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Shear Strength Enhancement and Optimum Dosage Prediction of Fly Ash–Stabilized Cohesive and Cohesionless Soils

Este estudio demuestra que la incorporación de un 12% de ceniza volante mejora óptimamente la resistencia al corte de suelos cohesivos y cohesión no cohesivos mediante mecanismos distintos de densificación y cementación puzolánica, mientras que un modelo de regresión cuadrática propuesto predice eficazmente esta dosis óptima para aplicaciones geotécnicas sostenibles.

Autores originales: MD. MOIN Akon, Khan MD Mohaiminul Islam Sho, Asif Alam Chowdhury, Swarnali Ahmed

Publicado 2026-07-06

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CC BY 4.0

Autores originales: MD. MOIN Akon, Khan MD Mohaiminul Islam Sho, Asif Alam Chowdhury, Swarnali Ahmed

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que estás intentando construir una casa robusta, pero el suelo bajo tus pies es o demasiado suelto y arenoso (como una playa) o demasiado pegajoso y lodoso (como la arcilla húmeda). En ambos casos, el suelo es demasiado débil para soportar estructuras pesadas. Tradicionalmente, los ingenieros solucionan esto mezclando cemento o cal, pero estos materiales son costosos y dejan una gran huella de carbono en el medio ambiente.

Este artículo explora una alternativa inteligente y ecológica: el uso de Ceniza Volante (Fly Ash).

¿Qué es la Ceniza Volante?

Piensa en la Ceniza Volante como el "polvo" que queda después de quemar carbón para generar electricidad. En Bangladesh, una planta de energía llamada Barapukria genera unos 52,000 toneladas de este polvo cada año. Normalmente, este polvo se deposita en grandes estanques, lo que ocupa terreno y puede ser malo para el medio ambiente. Los investigadores se preguntaron: ¿Podemos convertir este problema de residuos en una solución para suelos débiles?

El Experimento: Mezclando la "Receta"

El equipo tomó dos tipos de suelo muy diferentes de Bangladesh:

Suelo Arenoso: Como la arena seca de la playa. No se pega entre sí; simplemente se desliza y se separa.
Suelo Arcilloso: Como el lodo húmedo. Se pega, pero es suave y esponjoso.

Mezclaron estos suelos con Ceniza Volante en tres cantidades distintas: 8.5%, 12% y 15%. Luego esperaron 28 días (dejando que la mezcla "descanse" o cure) y probaron qué tan fuerte se volvió el suelo intentando cortarlo (cizallamiento) o aplastarlo.

Los Resultados: Encontrando la Zona "Goldilocks"

Los investigadores descubrieron que añadir Ceniza Volante no es una situación de "mientras más, mejor". Es más como hornear un pastel: si añades poca harina, el pastel se desmorona; si añades demasiada, se convierte en un ladrillo denso y pesado. Necesitas la cantidad perfecta.

1. Para el Suelo Arenoso (El Problema de la "Arena Suelta")

El Objetivo: Hacer que los granos sueltos se traben con más fuerza.
El Resultado: Con un 12% de Ceniza Volante, la arena se volvió un 27% más fuerte.
La Analogía: Imagina una caja de canicas (granos de arena). Si solo sacudes la caja, las canicas ruedan libremente. Si espolvoreas un poco de arena fina (Cenza Volante), esta llena los pequeños huecos entre las canicas, empaquetándolas más apretadas para que no puedan moverse tan fácilmente. Esto se llama "llenado de vacíos".
¿Qué pasó al 15%? Se debilitó ligeramente. ¿Por qué? Porque había demasiado polvo fino. Empezó a actuar como un lubricante, separando los granos de arena en lugar de ayudar a que se trabaran.

2. Para el Suelo Arcilloso (El Problema del "Lodo Pegajoso")

El Objetivo: Hacer que el lodo pegajoso sea más duro y menos esponjoso.
El Resultado: Con un 12% de Ceniza Volante, la arcilla se volvió un 34% más fuerte.
La Analogía: Piensa en la arcilla como una esponja húmeda. Añadir Ceniza Volante es como añadir un ingrediente especial que ayuda a que la esponja se seque y se endurezca un poco, haciéndola más rígida. Esto sucede debido a una reacción química (llamada reacción puzolánica) donde la ceniza y el suelo se unen.
El Problema: Al 15%, los resultados fueron desordenados. Algunas muestras eran muy fuertes, otras eran débiles. Los investigadores se dieron cuenta de que, con esta cantidad tan alta, era muy difícil mezclar la ceniza de manera uniforme en la arcilla pegajosa. Era como intentar mezclar chispas de chocolate en una masa espesa con las manos: terminas con bolsas de demasiado chocolate y bolsas de nada.

