bajos valores de entrada de aire “AEV” (Air Entry Valué) en la masa de suelo, reducen el aporte de la succión matricial a los parámetros de resistencia al corte, ángulo de fricción (Φ’) y cohesión (C), por tanto, la resistencia al corte se desarrolla a nivel de los contactos interparticulares generados durante la compactación bajo contenido de humedad optima y densidad máxima

Palabras clave

Material granular, Escoria negra de horno de arco eléctrico ENHAE, Granulometría, Gravedad especifica, Densidad relativa, Ángulo de fricción interna, Cohesión

Materias

Maestría en Ingeniería Civil -- Tesis y disertaciones académicas , Resistencia al corte en materiales granulares , Características físicas y comportamiento mecánico , Ensayo de corte directo , Ángulo de fricción y cohesión

Citación