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1. LOS PRINCIPIOS.LA COMPACTACIÓN ESTÁTICA

Una obra puede estar muybien diseñada, muy bientrazada y muy bien calcula-

da en sus estructuras pero, si fallala compactación, acabará arrui-nándose prematuramente o exi-giendo costosas reparaciones paramantenerla en funcionamiento y,en definitiva, siendo el descréditode los ingenieros que la realizarony de los políticos que la inaugura-ron, lo que hoy en día parece tenermuchísima más importancia.

La compactación se estaba hacien-do hasta los comienzos de lamecanización mediante “cilindrosde piedra, madera o hierro” segúnel libro de D. Cayetano Gonzálezde la Vega, “Lecciones de carrete-ras, caminos de hierro y navega-ción interior y exterior” publicadoen 1868, quien también comenta:“… Cuando se cilindra antes de

recebar, el tiro es más difícil, lapiedra machacada se remueve yaglomera delante del rodillo y lospies de las caballerías o bueyesdestruyen una parte del efectoproducido por la compresión”.

Las primeras máquinas utilizadasen nuestras obras fueron las apiso-nadoras a vapor que, apoyadassobre grandes ruedas metálicas,efectuaban mejor el trabajo decompactación; gracias al gran pesoque aplicaban a la superficie del

material, sin el efecto negativoproducido por la pisada de los ani-males de arrastre.

En una segunda etapa, cuando yase había desarrollado el motor deexplosión y aparecieron los tracto-res (de ruedas y de cadenas) sesiguieron utilizando para los terra-plenes los rodillos remolcados enmúltiples versiones (lisos, de piso-nes o pata de cabra o de rejillas)quedando las apisonadoras auto-portantes (que ya estaban siendo

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Pasado, presentey futuro de

la compactaciónLas primeras máquinas que se aplicaron a las obras públicas, en el principio de la erade la mecanización, fueron las máquinas a vapor a mediados del siglo XIX. Mientrasel arranque y la fragmentación de los materiales necesarios para la construcción seseguía haciendo de forma manual, como al principio de los tiempos, el transporte sehacía también directamente por las personas o, como mucho, con la ayuda de asnos,mulos o cualquier otro tipo de semovientes; la mecanización llegó en primer lugarjusto a mejorar el aspecto más crítico de las obras: LA COMPACTACIÓN.

Carlos Cañabate Zamora – ITOP(*)

(*) Jefe de productos de Compactación y Pavimentación Barloworld - Finanzauto

Antiguo compactador arrastrado por caballerías

dotadas de motores térmicos o decombustión interna) dedicadas acapas más específicas de base o arecubrimientos de aglomerados.

En toda esta época la acción quese ejercía para compactar eraexclusivamente proporcionada porun peso, que a su vez dependía dela masa de la máquina o del rodilloen cuestión. Si queríamos ejerceruna mayor acción sobre el mate-rial, porque sus requerimientospara la compactación fueron supe-riores, sólo podíamos actuaraumentando la masa (m); ya que laaceleración de la gravedad (g) quees quien nos transforma la masaen peso (p), según la conocida fór-mula p = m x g , es una constantesobre la que no se podía actuar.

Pero este aumento de masa supo-ne también la necesidad de aplicarmás energía para ponerla en movi-miento, por tanto el rendimiento

energético de la operación puededisminuir rápidamente.

Además hay que tener en cuentaque la acción del peso, aplicadosobre la superficie del material,disminuye a través de su interiorexponencialmente con la profundi-dad, por lo que para conseguirefectuar tongadas o capas demayor espesor también habría queaumentar desproporcionadamentela masa.

El mayor avance de la compacta-ción estática vino con el uso de loscompactadores de neumáticos. Enprincipio estaban constituidos poruna gran estructura metálica,capaz de lastrarse con bloques ograva suelta, apoyada sobre un ejede varios neumáticos juntos yremolcada por un tractor. Podíanllegar a pesos de 50 t. y debido ala deformabilidad y flexibilidad desus ruedas neumáticas además delefecto de la presión producían unefecto de “amasado” en la superfi-cie del material que contribuía asu “sellado”.

En una segunda etapa se hicieroncompactadores de neumáticosautoportantes, dotados de dosejes de ruedas que solapaban sus

huellas para cubrir todo el anchoen una pasada.

