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Influence of clay minerals in the stabilization of low plasticity soils
with alkali-activated cements
Presentation · October 2022
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Camilo Diaz Garcia
National University of Colombia
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Francisco Dario Cabrera Poloche
National University of Colombia
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1Investigador Junior – Mg. Materiales y procesos, 2Investigador Junior – BSc. Ingeniería de Minas y Metalurgia, 
3Profesor Titular con tenencia de cargo - PhD. Ciencia y Tecnología de Materiales,
4Profesor Asistente - PhD. Ciencia y Tecnología de Materiales
Influencia de los minerales arcillosos en la estabilización de suelos 
de baja plasticidad con cementos activados alcalinamente
Andrés Camilo Díaz García1, Francisco Darío Cabrera Poloche 2, Jorge Iván Tobón3, Ary Alain Hoyos4
Grupo de Investigación del Cemento y Materiales de Construcción (CEMATCO). 
Departamento de Materiales y Minerales. Facultad de Minas. 
Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín.
1. Introducción
2. Suelo como material de construcción
3. Materiales cementantes en suelos estabilizados
4. Información general del proyecto
5. Caracterización de materias primas
6. Conclusiones
2
Figura 1. Análisis de ciclo de vida en materiales de construcción. Huang et al. (2020).
3
1. Introducción – Transición hacia la Sostenibilidad
Figura 2. Distribución global de los 
minerales arcillosos más abundantes en la 
capa superior del suelo (arriba) y el 
subsuelo (abajo). RILEM TC282 – CCL (2022)
4
Es
ta
b
ili
za
ci
ó
n
 d
e 
su
el
o
s
Física Adición o sustracción de partículas arenosas o arcillosas
Química
Reducción de la vulnerabilidad ante 
agentes externos y mejorar la 
cohesividad entre partículas
Mecánica
Compactación, vibración, 
vibro-compactación, 
pre-consolidación, etc
Figura 3. Tipos de estabilización de suelos. Archibong, G.A., et al. (2020) 
2. Suelo como material de construcción
5
Figura 5. Consumo de cal en suelos arcillosos a corto y largo plazo. 
Al-Mukhtar, M, et al (2014)
Figura 4. Cinética de la hidratación de un cemento portland 
ordinario. Lea´s Chemistry of Cement and Concrete (2019)
3. Materiales cementantes en suelos estabilizados
6
Comportamiento de formación de fases en la activación alcalina de mezclas de arcilla. Marsh, A, et al. (2019); Walker, P, et al (2019) 
Mineral Fase producto 
asociada a mineral 
Caolinita Hidrosodalita
Montmorillonita Gel NASH
Illita Illita alterada
Figura 6. Fases producto asociadas a principales minerales de las arcillas
Figura 8. Diagrama ternario de Fases producto asociadas a principales minerales de las arcillas (izq.) y formación de geopolímeros (der.)
Figura 7. Dominancia en reactividad y fase producto en las diferentes mezclas de arcillas
Mezclas de arcillas Dominante en reactividad Dominante en fase producto
Kao – Mont Montmorillonita Caolinita
Mont – ILL No fue posible comparar
reactividad 
Montmorillonita
ILL – Kao Caolinita Caolinita
Kao – Mont – ILL Confirma tendencias
7
Figura 9. Distribución de compuestos en matrices de suelo estabilizado con 
cemento y cal. Lemaire, K, et al (2013)
• Formación de geles superficiales 
• Aglutinantes reaccionan con minerales de la arcilla
• Generación de matriz compuesta por arena-cemento 
y arcilla estabilizada
Matrices suelo – cemento. Hall, Najim y Keikhaei (2012)
8
4. Información general del proyecto
Figura 10. Ubicación geográfica de los puntos de muestreo. Google Earth.
Figura 11. Plancha geológica 5-07 del Atlas Geológico de Colombia 2020 a 
escala 1:500.000 del Servicio Geológico Colombiano (SGC).
