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CAPÍTULO 2. PROCESO Y EQUIPOS DE COMPACTACIÓN

Los materiales geotécnicos –suelos y rocas- son los principales componentes de los proyectos de carreteras. Se usan para soportar los pavimentos para carreteras y pistas de aterrizaje de aeropuertos, con cargas dinámicas. Algunos suelos pueden ser apropiados para usarse en estado natural, pero en carreteras por lo general deben excavarse, procesarse y compactarse para conseguir los requerimientos técnicos. Adicionalmente, tanto los depósitos de agregados naturales o de material rocoso constituyen aproximadamente el 95% en peso del concreto asfáltico y el 75% del concreto hidráulico.

Es indispensable que las personas asociadas al diseño o construcción de carreteras conozcan las propiedades, características y comportamiento de los diferentes tipos de suelos y agregados. Cuando los materiales disponibles en la zona no reúnen los requerimientos técnicos necesarios por la ingeniería, es necesario modificarlos a un costo eficiente para llegar a cubrir las demandas del proyecto. Este procesamiento puede ser tan simple como ajustar su contenido de humedad, compactarlos o mezclarlos con otros materiales. Como hay una relación directa entre el incremento de la densidad, el incremento de la resistencia y la capacidad portante, las propiedades de algunos suelos pueden mejorarse simplemente por compactación.

En este capítulo se tratará sobre las principales propiedades de los materiales geotécnicos y los procesos de compactación. Aunque los materiales de las capas de rodadura también se compactan, éstos se desarrollan en otro capítulo.

2.1. Comportamiento del suelo

El suelo, por su condición natural, es heterogéneo. En su estado natural, muy raras veces es uniforme y sólo se puede trabajar si ya se ha tenido experiencia previa con materiales similares. Para lograr esto, conviene hacer una clasificación previa. Los suelos pueden clasificarse de acuerdo al tamaño de las partículas de las cuales están compuestos, por sus propiedades físicas o por su comportamiento con las variaciones de humedad.

Hay cinco tipos principales de suelo, a saber: grava, arena, limo, arcilla y material orgánico y una combinación de ellos. Las especificaciones de clasificación o caracterización de cada uno de ellos son diversos. Por ejemplo, la American Society for Testing Materials (ASTM) define esta clasificación en base a límites en el tamaño de granos, mediante el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (SUCS).

En este sistema la grava (G) se define como el material que tiene partículas de roca redondeadas o semiredondeadas, que pasan la malla de 3” y son retenidas por la malla de 2 mm. Las partículas mayores de 10” se llaman cantos rodados.

La arena (S) es considerada por la ASTM como la roca desintegrada, cuyas partículas varían entre un límite inferior de la grava 2.0 mm y 0.074 mm, clasificándola en arena gruesa o fina, dependiendo del tamaño de los granos. Mientras que la arena es un material granular no cohesivo cuyas partículas tienen un forma definida, para la ASTM el limo (M) es un material más fino que la arena y, por tanto, sus partículas son más pequeñas de 0.074 mm pero mayores a 0.005 mm. Es un material no cohesivo y tiene poca o ninguna resistencia, con poca capacidad de compactación.

La arcilla (C) es definida también por la ASTM como un material cohesivo cuyas partículas tienen menos de 0.005 mm. Esta cohesión entre partículas le da a la arcilla una alta resistencia cuando se seca y es muy susceptible a los cambios de volumen con las variaciones de

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Programa de Titulación 2006. Ingeniería Civil. Universidad de Piura.

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humedad. Su plasticidad se relaciona con un determinado rango de humedad y sus partículas tienen forma laminar, como láminas de wafer o galletas.

Finalmente la definición que le da la ASTM al material orgánico (O) es un conjunto de material vegetal descompuesto, de estructura esponjosa e inestable que continuará descomponiéndose y es químicamente reactiva. Si se encuentra presente en un suelo que va a ser usados con fines de construcción, debe removerse y reemplazarse con un suelo más apropiado.

Como se mencionó anteriormente, los suelos no se encuentran bajo estas condiciones de clasificación en la naturaleza. Por lo general, se encuentran mezclados entre sí, por lo que hace falta ampliar la clasificación. Pueden haber arenas con contenido significativos de arcilla; arcillas con contenido significativos de gravas. Estas subdivisiones se han organizado en un sistema de clasificación denomina SUCS, Sistema unificado de clasificación de suelos, que toma en cuenta las proporciones en que se mezclan los tipos principales de suelos mencionados. En la Tabla 2.1 se muestra un resumen de este sistema de clasificación.

Como los suelos en su condición natural no contienen las cantidades de cada tipo de material necesarias para producir las propiedades requeridas para la construcción, se pueden obtener suelos de distintas fuentes y mezclarlos para usarlos en un relleno. Otras veces el material se presenta en capas de diferentes tipos y clasificación, con características distintas cada una a las especificaciones de un proyecto. En este caso se puede usar equipo para excavar verticalmente a través de las capas y facilitar la mezcla de todo el conjunto.

Tabla 2.1 Sistema de clasificación unificado (SUCS).