Pueden estar dotados de un com-presor, accionado por el mismomotor de la máquina, que propor-ciona aire a presión y permite aloperador inflar o desinflar susneumáticos sobre la marcha,pudiendo así variar la huella de con-tacto de los neumáticos con el suelo,y por tanto la presión superficial.

El último avance en compactaciónestática vino desarrollado a media-dos del siglo XX (1958) por elfabricante francés ALBARET, auten-tico especialista en este tipo demáquinas hoy desaparecido (fueadquirido por Caterpillar en 1988).

Albaret patentó un sistema de SUS-PENSIÓN HIDRÁULICA COMPENSADApara las ruedas, de forma que -poraplicación del principio de Pascal-se asegura que, cualquiera que seasu posición en un suelo de super-ficie irregular, todas ejercen lamisma fuerza sobre el terreno (elpeso total de la máquina divididopor el número de ruedas). Loscompactadores de neumáticosque gozan de esta característica sedenominan ISOSTÁTICOS y sonmuy empleados en la actualidad parala compactación de aglomerados.

2. EL PASADO. LA FUERZACENTRÍFUGA

Karl Terzaghi era un ingeniero espe-cialista en cimentaciones, nacido

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Apisonadora de vapor origen de lamecanización de las Obras Públicas

Compactador de neumáticos remolcado Compactador de neumáticos autopropulsado

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en Praga en 1883, que publicó en1925 “ERDBAUMECHANIK” por loque se considera a este año comola fecha de nacimiento de la“Mecánica de Suelos”.

En 1941 publicó en Nueva Yorkotro libro “MECÁNICA TEORICA DELOS SUELOS” en el que en su artículo158, dedicado a los problemas quelas vibraciones producían sobrelas cimentaciones, acaba dicien-do: “El conocimiento de la relaciónentre frecuencia y asentamiento esun factor importante en el proyec-to de la cimentación de máquinasde muchas revoluciones sobreestratos de arenas, cooperandoen el desarrollo de las maquinariaspesadas para la compactaciónartificial de rellenos arenosos”.

Pues bien, las investigacionessobre esta aplicación de las vibra-ciones a la compactación, quesegún menciona Terzaghi fueroniniciadas por la DEGEBO (DeeutschGesellschaft für Bodenmechanik)en 1930, dieron como resultadolos compactadores vibratoriosactuales que más adelante analiza-remos con más detalle. Puesto queen su aplicación se encuentranalgunas aberraciones derivadas enparte por aplicar a la compacta-ción vibratoria teorías más propiasde la compactación estática, queestán todavía fuertemente incrus-tadas en la mentalidad de muchosde nuestros ingenieros.

Los primeros compactadoresvibratorios eran similares a los

estáticos remolcados a los que seañadía un eje metálico situado enel eje geométrico del rodillo, esteeje podía girar en su interior inde-pendientemente del giro del rodi-llo. El eje estaba dotado de unamasa excéntrica y se hacia girarpor medio de un motor auxiliarmontado sobre el bastidor delrodillo, a unas revoluciones muysuperiores a las que da el rodilloen su movimiento de traslación.

Esta masa excéntrica, girando alre-dedor de su eje, produce unaFUERZA CENTRÍFUGA que pasa dosveces por la vertical del rodillo, unapor encima del eje, ejerciendo unafuerza ascendente que se resta alpeso que el rodillo ejerce sobre elsuelo, y otra por debajo del eje, ejer-ciendo una fuerza vertical haciaabajo que se suma al peso aplicadopor el rodillo en el terreno, poten-ciando así el efecto del mismosobre el material a compactar.

Con este sistema se consigue otravariable –fuerza centrífuga- que,con un consumo energético relati-vamente bajo (sólo hay que hacergirar un determinado eje, cosabastante simple en mecánica), nospermite mejorar sensiblemente lasposibilidades actuando conjunta-mente con el peso aplicado.

3. EL PRESENTE.LA COMPACTACIÓN VIBRATORIA

En la actualidad los compactado-res vibratorios que se usan ennuestras obras son máquinas auto-propulsadas que, además del rodillovibratorio con el eje interno dotadode las masas excéntricas, montadoen un bastidor delantero, constande un bastidor trasero, articuladocon el anterior que apoyado sobreun eje con dos neumáticos, paradar tracción a la máquina, soportael motor térmico y las bombashidráulicas de transmisión depotencia. Puesto que los modernos

compactadores son máquinastotalmente hidrostáticas en lasque el motor proporciona energíaa unas bombas hidráulicas que através de diversos circuitos trans-miten la potencia a cilindros ymotores hidráulicos que se encargande realizar las diversas funciones dela máquina (tracción, vibración,dirección, etc.)