“Fortalecimiento de las capacidades científicas a través de la fabricación de cementos no convencionales para la mejora de 
pavimentos de vías terciarias de la región de los llanos departamento de Arauca” BPIN 2020000100407
9
5. Caracterización de las materias primas
Caracterización
Física
Límites de Atterberg
(LL, LP, IP)
Clasificación del suelo 
(SUCS, AASTHO)
Distribución de 
Tamaños de Partícula 
por difracción láser
Química
Composición química 
por FRX
Identificación de 
grupos funcionales por 
FTIR
Mineralógica
Identificación de 
minerales por DRX
Análisis 
termogravimétricos 
por TG/DTG
10
Límites de Atterberg y clasificación del suelos
Figura 12. Clasificación de las muestras de suelo según SUCS. C: arcillas, M: limos, O: 
suelos orgánicos; L: baja plasticidad, H: alta plasticidad
Muestra 
de suelo
Límite 
líquido 
L.L. (%)
Límite 
plástico 
L.P. (%)
Índice de 
plasticida
d I.P. (%)
P1_M1 18 16 2
P1_M2 21 15 6
P2_M1 24 17 7
P2_M2 29 20 9
P3_M1 22 14 8
P3_M2 29 17 12
Caracterización física de suelos
Figura 13. Diagrama ternario del contenido 
por tamaños de los suelos
Figura14. Composición química de los suelos por fluorescencia de rayos x.
11
Óxidos estables y análisis térmico
Caracterización química de suelos
Figura 15. Análisis termogravimétrico TG de los suelos.
Figura 16. Identificación mineralógica por difracción de rayos x
12
Figura 19. Identificación mineralógica por difracción de rayos x.
Q Q
K
G
I/M K
Difracción de rayos X 
Caracterización mineralógica de suelos
13
6. Conclusiones
• Todos los suelos estudiados mostraron características similares, asociado a la geología regional
• Suelos de baja plasticidad
• Las partículas arcillosas aumentaron con la profundidad del depósito.
• Por su naturaleza finogranular, se evidencia el potencial de estabilización con cementos alternativos,
buscando aprovechar su naturaleza arcillosa
• Todos los suelos son llamativos como materiales aportantes de sílice (57-68%), alúmina (16-23%) y
óxidos de hierro (2-6%) para la fabricación de cementos.
14
6. Conclusiones
• LOI entre 5-8% reflejaron suelos con arcillas multicomponentes de bajo grado caolinítico con potencial a
ser empleadas en la fabricación de CAA para la estabilización química de los suelos.
• Se encontró una relación entre la composición química y la mineralogía, ya que los suelos con mayor
aporte de alúmina, de LOI y de pico de pérdida de peso en el TG, fueron los de mayor intensidad en la
caolinita y en sentido contrario, los de mayor aporte de sílice fueron los de mayor intensidad en el cuarzo
• Los minerales arcillosos encontrados fueron la caolinita y la illita; indispensables en la estabilización
química de los suelos.
15
6. Conclusiones
• Los análisis termogravimétricos confirmaron la presencia de minerales arcillosos como la caolinita y la illita
y de minerales de oxi-hidróxidos de hierro como la goethita en todos los suelos estudiados.
• En los suelos evaluados predominaron las arcillas de grupo 1:1, debido a que la temperatura del pico
máximo de pérdida de peso asociado a la deshidroxilación de minerales arcillosos fue alrededor de 500°C.
De esta manera, prima la presencia mica (moscovita) sobre arcillas 2:1 (illita) identificadas anteriormente
en el DRX.
16
6. Conclusiones
• La efectividad de la estabilización química depende de factores como:
• Distribución de tamaño de partícula (buena gradación aumenta el empaquetamiento de las partículas).
• Naturaleza mineralógica del suelo (minerales de aluminosilicatos necesarios para la formación de fases
cementantes).
• Contenido de Ca(OH)₂ libre y alcalinidad alta (pH>10) (influyen en el desarrollo de reacciones
puzolánicas).
• Dentro de las fases cementantes que le confieren al sistema resistencia mecánica y durabilidad se encuentran
los hidratos de calcio como los geles C-S-H, C-A-S-H y C-A-H; en donde su formación depende del contenido
específico de iones de aluminio, silicio y calcio.