Símbolo Descripción GW Gravas bien graduadas, con pocos o ningún fino. GP Gravas pobremente graduadas, con pocos o ningún fino. GM Gravas con limos, pobremente graduadas. GC Gravas con arcillas, pobremente graduadas SW Arena bien graduada, con pocos o ningún fino. SP Arena pobremente graduadas, con pocos o ningún fino. SM Arena con limos, pobremente graduadas. SC Arena con arcillas, pobremente graduadas ML Limo inorgánico, de baja plasticidad. CL Arcilla inorgánica, de baja plasticidad. OL Limo o arcilla orgánicos, de baja plasticidad. MH Limo inorgánico, de alta plasticidad. CH Arcilla inorgánica, de alta plasticidad. OH Limo o arcilla orgánicos, de alta plasticidad.

Fuente: Peurifoy y Schexnayder (2002). Construction Planning, Equipment and Methods.

Otras especificaciones relacionan una determinada gradación del material y valores máximos de límites de consistencia. El sistema de clasificación de suelos de la Asociación Americana de Oficiales Estatales de Carreteras y Transporte (AASHTO), es el más usado en la construcción de carreteras y relaciona ambos parámetros. En la Tabla 2.2 se muestra la clasificación propuesta por este sistema.

El sistema de clasificación AASHTO se basa en el parámetro denominado Índice de Grupo, que se calcula en función del tamaño de partículas, el límite líquido y el índice plasticidad. El índice de grupo es una medida de la conveniencia del material para la construcción de un

Capitulo 2 Proceso y equipos de compactación

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relleno. Un índice de grupo igual a cero indica que el material es muy bueno y un valor de 20, que es muy pobre o deficiente. Hay que aclarar que un material granular, definido como tal bajo el sistema de clasificación AASHTO no coincidirá necesariamente con la misma denominación en el sistema SUCS, ya que para AASHTO puede tener un contenido alto de finos con plasticidad alta.

Los sistemas ASTM y AASHTO sirven para caracterizar el material con fines de diseño. Para establecer cálculos de producción y medidas de pago en movimiento de tierras se usa una clasificación distinta, como se explica en el numeral 1.5.3.

Tabla 2.2 Sistema AASHTO de clasificación de suelos para pavimentos.

% que pasa la malla Fracción que pasa la malla No. 40

Clasificación general Grupo

No. 10 No. 40 No. 200 LL IP

Índice de Grupo

A-1-a < 50 < 30 < 15 --- < 6 0 A-1-b --- < 50 < 25 --- < 6 0 A-2-4 --- --- < 35 < 40 < 10 0 A-2-5 --- --- < 35 > 41 < 10 0 A-2-6 --- --- < 35 < 40 > 11 < 4 A-2-7 --- --- < 35 > 41 > 11 < 4

Material granular (menos del 35% pasa la malla No. 200)

A-3 --- > 51 < 10 --- NP 0 A-4 --- --- > 36 < 40 < 10 < 8 A-5 --- --- > 36 > 41 < 10 < 12 A-6 --- --- > 36 < 40 > 11 < 16 A-7-5 --- --- > 36 > 41 > 11 < 20

Material limo-arcilloso (más del 35% pasa la malla No. 200)

A-7-6 --- --- > 36 > 41 > 11 < 20

Fuente: Peurifoy y Schexnayder (2002). Construction Planning, Equipment and Methods.

Las rocas forman una categoría aparte en esta clasificación. Los procesos de formación de las rocas afectan los trabajos de excavación y manipulación. Estos procesos de formación originan tres tipos de roca: las rocas ígneas que se solidificaron a partir de masas líquidas; las rocas sedimentarias que se formaron en capas asentadas por el transporte por agua o por viento; y las rocas metamórficas, formadas a partir de la transformación de los dos materiales anteriores con calor o presión.

2.1.1. Relaciones volumen-peso del suelo

Una masa de suelo en la condición natural puede estar compuesta por tres fases: aire, agua y suelo propiamente dicho. En la Figura 2.1 se muestra un esquema de un trozo de suelo, con las principales relaciones de volumen y peso.

Si se definen los términos peso total del bloque de suelo (W), peso de agua (Ww), peso de suelo (Ws), volumen total del bloque de suelo (V), volumen de aire (Va), volumen de agua (Vw) y volumen de las partículas sólidas del suelo (Vs), es posible establecer una serie de relaciones de peso y volumen entre ellos.

El peso unitario se define como el cociente entre el peso total de la masa de suelo y su volumen.


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V

W=γ

Ec. 2.1

Aire

Agua

Suelo

Wa=0

Ww

Ws

W

Va

Vv

Vs

Vw V

Figura 2.1 Relaciones entre el peso y el volumen en una masa de suelo.

Si se definen los términos peso total del bloque de suelo (W), peso de agua (Ww), peso de suelo (Ws), volumen total del bloque de suelo (V), volumen de aire (Va), volumen de agua (Vw) y volumen de las partículas sólidas del suelo (Vs), es posible establecer una serie de relaciones de peso y volumen entre ellos.

El peso unitario se define como el cociente entre el peso total de la masa de suelo y su volumen.

V

W=γ

Ec. 2.2

Si a esta masa de suelo, sin modificar su volumen, se le extrae el agua, el peso total es igual al peso de suelo, lo cual define el peso unitario seco.