La "Bola de Cristal" Matemática

Los investigadores utilizaron una fórmula matemática (un modelo de regresión cuadrática) para predecir la cantidad perfecta.

Probaron con 8.5%, 12% y 15%.
Las matemáticas sugirieron que el pico absoluto de resistencia podría ocurrir en algún lugar entre el 13% y el 14%, un poco más alto que su mejor cantidad probada del 12%.
Nota Importante: El artículo advierte que estas matemáticas son solo un cálculo aproximado basado en datos limitados. Es como dibujar una curva suave a través de solo cuatro puntos; necesitas más puntos para estar seguro de que la curva es correcta.

La Gran Conclusión

Este estudio demuestra que el 12% de Ceniza Volante es el "punto ideal" para fortalecer tanto los suelos arenosos como los arcillosos de Bangladesh.

Para la Arena: Funciona empaquetando físicamente los granos con más fuerza.
Para la Arcilla: Funciona endureciendo ligeramente las uniones entre las partículas.

Al usar este producto de desecho, los ingenieros pueden construir carreteras y cimientos más fuertes sin usar cemento costoso, al mismo tiempo que limpian las enormes pilas de ceniza volante que actualmente yacen en los estanques.

Lo que el Artículo No Dice

No afirma que esto funcionará para cada tipo de suelo en el mundo, solo para la arena y la arcilla específicas que probaron.
No dice que este suelo esté listo para su uso inmediato en la construcción real sin más pruebas. El estudio se realizó en un laboratorio, y los autores admiten que necesitan probarlo en el campo y durante períodos más largos para estar seguros de su durabilidad.
No observaron el nivel microscópico (usando microscopios) para ver exactamente cómo se unían las partículas; solo midieron la resistencia y supusieron el mecanismo basándose en lo que observaron.

En resumen: La Ceniza Volante es una herramienta útil, gratuita y ecológica para fortalecer el suelo débil, pero hay que mezclarla en la cantidad exacta (alrededor del 12%) para obtener los mejores resultados.

Resumen Técnico: Mejora de la Resistencia al Esfuerzo Cortante y Predicción de la Dosificación Óptima de Suelos Cohesivos y Cohesión no Cohesivos Estabilizados con Ceniza Volante

Planteamiento del Problema
El estudio aborda el doble desafío de gestionar los desechos industriales y mejorar el rendimiento geotécnico en Bangladesh. La ceniza volante, un subproducto de las centrales termoeléctricas de carbón, presenta problemas significativos de eliminación ambiental, con la planta térmica de Barapukuria generando aproximadamente 52,000 toneladas métricas anuales por sí sola. Concurrentemente, los suelos locales suelen exhibir propiedades de ingeniería deficientes, tales como baja resistencia al esfuerzo cortante y alta compresibilidad. Si bien los estabilizadores convencionales como el cemento y la cal son efectivos, conllevan altos costos y una huella de carbono significativa. La investigación busca determinar si la ceniza volante Clase F de la planta de Barapukuria puede servir como una alternativa sostenible y de bajo costo para estabilizar tanto suelos cohesivos (arcilla) como cohesión no cohesivos (arena), identificando específicamente la dosificación óptima para la máxima ganancia de resistencia.

Metodología
La investigación empleó un enfoque experimental comparativo utilizando dos tipos de suelo distintos recolectados en Bangladesh:

Suelo Cohesión no Cohesivo: Arena mal graduada (SP) de Gabtoli, Dhaka.
Suelo Cohesivo: Arcilla de plasticidad intermedia (CI) de Matidali, Bogra.
Estabilizador: Ceniza volante Clase F (92.9% SiO₂ + Al₂O₃ + Fe₂O₃; 0.56% CaO) de la planta de Barapukuria.

Las muestras de suelo se mezclaron con ceniza volante en dosis del 0% (control), 8.5%, 12% y 15% por peso seco. Los especímenes fueron compactados en la Humedad Óptima de Compactación (OMC) y curados durante 28 días a 25 ± 2 °C.

Suelo Arenoso: Evaluado mediante el Ensayo de Corte Directo (ASTM D3080) a tres niveles de esfuerzo normal para determinar el ángulo de fricción interna ( $\phi$ ).
Suelo Arcilloso: Evaluado mediante el Ensayo de Compresión Simple (ASTM D2166) para determinar la resistencia al corte no drenada ( $C_u$ ).

