guía - compactación
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JOSÉ V. HEREDIA T.INGENIERO GEÓLOGO
1.- ¿EN QUE CONSISTE UN ENSAYO DE COMPACTACIÓN?
En nuestro país, el ensayo se utiliza en dos versiones, el ensayo de
compactación Standard y el ensayo de compactación modificado. Sus
especificaciones se muestran en la tabla No. 1.
Por ejemplo si se pide realizar un ensayo de compactación modificado
método “B”, éste indica que se debe utilizar el molde de 6 pulgadas de
diámetro. El suelo se debe compactar en cinco (5) capas. A cada capa se le
debe golpear 56 veces con un martillo de 10 libar desde una altura de caída de
18 pulgadas. Este método se aplica para suelos pasantes del tamiz No. 4. Este
procedimiento se repite aumentando la humedad del suelo hasta obtener la
curva de compactación.
La selección del método se hace en base a las características
granulométricas de los materiales a compactar y al tipo de obra que se va a
efectuar.
Tabla No. 1ESPECIFICACIONES PARA REALIZAR UN ENSAYO DE COMPACTACIÓN
ENSAYO DE COMPACTACIÓN STANDARD
MÉTODO
MOLDE
NÚMERO DE CAPAS
GOLPES POR
CAPAS
PESO DEL
MARTILLO
CAÍDA DEL MARTILLO
TAMAÑO DEL
MARTILLO
A 4” 3 25 5 ½ LBS. 12” Pasa No. 4B 6” 3 56 5 ½ LBS. 12” Pasa No. 4C 4” 3 25 5 ½ LBS. 12” Pasa No. ¾D 6” 3 56 5 ½ LBS. 12” Pasa No. ¾
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ENSAYO DE COMPACTACIÓN MODIFICADO
MÉTODO
MOLDE
NÚMERO DE CAPAS
GOLPES POR
CAPAS
PESO DEL
MARTILLO
CAÍDA DEL MARTILLO
TAMAÑO DEL
MARTILLO
A 4” 5 25 10 LBS. 18” Pasa No. 4B 6” 5 56 10 LBS. 18” Pasa No. 4C 4” 5 25 10 LBS. 18” Pasa No. ¾D 6” 5 56 10 LBS. 18” Pasa No. ¾
2.- ¿QUÉ SE OBTIENE DE UN ENSAYO DE COMPACTACIÓN?
Se obtiene la curva de compactación en el plano formado por los ejes
cartesianos, en donde al eje de las ordenadas se le hace corresponder la
densidad seca, y al eje de las abscisas, la humedad. Esta curva es llamada
también curva de densidad seca vs. humedad óptima. La traza que se obtiene
se denomina parábola, la cual tiende a ser cerrada para los suelos de grano
fino, y abierta, para los suelos granulares. El punto máximo de la parábola
corresponde, en las ordenadas, a la densidad seca máxima representada
generalmente en Kg/m3 o T/m3. En las abscisas se indicará el contenido óptimo
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de humedad, y se expresa en porcentajes. Desde el punto óptimo hacia la
izquierda, la curva recibe el nombre de rama seca, y hacia la derecha, rama
húmeda.
3.-¿QUE ES UN ENSAYO DE DENSIDAD EN CAMPO?
La densidad en campo es conocida popularmente como prueba de
compactación o densidad en sitio. Este tipo de ensayo es destinado para la
determinación en el campo de la densidad seca de lotes de terrenos
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compactados y compararla con la densidad seca máxima del laboratorio, la
cual es obtenida de un ensayo de compactación.
De manera de obtener el porcentaje de compactación del terreno, el cual
es indicativo de la calidad de la obra ejecutada, se hace necesario el ensayo de
densidad en campo.
4.- ¿CÓMO SE REALIZA UNA DENSIDAD EN CAMPO?
En la actualidad existen los llamados métodos tradicionales donde se
destaca el de “la arena” y los sistemas modernos o métodos nucleares que
utilizan “densímetros nucleares”.
El método de la arena consiste en determinar la densidad seca de una
capa de material compactado cuyo espesor no sea mayor de 20.0 cm. Para
Densidad Seca Campo% Compactación = x 100
Densidad de Laboratorio (Ensayo de Compactación)
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ello se coloca una placa de densidad sobre una superficie alisada del terreno.