V

Wsd =γ

Ec. 2.3

La cantidad de agua que contienen la masa de suelo se puede relacionar con el peso de suelo a través del contenido de humedad, con:

s

w

W

Ww =

Ec. 2.4

El volumen que ocupa el aire y el agua en la masa de suelo se relacionan con el volumen de las partículas sólidas a través de la relación de vacíos, con:

s

v

V

Ve =

Ec. 2.5


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La expresión anterior relaciona los vacíos respecto a la masa de suelo total a través de la porosidad, con la Ec. 2.6:

V

Vv=η

Ec. 2.6

Otra relación es el peso unitario de los sólidos (Gs), que expresa el peso unitario sólo de las partículas sólidas.

wS

SS

V

WG

γ

1⋅=

Ec. 2.7

Se pueden derivar más fórmulas a partir de estas relaciones básicas, pero la más útil es la que relaciona el peso del suelo y la humedad, como se expresa en la fórmula de la Ec. 2.8. El peso del suelo seco es igual al peso total del suelo dividido entre la suma de la unidad y la humedad.

w

WWs

+=

1

Ec. 2.8

Para una misma condición, una masa de suelo ocupa el mismo volumen aunque sólo cambie de humedad. Los espacios vacíos que antes ocupaba el agua ahora son ocupados por aire. Si la Ec. 2.8 se divide entre el volumen total, se obtiene la Ec. 2.9 que representa la misma relación anterior expresada en términos de pesos unitarios.

wd

+=

1

γγ

Ec. 2.9

Donde γ es el peso unitario total o húmedo, γd es el peso unitario seco y w es el contenido de humedad. Nótese que γ y γd deben estar en la misma condición de compactación, ya sea en estado natural, suelto o compactado. La expresión de la ecuación Ec. 2.9 sólo relaciona contenidos de humedad pero el suelo no ha cambiado de volumen.

Un suelo no puede caracterizarse únicamente por su humedad. Para una determinada humedad, es posible tener infinidad de estados dependiendo del volumen de aire contenido en el suelo y cada estado por lo general se identifica por su densidad seca (densidad seca en banco, densidad seca compactada, densidad seca suelta, etc.).

El peso unitario seco y el contenido de humedad son las propiedades del suelo que más se aplican en movimiento de tierras. Por ejemplo, en los procesos de compactación, las especificaciones pueden exigir la extracción o adición de agua a la masa de suelo para modificar el contenido de humedad y el cálculo del agua necesaria se logra ajustando el volumen de relleno en condición natural o suelta a la condición compactada y estimando la diferencia de humedad entre ellas.

2.1.2. Límites de plasticidad del suelo

La plasticidad es una característica que le confiere al suelo un comportamiento diferencial. Por ello se han desarrollado algunos límites de consistencia del suelo –límite líquido, límite plástico- con el fin de diferenciar los materiales con alta y media plasticidad hasta los que no la poseen.


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El límite líquido (LL) representa el contenido de humedad para el cual el suelo pasa del estado plástico al estado líquido. Unos valores altos de LL están asociados con los suelos de alta compresibilidad. Por ejemplo, las arcillas tienen valores de LL altos; los suelos arenosos tienen valores bajos.

El límite plástico (LP) representa el contenido de humedad para el cual el suelo pasa del estado plástico al semisólido. Físicamente, corresponde al mínimo contenido de humedad con el cual un suelo puede enrollarse con 3.2 mm (1/8”) de diámetro sin romperse.

El índice de plasticidad (IP) es la diferencia numérica entre el límite líquido de un suelo y su límite plástico (IP = LL - LP). Los suelos que tienen un índice de plasticidad alto son un poco compresibles y tienen alta cohesión.

2.2. Especificaciones y control de compactación

Antes de preparar las especificaciones para un proyecto, se deben recoger muestras de suelo representativas y ensayarlas en el laboratorio para determinar su propiedades. Normalmente las pruebas son análisis granulométricos, ya que el tamaño de granos y su distribución son propiedades importantes que afectan la utilidad del suelo.

Otro ensayo decisivo en la construcción de una carretera es la curva de compactación de laboratorio. A partir de dicha curva, se puede determinar el máximo peso unitario seco (máxima densidad seca) y el porcentaje de agua requerida para conseguir esa máxima densidad. Este porcentaje de agua que corresponde a la máxima densidad seca (para una determinada energía de compactación) se conoce como contenido óptimo de humedad o

humedad óptima y es la cantidad de agua requerida para que un determinado suelo alcance su máxima densidad.

En el proceso de compactación se busca disminuir el volumen de la masa de suelo acercando las partículas lo más posible. Si el suelo está muy seco, es difícil lograr esta aproximación y si está muy húmedo, las partículas se desplazan sin asentarse. El punto óptimo de humedad permite el mejor arreglo para lograr el mínimo volumen, y por tanto, la máxima densidad.

La Figura 2.2 muestra dos curvas de compactación obtenidas con distintos niveles de energía de compactación. Las curvas se han dibujado en peso seco (kg/m3) versus contenido de humedad (%). Cada una de ellas ilustra el efecto de la variación del contenido de humedad sobre la densidad de un suelo sometido a una determinada energía de compactación. Los dos niveles de compactación dibujados corresponden a los ensayos Próctor Estándar y Modificado, respectivamente. Se nota que el Próctor Modificado (mayor energía) proporciona una mayor densidad a un menor contenido de humedad que el ensayo estándar. Para el material representado en las curvas de la Figura 2.2, la humedad óptima con el Próctor Estándar es 14% contra 12% del Próctor Modificado.