El estudio utilizó modelos de regresión cuadrática para analizar la relación no lineal entre la dosificación de ceniza volante y los parámetros de resistencia al corte.

Resultes Clave
El estudio observó un patrón distintivo de "ascenso–pico–descenso" en la mejora de la resistencia para ambos tipos de suelo, lo que indica una dosificación óptima en lugar de una relación lineal.

Suelo Cohesión no Cohesivo (Arenoso):
- Dosificación del 8.5%: Sin cambios significativos en la resistencia al corte; el ángulo de fricción se mantuvo en 29°, idéntico al suelo sin tratar.
- Dosificación del 12%: Se alcanzó el máximo rendimiento. El ángulo de fricción aumentó de 29° a 37°, lo que representa una mejora del 27.6%.
- Dosificación del 15%: Ocurrió un ligero descenso, con el ángulo de fricción cayendo a 36°.
- Mecanismo: La mejora al 12% se atribuye a mecanismos físicos: llenado de vacíos, empaquetamiento de partículas más denso e incremento de la rugosidad superficial/trabazón. El exceso de finos al 15% comenzó a interrumpir el contacto directo grano a grano.
Suelo Cohesivo (Arcilloso):
- Dosificación del 8.5%: La resistencia al corte no drenada ( $C_u$ ) aumentó de 79.63 kN/m² a 97.60 kN/m² (~22.6% de mejora).
- Dosificación del 12%: Se alcanzó el máximo rendimiento con una $C_u$ promedio de 106.36 kN/m², una mejora del 33.6% respecto al suelo sin tratar. Los especímenes mostraron una consistencia "Firme" constante.
- Dosificación del 15%: Los resultados mostraron una dispersión significativa (Coeficiente de Variación ≈ 39%), con un espécimen cayendo por debajo de la resistencia sin tratar y otro mostrando un aumento masivo. El promedio (94.24 kN/m²) fue inferior al de la dosificación del 12%.
- Mecanismo: Las mejoras se atribuyen a la reducción de la plasticidad, mejor compactación y una actividad puzolánica inicial limitada. Sin embargo, los autores señalan que el muy bajo contenido de CaO (0.56%) de la ceniza volante Clase F limita la cementación química extensiva bajo curado ambiental. La alta variabilidad al 15% se atribuyó a las dificultades para lograr una mezcla uniforme de las partículas finas en la matriz de arcilla.

Contribuciones Clave

Análisis Comparativo: El estudio proporciona una comparación experimental directa de la estabilización con ceniza volante en suelos tanto cohesivos como cohesión no cohesivos bajo condiciones de laboratorio idénticas, un vacío identificado en la literatura existente.
Identificación de la Dosificación Óptima: Establece el 12% como la dosificación óptima de ceniza volante para maximizar la resistencia al corte en ambos tipos de suelo bajo las condiciones probadas.
Modelado Predictivo: Los autores desarrollaron modelos de regresión cuadrática para describir la relación no lineal resistencia-dosificación. La diferenciación de estos modelos sugiere un pico de resistencia teórico en aproximadamente 14.1% para arena y 14.4% para arcilla, lo que sugiere que pruebas futuras en el rango de 13–14% podrían arrojar resultados marginalmente superiores.
Contexto Local: La investigación caracteriza la ceniza volante Clase F específica de la única planta de energía a carbón de Bangladesh, proporcionando datos relevantes para la práctica geotécnica local.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que el uso de la ceniza volante de Barapukuria ofrece un marco práctico para la ingeniería geotécnica sostenible en Bangladesh. Al desviar la cenica volante de los depósitos de ceniza, este método aborda los desafíos de eliminación ambiental mientras mejora simultáneamente la capacidad de carga y reduce la susceptibilidad a la deformación de los subrasantes y terraplenes.

Los autores enmarcan modestamente sus hallazgos como una "herramienta de diseño preliminar" y un ejercicio de "ajuste de tendencias empíricas" en lugar de un estándar universal validado. Reconocen explícitamente las limitaciones, incluyendo la falta de análisis microestructural (SEM/XRD) para verificar directamente los mecanismos, el uso de solo dos especímenes por condición (lo que genera incertidumbre estadística en las dosis más altas) y la ausencia de validación de durabilidad a largo plazo o a escala de campo. En consecuencia, el estudio concluye que, si bien el 12% de ceniza volante es altamente efectivo para la ganancia inmediata de resistencia, la investigación futura debe incorporar caracterización microestructural, conjuntos de especímenes más grandes y pruebas de campo a largo plazo para validar plenamente el enfoque para el diseño de ingeniería.