¡Potencial implementación de tecnologías sostenibles para responder a 
las necesidades de transición hacia la sostenibilidad!
17
Referencias
[1] Stockolm Resilience Center, «Planetary boundaries: Guiding human development on a changing planet,» Science, 2015.
DOI: 10.1126/science.1259855
[2] L. Persson, C. Almroth, C. Collins, S. Cornell y et.al., «Outside the Safe Operating Space of the Planetary Boundary for Novel Entities,»
Enviromental Science & Technology, vol. 3, nº 56, pp. 1510 - 1521, 2022. https://doi.org/10.1021/acs.est.1c04158
[3] B. Huang, X. Gao, X. Xu, J. Song, G. Yong, J. Sarkis, T. Fishman, H. Kua y J. Nakatan, «A Life Cycle Thinking Framework to Mitigate the
Environmental Impact of Building Materials,» Journal One Earth, vol. 3, nº 5, pp. 564-573, 2020.
https://doi.org/10.1016/j.oneear.2020.10.010
[4] A. Alujas Diaz, R. S. Almenares Reyes, T. Hanein, E. F. Irassar, M. Juenger, F. Kanavaris, M. Maier, A. Marsh, T. Sui, K. Thienel, L. Valentini, B.
Wang, F. Zunino y R. Snellin, «Properties and occurrence of clay resources for use as supplementary cementitious materials: A paper of
RILEM TC 282-CCL,» Materials & Structures, vol. 55, nº 139, 2022. https://doi.org/10.1617/s11527-022-01972-2
[5] G. Archibong, Sunday, E, J. Akudike, O. Okeke y C. Amadi, «A review of the principles and methods of soil stabilization,» International Journal
of Advanced Academic Research, vol. 6, March 2020. https://www.researchgate.net/publication/342448451
[6] P. Hewlett y M. Liska, Lea's Chemistry of Cement and Concrete, Oxford: Butterworth-Heinemann, 2019. ISBN: 978-0-08-100773-0
[7] M. Al-Mukhtar, A. Lasledj y J. Alcover, «Lime consumption of different clayey soils,» Applied Clay Science, vol. 95, pp. 133-145, 2014.
https://doi.org/10.1016/j.clay.2014.03.024
18
Referencias
[8] A. Marsh, A. Heath, P. Patureau, P. Evernden y P. Walker, «Influence of clay minerals and associated minerals in alkali activation of soils,»
Construction and Building Materials, vol. 229, 2019. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.116816
[9] P. Walker, A. Marsh, A. Heath, P. Patureau y M. Evernden, «Phase formation behaviour in alkali activation of clay mixtures,» Applied Clay
Science, vol. 175, pp. 10-21, 2019. https://doi.org/10.1016/j.clay.2019.03.037
[10] A. Marsh, A. Heath, P. Patureau, M. Evernden y P. Walker, «Alkali activation behaviour of un-calcined montmorillonite and illite clay
minerals,» Applied Science Clay, vol. 166, pp. 250-261, 2018. https://doi.org/10.1016/j.clay.2018.09.011
[11] M. Al-Mukhtar, A. Lasledj y J. Alcover, «Lime consumption of different clayey soils,» Applied Clay Science, nº 95, pp. 133-145, 2014.
https://doi.org/10.1016/j.clay.2014.03.024
[12] K. Lemaire, D. Deneele, S. Bonnet y M. Legret, «Effects of lime and cement treatment on the physicochemical, microstructural and
mechanical characteristics of a plastic silt,» Engineering Geology, vol. 166, pp. 255-261, 2013.
https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2013.09.012
[13] M. Hall, K. Najim y P. Keikhaei, «Soil stabilisation and earth construction: Materials, properties and techniques,» de Modern earth
buildings: Materials, engineering, construction and applications, Cambridge, Woodhead Publishing Series in Energy, 2012, pp. 222-255.
ISBN 978-0-85709-616-6
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