Esta diferencia en el óptimo contenido de humedad es un resultado de reemplazar la acción lubricante del agua durante el proceso de densificación por energía mecánica. El contratista que trabaja con una especificación Próctor Modificada (que se realiza con una mayor energía de compactación) tendrá que planificar en el proyecto un mayor número de pasadas con el equipo de compactación o usar un equipo más pesado. Pero al mismo tiempo, se compensa con la necesidad de una menor cantidad de agua.


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1.00

1.10

1.20

1.30

1.40

1.50

1.60

1.70

1.80

1.90

2.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00

Contenido de humedad (w,%)

'HQVL

GDG�V

HFD��

�NJ�P

��

Figura 2.2 Curvas de compactación estándar y modificada (Fuente: Peurifoy (2002)

Construction Planning, Equipment and Methods, pág. 89).

2.3. Ensayos de compactación

El ensayo de compactación de laboratorio aceptado por la mayoría de las entidades que construyen carreteras es el ensayo Próctor. Para este ensayo se usa una muestra de suelo compuesta por material menor a ¼”. La muestra se coloca en un molde metálico en tres capas iguales. El molde cilíndrico de acero tiene dentro un diámetro de 10 cm (4”) y una altura de 11.6 cm (4.59”). En el ensayo estándar, cada una de las capas se compactan con la caída de un martillo de 12.1 kg (5.5 libras) que golpea el material 25 veces desde una altura de 12 pulgadas sobre la muestra (ver Figura 2.3). El espécimen se remueve del molde y se pesa. Luego, se toma una muestra del cilindro y se pesa. Esa muestra se seca hasta eliminar toda la humedad y se pesa de nuevo, de modo que se pueda determinar el contenido de humedad. Con la información del contenido de humedad ya es posible calcular el peso seco del material. El ensayo se repite, generalmente variando el contenido de humedad cada vez y se grafica para determinar el contenido de humedad óptimo. Este ensayo está designado por ASTM D-698, AASHTO T99 ó NTP 339-142.

El ensayo próctor modificado está designado por ASTM D-1557, AASHTO T 180 o NTP 339-141. Se realiza de la misma manera, aplicando una mayor energía con un martillo de 2.2 kg (10 libras), una altura de caída de 45 cm (18”) y un total de cinco capas iguales (ver Figura 2.3).

Línea de óptimo

Próctor Modificado

Próctor Estándar

Cero vacíos


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22.0 kg

12.1 kg 45 cm.

25 cm.

Capa 3

Capa 2

Capa 1

Capa 3

Capa 2

Capa 1

Capa 4

Capa 5

Figura 2.3 Ensayos de compactación estándar y modificado.

2.4. Control de compactación en el campo

Las especificaciones para un proyecto pueden requerir que un contratista compacte el suelo al 100% de su densidad máxima, basada en el ensayo Próctor Estándar o en ensayos de laboratorio con un nivel de energía similar. Si la máxima densidad seca del suelo en laboratorio se determina que es 2.20 kg/m3, el contratista deberá compactar el suelo en el campo hasta lograr una densidad de 2.20 kg/m3.

Para verificar en el campo que se ha logrado la compactación se pueden realizar ensayos como el cono de arena, el balón de agua o el ensayo nuclear. Los primeros dos métodos son ensayos destructivos que consisten en excavar un hueco en el material compactado y pesar el material extraído, medir el volumen del agujero resultante usando arena o un balón de agua, determinar luego el contenido de humedad del material excavado y calcular la densidad usando el peso total obtenido, la humedad y el volumen del agujero.

La conversión a densidad seca se puede hacer gracias al contenido de humedad conocido. Las desventajas de estos métodos son que (1) consume demasiado tiempo realizar suficientes ensayos para un análisis estadístico completo, (2) hay problemas con las partículas de gran tamaño, y (3) se demora en determinar el contenido de humedad. Como en cada una de las capas colocadas se realiza un ensayo, cualquier demora en los ensayos o en su aceptación por parte de la supervisión puede demorar también el proceso constructivo.

2.4.1. Ensayo de compactación Nuclear

Los métodos nucleares se usan ampliamente para determinar el contenido de humedad y la densidad de los suelos. El instrumental requerido para este ensayo puede transportarse y colocarse fácilmente al relleno en la ubicación que se desee, y en unos pocos minutos, se pueden leer los resultados directamente de una pantalla digital.

Este sistema usa el efecto Compton de los rayos gamma para determinar la densidad y la termalización hidrógena de la velocidad de los neutrones para las determinaciones de humedad. Los rayos emitidos ingresan en el terreno, donde una parte es absorbida y la otra reflejada. Los rayos reflejados pasan a través de unos tubos Geiger-Müller en la superficie del equipo. Los rayos reflejados se cuentan cada minuto y se leen directamente en el equipo y se relacionan con curvas calibradas de humedad y densidad.


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Las ventajas de este método nuclear con los otros métodos son la disminución del tiempo requerido para cada ensayo. De un día que tardan los otros métodos, éste requiere de algunos minutos, eliminando además las demoras excesivas durante la construcción. Como se pueden tomar más muestras por unidad de tiempo, el ingeniero puede caracterizar mejor la densidad lograda. Otra ventaja es que es un ensayo no destructivo, que no requiere remover las muestras de suelo del lugar de los ensayos; proporciona resultados en suelos con agregados de gran tamaño y reduce o elimina -siempre que esté bien calibrado el equipo y se use correctamente- el posible error en la operación del personal. Los resultados erráticos pueden verificarse de manera fácil y rápida.