Los primeros compactadores auto-propulsados vibratorios confiabanla tracción únicamente a las ruedastraseras, pero en una etapa posteriorse dotó de tracción también alrodillo, lo que redunda en benefi-cio de la compactación. Ya que unrodillo “empujado” tiende a formarpor delante de su generatriz decontacto con el suelo una pequeñaonda en la superficie del material,mientras que un rodillo con trac-ción propia ayuda a meter estematerial bajo la zona de contacto yrealiza un mejor acabado de lacompactación.

Por su parte las masas excéntricasmodernas están formadas por dospartes móviles que hacen que,según el sentido de giro impartidoa su eje de rotación, adopten dosposiciones relativas con distintadistancia desde el centro de grave-dad del conjunto hasta el eje degiro (distancia que se denominaEXCENTRICIDAD) y que permite ala máquina trabajar con dos ampli-tudes nominales distintas y, comoconsecuencia, con dos fuerzas cen-trífugas distintas, lo que en el argotde la compactación suele denomi-narse como compactación “basta”o “gruesa” y compactación “fina”.

La AMPLITUD NOMINAL es unvalor teórico que viene dado porla relación entre el producto de lamasa excéntrica por su excentrici-dad (que es el origen de la fuerzacentrífuga) dividido por la masainerte vibrante (la masa de todo elrodillo puesto en vibración) quees la masa que se “opone” a la

Rodillo remolcado con vibraciónproducida por un motor auxiliar

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excitación provocada por la fuerzacentrífuga.

(origen de la fuerza

centrífuga cuando se

produce el giro)

(masa que se opone

a la acción de la

fuerza centrífuga)

La amplitud nominal sería la ampli-tud de oscilación que adquiriría elrodillo si estuviese funcionando“idealmente suspendido” en el airepor una cadena. En la realidad nose llega a obtener porque el rodilloactúa sobre el suelo e intervienentambién los efectos de acción-reacción producidos por éste.

Para comparar el efecto que pue-den ejercer dos máquinas distin-tas, es muy habitual que se com-paren sus pesos (aunque lo querealmente interviene en la com-pactación es la CARGA LINEALESTÁTICA o kilogramos por cadacentímetro de longitud de su gene-ratriz, que el rodillo transmite alsuelo en estado de reposo) y susfuerzas centrífugas. Pero en reali-dad habría que considerarlos deforma conjunta y teniendo encuenta también otros factores, quehabitualmente no se contemplannunca, como puede ser la dismi-nución del efecto de la fuerza cen-trífuga producida por los tacos

amortiguadores que unen el rodillovibrante al bastidor.

4. LA ACTUALIDAD.LA FRECUENCIA DE VIBRACIÓN

Hay otro factor, generalmente inad-vertido, que tiene suma importan-cia en los efectos producidos porel compactador sobre el material.Se trata de la FRECUENCIA DE LAVIBRACIÓN.

La frecuencia viene dada por elnúmero de vueltas que los contra-pesos excéntricos dan sobre su ejeen una unidad de tiempo, se mideen revoluciones por minuto o enHerzios que es el número de vibra-ciones producidas por segundo detiempo, y en realidad significa elnúmero de veces que la fuerza cen-trífuga pasa por la vertical inferiordel rodillo en la unidad de tiempo.

Esta frecuencia en ciertas condi-ciones, gracias a la resonancia, setransmite al material con un rendi-miento energético muy superior alque se produce en la transmisiónde fuerzas. No hay más que obser-var el funcionamiento de un hornode micro-ondas, basado en el fenó-meno físico de la resonancia.

LA RESONANCIA consiste en quelos diversos materiales, según suscaracterísticas, tienen una frecuen-

cia determinada a la cual, si reci-ben una excitación de esa deter-minada frecuencia comienzan avibrar con esa misma frecuenciaque se denomina “frecuencia deresonancia”.