Esta placa tendrá una abertura en el centro de 4” de diámetro para suelos de
granulometría fina, y 6” de diámetro para suelos de granulometría gruesa.
Se excavará un hueco de diámetro similar al de la placa a una
profundidad que variará de 1.0 a 2.0 veces su diámetro. El material del hueco
se recogerá en una bolsa y se pesará. Este será el peso húmedo del terreno.
Luego se llevará a un horno para determinar el % de humedad.
Posteriormente, sobre el orificio se colocará el aparato que contiene una arena
que fue previamente “calibrada” y se dejará llenar el hueco con la arena del
aparato. El volumen que ocupe la arena dentro del hueco será el volumen del
mismo, y con el peso húmedo y la humedad se determina la densidad seca con
la formula:
Anteriormente era tradicional el uso de la importada “arena de Ottawa”,
pero por “pequeños” cambios monetarios obligaron a utilizar arenas
nacionales, siendo más común en nuestro medio oír hablar de las arenas de
Monay, Morichal Largo y el Manzanares.
Peso Húmedo Volumen HuecoDensidad Seca en Campo = (Kg/m3) 1 + % Humedad 100
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Los métodos nucleares se basan en el uso pacífico de la energía
atómica. Esto consiste de unos aparatos muy compactos con fuentes de
isótopos radioactivos principalmente el Cesio 137, el Americium 241 y el
Berilum 9 de poca peligrosidad para el ser humano y sistemas de detección
con tubos ionizantes (contadores Geiger-Müller) comunicados con un
microprocesador. La fuente radioactiva en la punta de la varilla penetra en el
terreno hasta 30.0 cm de profundidad emitiendo partículas atómicas de gran
velocidad que atraviesan el suelo en forma de doble cono y son detectadas por
los contadores, éstos, a través de impulsos eléctricos, transmiten la
información al microprocesador que la traduce y la coloca en una pantalla de
cristal.
Con toda la información ya almacenada, el operador, con el simple
hecho de tocar la tecla, recibe el contenido de agua por m3, el porcentaje (%)
de humedad, la densidad seca, la densidad húmeda, el porcentaje (%) de
compactación.
El aparato deberá ser colocado en el terreno de manera que el sol no le
pegue de frente a la pantalla de cristal líquido.
Este equipo posee un sistema para corregir humedad en caso de que el
suelo presente alto contenido de hidrógeno.
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El densímetro nuclear más conocido en el país es el de marca TROXLER
en sus diferentes modelos. Además de este, existen otras marcas que sirven a
los mismos fines con igual calidad. El sistema de medición científicamente se
basa en los siguientes principios: la medición de la densidad y la medición de la
humedad.
La medición de la densidad puede ser determinada por dos métodos:
método directo y método Backscatter (retrodispersión). En el caso del método
directo, se hace pasar un haz volumétrico de fotones a través de la masa de
suelo y se registra la atenuación obtenida mediante contadores Geiger-Müller
debidamente conectados a un circuito electrónico.
La radiación atraviesa el suelo en sentido diagonal, de abajo hacia
arriba, produciéndose una dispersión de fotones cuya forma es
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aproximadamente la de dos conos rectos unidos por su base, con sus ápices en
la fuente y en los contadores.
El volumen del suelo realmente recorrido por los fotones depende de la
profundidad de la fuente y viene dado por el volumen de los dos conos.
En el caso del equipo nuclear TROXLER 3411-B, es la distancia horizontal
entre la fuente de Cesio 137 y los contadores Geiger-Müller de 10 pulgadas
(25,4 cm) y por ello se logra un volumen de casi 1900 cm3 de suelo cuando la
fuente reactiva está a 8 pulgadas (20.0 cm) de profundidad.
En el caso del método Backscatter, no se atraviesa la masa del suelo,
sino que se lanza un haz volumétrico de fotones contra la superficie,
lográndose una pequeña penetración en el suelo. El haz volumétrico de
fotones parte de la fuente radiactiva y tiene forzosamente que penetrar el
suelo, entre la superficie del mismo y una profundidad que varía de acuerdo
con la densidad. No hay una dirección preferencial, sino más bien una madeja
de rayos que penetran el suelo, parte de la cual alcanza los contadores Geiger-
Müller al final de su viaje. El recorrido de los fotones no ocurre como en el caso
de la transmisión directa cuando se baja la barra dentro del suelo. El método
directo es mucho más preciso que el método Backscatter y está menos
afectado por las irregularidades de la superficie. Las densidades obtenidas por
el método Backscatter están influenciadas por la densidad muy superficial y
toma poco en cuenta la densidad promedio de la capa.