Como estos ensayos se realizan con instrumentos que presentan una fuente potencial de radiación, el operador debe estar certificado y deben tomarse medidas especiales para garantizar que no se produzcan daños al usar los instrumentos. Siguiendo las instrucciones del equipo y teniendo suficiente cuidado, se puede asegurar que la exposición a materiales radiactivos se mantenga a niveles por debajo de los límites indicados. En los países donde se usa se requiere una licencia para poseer o usar estos instrumentos.

2.4.2. Ensayo GeoGauge

Otro ensayo no destructivo que no requiere remover muestras de suelo en el campo es el GeoGauge. Este recurso es muy nuevo en el mercado. En 1994 el Departamento de Transportes de Minnesota ensayó el primer modelo de prototipo en un programa auspiciado por la Administración Federal de Carreteras de Estados Unidos (FHWA). Actualmente están disponibles muchos modelos y cada año más agencias de ese país dirigen evaluaciones de campo del método.

El GeoGauge es un instrumento portátil que proporciona un mecanismo simple, rápido y preciso de medición directa de la suavidad de las capas y el módulo del suelo, que da datos sobre la densidad del suelo. El instrumento aplica desplazamientos muy pequeños del suelo (menores a 1.27x10-6 m. ó 0.00005”) en 25 frecuencias establecidas entre 100 y 196 Hz. Se determina la suavidad para cada frecuencia y se muestra el promedio. El proceso completo toma alrededor de 1 minuto. Si se asume un Módulo de Poisson y se conocen las dimensiones físicas del motor, se pueden derivar el módulo de corte y el módulo de Young. El motor pesa alrededor de 10 Kg, tiene 28 cm de diámetro y 25.4 cm de alto y descansa sobre un soporte en forma de anillo. La energía la proporcionan las baterías secas convencionales.


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Figura 2.4 Equipo GeoGauge más usado y disponible en el mercado1.

2.4.3. Energía de compactación en el campo

La máxima densidad seca es sólo un máximo que se logra para un determinado nivel de energía de compactación aplicada y el método de aplicación. Es fácil conseguir en el campo una energía de compactación similar o mayor a la aplicada en el laboratorio con el equipo adecuado. Si se aplica en el campo una mayor energía de compactación, se puede lograr una densidad mayor al 100% del valor obtenido en el laboratorio.

Cada material tiene una curva de compactación y también valores máximos distintos para una misma energía aplicada. Por ejemplo, el material afirmado (mezcla de arcilla, arena y grava consolidado naturalmente) tiene una densidad seca entre 2.2 gr/cm3 y 2.6 gr/cm3 con humedades óptimas entre 6% y 8% cuando es de buena calidad, mientras que el mismo material de mala calidad alcanza densidades menores a 2.2 gr/cm3. Las arenas limosas por ejemplo tienen densidades máximas entre 1.7 gr/cm3 y 1.5 gr/cm3 con humedades óptimas entre 10% y 12%. Las arenas bien graduadas tienen una densidad seca mayor que los suelos uniformes. Cuando la plasticidad se incrementa, la densidad seca de los suelos arcillosos disminuye.

En la Figura 2.2 se debe observar también los contenidos de humedad mayores al óptimo producen una disminución de la densidad. Esto se explica porque, inicialmente, el agua sirve de lubricante para el acomodo de los granos de suelo y ayuda para que la compactación mecánica los mueva hasta lograr un arreglo físico compacto. Pero la densidad del agua es menor que la de las partículas de suelo, y en para un contenido de humedad por encima del óptimo, el agua está reemplazando los granos de suelo de la matriz. Si se realiza la compactación con un contenido de humedad que sea mucho mayor al óptimo, ningún esfuerzo lograría llegar a la máxima densidad; todo esfuerzo de compactación sería una pérdida de esfuerzo. Estos suelos están “sobrecompactados” y tienen en su interior planos de corte que reduce mucho su resistencia.

2.5. Procesamiento del suelo

El contenido de humedad óptimo para la compactación varía entre 10 a 25% para suelos de grano fino y entre 6% y 12% para suelos granulares bien graduados. Como es difícil lograr y

1 http://www.humboldtmfg.com/pdf1/92.pdf


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mantener el contenido de humedad óptimo con exactitud en el campo, la práctica normal sugiere trabajar dentro de un rango aceptable. Este rango está usualmente entre ±2% del óptimo y se permite lograr una densidad lo más cercana posible a la máxima con el mínimo esfuerzo de compactación.

Si el contenido de humedad del suelo está por debajo del rango óptimo, debe añadirse agua antes de iniciar la compactación. Para ello es necesario estimar la cantidad de agua requerida, la velocidad de aplicación, el método de aplicación, los efectos del clima y el tiempo.

El agua puede añadirse al suelo en la zona de extracción (cantera) o en obra (en la zona de construcción) o si es la subrasante, en el terreno natural de la obra. Cuando se procesan materiales granulares, los mejores resultados se obtienen generalmente añadiendo el agua en obra. Después de añadir el agua, se debe mezclar uniformemente con el suelo.