Cada material presenta una fre-cuencia de resonancia característi-ca y concretamente las moléculasde agua tienen una frecuencia deresonancia de 2.450 Mega Herzios,es decir 2.450 millones de Hz(2.450.000.000 de vibracionespor segundo).

Pues bien, un horno de microon-das no es más que una caja cerra-da en cuyo interior hay un emisorde frecuencias capaz de emitir pre-cisamente a 2.450 MHz (frecuen-cia de resonancia de las moléculasde agua) y éstas al entrar en vibra-ción por “resonancia“, rozan entresí y se calientan por lo que se pro-duce el calentamiento de cual-quier producto que se haya intro-ducido en él y que contenga aguaen su composición.

Invitamos al lector a hacer elsiguiente y sencillo experimento:

Colocar en el horno de microondassimultáneamente dos vasos, unocon garbanzos secos y otro congarbanzos que hayan pasado unanoche en remojo, como se hacehabitualmente para cocinarlos.

M x e

MoAN =

Masas excéntricas de dos posiciones para proporcionar dos amplitudes Alta Amplitud Baja Amplitud

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Después de uno o dos minutos enel interior del microondas funcio-nando, sacarlos y comprobar latemperatura adquirida por cadauno de ellos. ¡Cuidado con que-marse!

Ya en las investigaciones iniciadaspor la DEGEBO H. Lorentz midió en1932 las frecuencias de resonanciade diversos tipos de suelos obte-niendo valores desde 19 Hz paraterrenos flojos hasta 30 y 34 Hz parapiedras calizas y areniscas duras.

Es decir, los diversos tipos de terre-nos, según sus características y enfunción del estado físico que vanobteniendo después de cada pasa-da de compactación, presentan unafrecuencia de resonancia determi-nada en cada momento cuyos valo-res están comprendidos en el entor-no de los 18 a los 34 Hz.

Para aprovechar este fenómenofísico de la resonancia, los com-pactadores de última generaciónCATERPILLAR para suelos dispo-nen de un sistema de variacióncontinua de la frecuencia, a travésde una bomba de caudal variableque acciona el motor hidráulico dela vibración, lo que permite alcompactador emitir la frecuenciamás adecuada para adaptarse encada momento a la “frecuencia deresonancia” que el material a com-pactar presente. Con lo cual consi-guen poner a vibrar las partículasdel suelo (igual que las moléculasde agua lo hacían dentro delmicroondas) y con ello pierden loscontactos tangenciales que lassostienen por rozamiento “recolo-cándose” en menores espacios;con lo que se consigue disminuirel volumen de huecos del conjun-to y en definitiva mejorar la com-pactación.

Con este sistema de “frecuenciavariable” se consigue aumentar laeficiencia del compactador por unprocedimiento de transmisión de

energía mucho más efectivo quetransmitiendo solo cargas o fuer-zas, la transmisión de la frecuenciapor “resonancia”.

5. EL FUTURO. LA EFECTIVIDADEN LA COMPACTACIÓN

Debido a la mentalidad que aún semantiene, heredada de la compacta-ción estática, de que para conseguirmayor efectividad es necesario unmayor peso; en nuestro país existeuna tendencia al gigantismo en eluso de compactadores para suelos.

Realmente el uso de compactado-res muy pesados sólo tiene senti-do en la compactación de pedra-plenes y así constaba en el artícu-lo 331 dedicado en estos materia-les en el PG-3 publicado en 1975“si en la compactación se utilizanrodillos vibratorios, el peso estáti-co del equipo no deberá ser infe-rior a diez toneladas (10 t)” (punto331.5.6 Compactación).

Pero curiosamente esta norma sehizo extensiva a todo tipo de relle-nos cuando el PG-3 en el punto330.5.4 del artículo 330 Terraple-nes sólo hace mención a que: “Enla coronación de los terraplenes, ladensidad que se alcance no seráinferior a la máxima obtenida en elensayo Proctor Normal…” “…Enlos cimientos y núcleos de terra-plenes la densidad que se alcanceno será inferior al noventa y cincopor ciento (95%) de la máximaobtenida en dicho ensayo”.

Y, por último: “… Si se utiliza paracompactar rodillos vibrantes,deberán darse al final unas pasa-das sin aplicar vibración, paracorregir las perturbaciones superfi-ciales que hubiera podido causarla vibración y sellar la superficie”.