El equipo conocido como “Cono de Arena”, de 4 pulgadas de diámetro,
realiza la medición de la densidad “insitu” en su volumen de aproximadamente
1200 cm3, lo que representa el 63 % del volumen sobre el cual mide el equipo
nuclear.
La medición de la humedad con este equipo se hace basándose en el
principio de termalización de electrones, éste consiste en el choque de un
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neutrón con el núcleo del átomo. La máxima cantidad de energía transferida
sólo depende de la masa del núcleo. Mientras más pequeño sea el núcleo del
átomo, menor será la energía transferida. Cuando un neutrón choca con el
núcleo de un átomo de hidrógeno, toda su energía puede ser transferida al
núcleo de hidrógeno, también llamado protón. El relativo bajo número de
choques requeridos por el hidrógeno para termalizar neutrones es el
fundamento del empleo de los neutrones para medir el contenido de agua en
los suelos.
Esto se puede explicar con un conocido material de préstamo de la zona,
como es el de Los Tanques. Desde el punto de vista geológico, el material de
Los Tanques es una Serpentina, roca metaignea proveniente del metamorfismo
hidrotermal del Olivino, que es a su vez una roca ígnea de constitución básica,
químicamente formada por sílice, hierro y magnesio (Fe Mg (SiO2)). Esta roca,
durante el metamorfismo hidrotermal, incorpora dos moléculas de agua
(2H2O), además de los otros componentes químicos del proceso. Cuando se
produce la termalización de los hidrógenos, estos se confunden con el
hidrógeno del agua sobre el suelo y el aparato tiende a dar valores elevados
del contenido de humedad, éstos deben ser corregidos con ensayo de
humedad al horno, e incorporar estas correcciones a la memoria del
microprocesador.
5.- ¿CUÁNDO SE DEBEN ACEPTAR O RECHAZAR LOTES DE SUELO-AGREGADO COMPACTADO?
Este es el punto donde la armonía contratista – inspección se pierde,
cuando alguna de las dos partes ha fallado. En nuestro país, las normas han
exigido tradicionalmente un mínimo de 95 % de la densidad seca máxima de
laboratorio, sin embargo, existe una extensa bibliografía y experiencias como
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las expuestas por el Ing. Roberto Centeno Werner en su libro “Inspección y
Control de Obras Civiles” (1982).
Como nuestra publicación trata en términos sencillos el problema en
caso de obras de pequeña envergadura, se puede, a partir de la curva de
compactación, extraer los parámetros de aceptación y rechazo de la manera
siguiente: la densidad seca máxima (DSM) del ensayo fue 2200 Kg/m3 con una
humedad óptima del 8%. Si la aceptación es el 95 % de la densidad seca
máxima, este valor mínimo será 2090 Kg/m3 en los cortes de este valor con la
curva de compactación y su proyección con las abscisas se obtiene el rango de
humedades y densidades secas de aceptación. En algunos casos, la
aceptación y rechazo se basa en métodos estadísticos donde se exige un
promedio de la densidad seca máxima dentro de una desviación standard
muestral bien definida, por ejemplo, un promedio de 95% con una desviación
standard muestral máxima del 1 %.
Actualmente, las exigencias de compactación de bases granulares han
aumentado y han llegado ya a valores de 97 % de densidad seca máxima.
El objeto de limitar estadísticamente los valores de densidad seca
máxima con la desviación standard es el de evitar que en algunas obras en un
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mismo terraplén existan valores tan dispersos como: 90-92-92-93-98-99-99-98.
El promedio de estos valores es de 95.13 y una desviación standard de 1.22.
En otro lote de terreno compactado se obtuvieron los siguientes valores: 94.5-
95-95.5-96-95.9-94.8-96-95.7. El promedio de estos valores es de 95.43 y la
desviación standard es de 0.21. Como es de apreciarse, en los casos
anteriores el promedio de los dos lotes compactados es el mismo (95%), sin
embargo, la desviación standard es distinta (en el primer caso es de 1.22 y en
el segundo de 0.21). Con estos valores podemos apreciar cual es el mayor
grado de homogeneidad obtenido mediante los métodos empleados para
compactar el material.