2.5.1. Cantidad de agua requerida

Es esencial determinar la cantidad de agua requerida para lograr el contenido de humedad dentro del rango aceptable para la compactación. En los procesos constructivos, las especificaciones pueden requerir extraer o añadir agua a la masa de suelo. Por ejemplo, si un material de préstamo trabajado en cantera tiene una humedad de 15.5% y la humedad óptima que indican las especificaciones técnicas del proyecto es de 18.3%, el contratista requerirá añadir agua para elevar el contenido de humedad de 15.5% a 18.3%.

En carreteras, la cantidad de agua que debe añadirse o quitarse se calcula normalmente en metros cúbicos, litros o galones. Los cálculos están basados en el peso seco del suelo y el volumen compactado. La fórmula de la Ec. 2.10 puede usarse para calcular la cantidad de agua total que debe agregarse o quitarse del suelo en condición compactado:

( )w

Cinicialfinald

w

VQ

γ

ωωγ −=

Ec. 2.10

Donde:

Qw es la cantidad de agua, en m3. Si el volumen de agua se requiere en galones o litros, se aplican las conversiones correspondientes.

γd es la densidad seca del material en condición compactada, en kg/m3.

wfinal es el contenido de humedad a la que se quiere llegar.

winicial es el contenido de humedad que tiene al momento de hacer el proceso.

VC es el volumen de material en condición compactada.

γw es la densidad del agua, en kg/m3.

Las condiciones climáticas afectan sustancialmente la humedad del suelo. El frío, la lluvia, la nubosidad y la ausencia de vientos pueden permitir retener el agua. Por el contrario, el calor, la ausencia de lluvias, el fuerte sol y los fuertes vientos promueven el secado del suelo. En un clima desértico, la evaporación reclama una gran cantidad de agua de la capa superficial. Por ello, para un proyecto en zonas desérticas, el ingeniero debería incrementar el contenido de humedad hasta un 6% por encima del valor óptimo durante los cálculos de la tasa de aplicación y método de aplicación, de tal modo que el contenido de humedad disminuya hasta valores muy cercanos al deseado cuando el material se coloque y vaya a ser compactado.

Cuando se tenga que adicionar agua es una buena práctica ajustar el contenido de humedad deseado un 2% por encima del valor óptimo, pero eso depende de las condiciones ambientales


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(temperatura y viento) y el tipo de suelo. Una respuesta negativa indica que el agua debe removerse del material de préstamo antes de compactarlo.

Los cálculos por lo general se basan en condiciones compactadas porque la adición del agua se realiza cuando el material ya se ha coloca en obra y se procede a la aplicación de energía mecánica con equipos de compactación. Pero otras veces, el material se adiciona en estado natural, como es el caso de la adición en cantera o cuando se está trabajando la subrasante. En tales condiciones, los cálculos con la Ec. 2.10 deberían usar el volumen natural o en banco y la densidad seca en estado natural correspondiente.

2.5.2. Tasa de aplicación

Una vez calculada la cantidad de agua, se debe determinar la velocidad con que se deberá adicionar el agua o tasa de aplicación. Normalmente, la tasa de aplicación (Tw) se calcula en galones por estación, galones por unidad de longitud o litros por metro cuadrado, usando la fórmula deducida a partir de la Ec. 2.10 anterior.

Si se desea la cantidad de agua por estación, se usará como VC los metros cúbicos contenidos en un tramo entre estaciones (m3/estación); si se desea por unidad de longitud, será el volumen de material contenido en un metro de longitud de carretera (m3/m); si se requiere por área, será el volumen contenido en un metro cuadrado de carretera (m3/m2).

2.5.3. Métodos de aplicación

Una vez calculada la tasa de aplicación, se debe determinar la forma de aplicación, pues es importante asegurar que la tasa calculada y que el agua se distribuya en forma uniforme. Los métodos más comunes son el distribuidor de agua y el método de saturación.

2.5.3.1. Distribuidor de agua

En los proyectos de construcción, el método más común para añadir agua al suelo es mediante un distribuidor de agua. Los distribuidores de agua están diseñados para distribuir correctamente el agua sobre el terreno. Estos distribuidores son como camiones cisterna (muchos de ellos lo son) diseñados para distribuir el agua bajo diferentes presiones o por gravedad. Otros están equipados con un barra posterior de aspersión. El operador entonces puede mantener la tasa de aplicación del agua controlando la velocidad del vehículo.

2.5.3.2. Saturación

Cuando hay suficiente tiempo y agua, ésta se puede añadir al suelo, saturando el área requerida hasta que el agua penetre una determinada profundidad. Como se mencionó en el numeral 2.2, un exceso de agua puede dificultar el acomodo de las partículas y dificultar el logro de la densidad deseada. Es esos casos, debe tomarse medidas para reducir en contenido de humedad dentro del rango requerido.

2.5.4. Métodos de secado

Como se mencionó antes, el método de saturación origina un exceso de humedad en el suelo. Otras veces, las condiciones climáticas hacen que la lluvia sature el material o simplemente su proximidad al agua freática es la causa. Para esos casos la solución es reducir el agua hasta llegar a las condiciones especificadas.


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Las acciones de secado pueden ser tan simples como esperar a que se seque el suelo por simple aireación, o tan complicadas como añadir al suelo un agente estabilizador que en realidad cambia las propiedades físicas del suelo. Esta es una práctica muy común en las zonas tropicales de la selva peruana, donde las condiciones de lluvia casi permanente imposibilitan el secado del suelo. La cal y el cloruro de sodio son los agentes estabilizadores típicos de los suelos de grano fino.