Pero en ningún momento hace refe-rencia al tamaño del compactador.La aplicación de esta norma depedraplenes a los terraplenes, hizo

que en nuestro país la casi totali-dad de los compactadores que secomercializaban estaban en elentorno de las 10 - 12 toneladas.

A partir de los años 80 empeza-ron a utilizarse mayores tama-ños, del orden de 15 t, y a partirde los 90 se alcanzaron y sesuperaron en algunos casos las20 t, entendiendo que de estaforma se consiguen mejorescompactaciones y se lograba rea-lizar tongadas de un metro deespesor y superiores.

Realmente hay pocos datos con-trastados del aumento de efectivi-dad conseguido con el aumentode peso, entre otras cosas porquela medición de las densidadesobtenidas afecta sólo a los 20 ó 60primeros centímetros de la tonga-da, tanto si se hace por el métodode la arena como si se hace por elde la sonda nuclear o la placa decarga. Siendo una auténtica “supo-sición” el que estos resultados sepueden extrapolar a todo el espe-sor de una tongada de 90, 100 omás centímetros.

Hay publicado un estudio realizadoen la compactación de un pedra-plén con tongadas de 90 cm. enla autopista inglesa M-62 deLancashire a Yorkshire. En el queconsta que el número de pasadaspara conseguir la compactaciónrequerida con compactadores de5, 8,5, 11 y 15 t era de 12, 8, 6 y4. Uniendo estos puntos por unafunción de segundo grado nosresulta la hipérbole de la figura enla que coinciden los datos de otraautopista francesa en donde utili-zando un compactador de 10,5 t.se realizaban 6 pasadas y los datosde la construcción de uno de losprimeros pedraplenes importantesque se realizaron en España, el deIstiña en la autopista Bilbao-Behovia que para capas de 1 m. sedaban 8 pasadas con un compac-tador de 12 t.

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Según este gráfico observamos queel ideal podría estar en el entorno delas 15 t. para compactar en 4 pasadasya que para ahorrar una pasada ysituarnos en las 3, tendríamos quealcanzar las 22 t. de peso y para con-seguirlo en 2 pasadas alcanzar 40 t.,lo que de momento es una exagera-ción para un compactador vibratorio.Teniendo en cuenta además que parala buena "recolocación" de las partí-culas del material, conviene que laspasadas sean varias.

Esta tendencia a sobredimensio-nar el peso del compactador tiene

también el inconveniente añadidode que el rendimiento energéticode la operación disminuye, al tenerque trasladar continuamente unsobrepeso aplicando para ello laenergía suficiente.

Por tanto, el futuro de la compac-tación tiene que pasar por utilizarmás apropiadamente los paráme-tros que ofrecen las modernasmáquinas, con un conocimientomás profundo de sus posibilidadestanto por parte de los técnicosimplicados en todo el proceso-desde el proyecto hasta su ejecu-

ción y el control de la misma-como de los operadores de loscompactadores y los encargadosde tajo, que tradicionalmente sue-len trabajar más basados en susexperiencias anteriores.

El trasladar experiencias anterio-res a otros trabajos, en donde elmaterial y las condiciones con losque se operan son distintos,puede originar fracasos que aveces parecen inexplicables y queno se deben nada más que a con-diciones externas, que han cam-biado en cierto modo; lo que no sedescubre si no es con un análisisexhaustivo.

Es necesario destacar que la ten-dencia actual es a utilizar cada vezmateriales de peor calidad, no haymás que ver la nueva redaccióndada al PG – 3, puesto que es másdifícil encontrar prestamos de cali-dad y es prácticamente imposiblearrojar materiales a vertedero

Como consecuencia de todo esto,si queremos conseguir las calida-des que las obras modernasrequieren, lo cual -como vimos alprincipio del artículo- es hoyimprescindible, tenemos todosque considerar a la compactacióncomo la técnica relativamentecompleja que es, a pesar de suaparente sencillez.

Pedraplén en capas de 90 cm (Autopista M-62 Lancashire - Yorkshire)Relación Peso - Nº de pasadas

Nº PASADAS

PESO

del

com

pact

ador

(t)

Pedrapléncapas de90 cm

Pedraplénde Istiñacapasde 1m

Autopistafrancesa

Relación entre el Nº de pasadas y el peso del compactador

Compactador moderno con variación gradual y continua de la frecuencia para conseguir trabajar con la frecuencia de resonancia