Desde el punto de vista de calidad, el primer lote debe ser rechazado y
el segundo aceptado. En futuros boletines discutiremos más a fondo este
problema. Existe la eterna creencia de que un porcentaje de compactación de
100 % es posible.
Sin embargo, puede haber casos en los cuales se produzcan cambios
granulométricos, provocando una disminución de la DSM. Esto permite que las
pruebas de compactación arrojen valores superiores al 100 %. En el caso del
aumento de la DSM se notaría que, a pesar de emplear la misma metodología
de compactación, las pruebas indicarían mala calidad de la obra.
6.- ¿QUÉ IMPORTANCIA TIENE UN EFICIENTE PROCEDIMIENTO DE COMPACTACIÓN DE SUELOS?
Estos pequeños pero muy significativos detalles deben ser tomados por
la inspección, durante un movimiento de tierra, haciendo los análisis periódicos
a los préstamos de suelo-agregado que se estén compactando.
Se puede decir que la compactación de suelos es un procedimiento de
estabilización mecánica que logra en la estructura del suelo un incremento
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considerable de la resistencia al corte pues es función directa de la densidad y
la cohesión.
Con la compactación también se logra una disminución de la
permeabilidad y compresibilidad del suelo. Es importante mencionar que en
suelos con abundante contenido de finos, los procesos de compactación
propician un incremento en el potencial de expansión. En este tipo de suelos,
la estructura resultante se asocia íntimamente con el proceso de compactación
y contenido de humedad a la cual se compacta la masa del suelo. Este
concepto es importante, por ejemplo, para compactar núcleos de arcillas en
presas de tierra donde fuertes asentamientos podrían causar fracturas en
dicho núcleo.
Se ha demostrado que al estructura “dispersa” del suelo obtenida al
compactarlo en la rama húmeda de la curva de compactación da como
resultado un suelo con baja resistencia al corte pero capaz de resistir grandes
deformaciones sin fallas (fracturas) y las consecuencias posteriores a la
estructura.
En este tipo de suelos, la compactación en la rama húmeda reduce la
permeabilidad, si la comparamos con la misma medida en la rama seca.
Desde otro punto de vista, la estructura “floculada” obtenida al
compactar un suelo en la rama seca es menos susceptible a la contracción,
pero más susceptible a la expansión potencial. La resistencia última de los
suelos con estructura floculada es mayor a bajas deformaciones que la
resistencia de los suelos con estructuras dispersas.
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La resistencia residual del suelo compactado en la rama seca es casi la
misma que la resistencia última del suelo compactado en la rama húmeda.
Por lo tanto, en carreteras donde se desean bajo el pavimento deformaciones
unitarias muy pequeñas, el suelo debía compactarse del contenido óptimo
hacia la rama seca.
Para que un procedimiento de compactación sea eficiente, el equipo
utilizado debe ser el adecuado, según sea el tipo de material a compactar. En
el mercado, hoy en día, existe una muy variada gama de equipos de
compactación de suelos, y constantemente salen al mercado nuevas y
sofisticadas maquinarias que aumentan la eficiencia en esta labor.
De un modo muy general, tenemos que los suelos se dividen en dos
grandes grupos: suelos cohesivos y suelos granulares.
Los suelos cohesivos puros (arcillas plásticas) deben compactarse con
rodillos “pata de cabra”; esencialmente en suelos intermedios como las arenas
y gravas arcillosas y algunos esquistos frágiles, la combinación de pata de
cabra con vibrocompactadores ha dado buenos resultados. Sin embargo, los
suelos eminentemente granulares se deben compactar exclusivamente con
vibrocompactadores.
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El uso de los equipos de compactación adecuados y un sistemático
procedimiento de inspección y control de calidad son los elementos esenciales
que dan como producto final una obra sana y duradera, con una importancia
sin precedente en esta época de inflación incontrolada en la industria de la
construcción.
Las personas involucradas en el campo de la construcción de obras de
tierra así como las empresas de servicio encargadas del control de calidad
debemos enfocar nuestros esfuerzos hacia el desarrollo de la ingeniería
venezolana: Nervio Motor del proceso de desarrollo nacional.
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