Si un nivel freático alto es el causante del exceso de humedad, la solución requerirá una forma de drenaje subsuperficial antes de proceder a reducir el contenido de humedad del suelo.

Lo más frecuente para reducir la humedad es escarificar el suelo antes de compactarlo. Esto se logra con las uñas escarificadoras (el ripper) de la motoniveladora o arando el suelo. Una motoniveladora puede usar además su cuchilla para abrir el suelo y dejar más material expuesto al secado.

2.5.5. Mezcla y batido

El método de preparación del suelo previa a la compactación es un factor muy importante que tiene una gran influencia en los resultados, pero que no ha sido apreciada claramente. Ya sea que se agregue agua al suelo para incrementar el contenido de humedad o se agregue un agente de secado para reducirla, es esencial mezclar el agua o el agente estabilizante vigorosa y uniformemente con el suelo.

La mezcla del material excavado para lograr una composición homogénea y un contenido de humedad uniforme durante la colocación de las capas es también muy importante. Aún cuando no se requiera agua adicional, la mezcla es necesaria para asegurar la distribución uniforme de la humedad existente. La mezcla se logra con las motoniveladoras, tractores agrícolas o cosechadoras rotatorias.

La motoniveladoras convencionales pueden usarse para mezclar o batir un aditivo de suelo (agua o agente estabilizante) empujando el material de un lado a otro en una franja de trabajo.

2.6. Métodos y equipo de compactación

Con tiempo, los materiales se asientan o se compactan por sí mismos, de manera natural. Aunque este proceso no es propiamente una compactación sino una consolidación, es conveniente aclarar que el objetivo de la compactación es lograr la densidad requerida de manera muy rápida. El método de compactación más antiguo que se conoce está en los registros de la construcción de caminos del Imperio Romano. Los romanos se dieron cuenta que la compactación podía mejorar las propiedades ingenieriles de los suelos y para ello usaban grandes rodillos hechos de cilindros de piedra para lograr la densificación mecánica de las bases de sus carreteras.

Pero la densidad que se busca con la compactación no es el objetivo último, sino que es el medio para especificar una determinada condición del material que se requiere por su facilidad de medición en campo. Por lo general, casi todas las propiedades del suelo se pueden relacionar con ella y los documentos contractuales indican el logro de una densidad especificada en obra, aún cuando son otras las propiedades que se tienen como objetivo crucial para la calidad del proyecto. Por ejemplo, se puede buscar la reducción o prevención de asentamientos, el incremento de la resistencia, la mejora de la capacidad portante, el control de los cambios de volumen, la disminución de la permeabilidad, etc.

Puede haber otros métodos para conseguir las propiedades deseadas del suelo, pero el método más usado para reforzar el suelo es el de la compactación a una humedad óptima. Los beneficios de una adecuada compactación son enormes, considerando además sus costos.


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La compactación en el campo se logra haciendo pasar sobre un suelo un equipo pesado un determinado número de veces. Esto representará una determinada energía de compactación en obra. Por ejemplo, una capa uniforme de suelo de 10 a 30 centímetros de espesor se compacta con varias pasadas de un equipo de compactación mecanizado.

Los métodos más conocidos de aplicación de energía son por impacto o golpes, por presión usando un peso estático, por vibración sacudiendo las partículas y por amasado, manipulando o reacomodándolas. La eficiencia de los distintos métodos de compactación depende del tipo de suelo que se manipula. Los métodos apropiados de compactación según el tipo de suelo se identifican en la Tabla 2.3.

No se puede decir que exista un equipo que corresponda a uno solo de los métodos de compactación. Los fabricantes han desarrollado distintos compactadores que incorporan en sus capacidades de funcionamiento al menos uno de los métodos de compactación mencionados y en algunos casos, más de uno. Algunos de estos equipos disponibles en el mercado son los rodillos de pisones2, los rodillos lisos vibratorios, los compactadores de pisones vibratorio, los rodillos neumáticos, entre los más populares.

Tabla 2.3 Método de compactación según el tipo de suelo3.

Material Impacto Presión Vibración Amasado Grava Pobre No Bueno Muy bueno Arena Pobre No Excelente Bueno Limo Bueno Bueno Pobre Excelente Arcilla Excelente con confinamiento Muy bueno No Bueno

Fuente: Peurifoy, R. Construction Planning, Equipment and Methods. 2002. Pág. 99.

En la Tabla 2.4 se relacionan los métodos de compactación con varios tipos de compactadores. Además, existen otros rodillos lisos como se explica en el numeral 2.6.5 Los rodillos vibratorios son más eficientes que los rodillos lisos, los cuales han sido casi totalmente desplazados en el mercado.

Tabla 2.4 Métodos de compactación usados por los equipos de compactación.

Tipo de compactador Impacto Presión Vibración Amasado Pata de cabra X Pisones X X Rodillo liso X Rodillo liso vibratorio X X Rodillo de pisones vibratorio X X Neumático X X


2 Los rodillos de pisones que se usan en Latinoamérica son conocidos como los rodillos pata de cabra. Sin

embargo, en la literatura americana, los rodillos pata de cabra tienen sus propias características, muy distintas

a los rodillos de pisones, aunque el principio de funcionamiento es similar. 3 Peurifoy/Schexnayder (2002). Construction planning, equipment and methods. Mc Graw-Hill. USA. Pág. 99.


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En algunos proyectos puede ser deseable usar más de un tipo de compactador para lograr los resultados deseados con la mayor economía. El objetivo final es construir un relleno de calidad en el menor tiempo posible y al menor costo, y esto significa que el equipo de compactación debe ser el adecuado para trabajar con el material. Por lo tanto, el trabajo debe examinarse muy de cerca y tomarse muestras de material de la excavación y del material de préstamo.

No se puede seleccionar el equipo de excavación y compactación apropiado hasta que no se identifiquen correctamente los suelos. La Tabla 2.5 proporciona una guía para la selección del equipo de compactación basado en el tipo de material a trabajar. Como se ve en esta tabla, si no se consigue la densidad requerida con 4 ú 8 pasadas del equipo, debería considerarse el uso de otro equipo más pesado ú otro método.

El cuidado de esparcir el material en una capa uniforme es vital para lograr la densidad durante el proceso de compactación. Por ejemplo, los rellenos de roca se esparcen generalmente en capas de 18” a 48”. Un esparcido consistente ayuda a rellenar los vacíos y orientar a la roca de manera que proporciona al equipo de compactación una superficie adecuada para su desplazamiento. Para las capas más profundas del relleno se usan los rodillos lisos vibratorios más grandes posibles.

Tabla 2.5 Equipo de compactación apropiado según el tipo de material.

Material Espesor de capa (pulgadas)

Pasadas Tipo de compactador

Grava 8-12 3-5 Pisones vibratorio Liso vibratorio Neumático Pata de cabra

Arena 8-10 3-5 Pisones vibratorio Liso vibratorio Neumático Liso estático

Limo 6-8 4-8 Pisones vibratorio Pisones Neumático Pata de cabra

Arcilla 4-6 4-6 Pisones vibratorio Pisones Pata de cabra


Los fabricantes suelen proporcionar gráficos para determinar el rango de aplicación de sus equipos. En la Figura 2.5 se muestra de manera detallada los rangos de uso de cada tipo de compactador en relación con el tipo de suelo.


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Figura 2.5 Equipo de compactación adecuado según el tipo de suelo.

2.6.1. Rodillo liso

Los rodillos lisos provienen del diseño original romano que consistía en un cilindro de piedra halado por tracción animal. El rodillo liso consiste en un cilindro de acero con un determinado peso que compacta el material por presión (Ver Figura 2.6). Inicialmente, el cilindro era llevado por un tractor ú otro equipo automotriz, hasta que se diseñó el actual modelo autopropulsado.

Figura 2.6 Rodillo liso de un solo eje.

Pueden tener uno, dos o tres cilindros. Se usan por lo general en suelos granulares o poco plásticos, para concreto asfáltico en caliente y para tareas de acabado en capas de base. Los rodillos lisos se utilizaron intensamente durante muchos años, pero hoy en día solamente se usan para dar acabado a las capas de rodadura asfáltica después de conseguir la densidad


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adecuada con otros equipos. También pueden ser usarse para el sellado de capas. El efecto de planchado logra alisar y eliminar las marcas dejadas por los otros compactadores.

Los hay también vibratorios, con tambor simple o doble. Los rodillos lisos estáticos han dejado de ser comerciales y los contratistas prefieren adquirir rodillos lisos vibratorios por su mayor versatilidad.

2.6.2. Rodillos especiales con salientes

Los rodillos especiales con salientes son compactadores que consisten en un gran tambor de acero, provistos de salientes que justamente le dan su nombre. La dimensión de las salientes varía según el fabricante así como su forma. El tambor puede ser hueco y se puede aumentar de peso agregando un lastre con el propósito de producir una presión de contacto mayor. Los rodillos pueden ser unidades independientes impulsadas con un tractor de orugas o autopropulsados.

Originalmente, los primeros rodillos tenían salientes con forma de pata de cabra (sheepfoot roller) y de allí nació el nombre de rodillo pata de cabra, que es el nombre como se les llama generalmente y así nos referiremos a lo largo del texto. Posteriormente se desarrollaron salientes con otras formas cónicas o de tronco de cono que dieron origen a los compactadores de pisones (tamping foot en la literatura inglesa), que sin embargo en Latinoamérica se han llamado usando el mismo término original “pata de cabra”, pero que no es la más adecuada (Ver Figura 2.7). La mayor diferencia entre ambos modelos radica en la forma de las salientes, la velocidad que pueden llegar a desarrollar y su capacidad de ser autopropulsados o jalados por un tractor.

(a) Rodillo pata de cabra (b) Compactador de pisones

Figura 2.7 Modelos de compactadores pata de cabra conocidos en Latinoamérica.

El principio de funcionamiento de ambos modelos es el mismo. Estos rodillos compactan penetrando el suelo con las salientes a través de la capa superficial, compactando las capas inferiores. Cada saliente o pie penetra el suelo para producir una acción mixta de amasado y presión y compacta el suelo desde el fondo hacia la superficie de la capa. Cuando el rodillo rota, las salientes salen del suelo, jalan y aflojan el material debido a su forma.

Las salientes se entierran para amasar y apisonar el material fresco hacia la capa compactada previamente, mientras que la parte sólida del compactador aplica presión sobre la parte superior de la nueva capa. La alta presión que se aplica rompe las bolsas de aire y las salientes penetran cerca de su total longitud inicialmente pero conforme se avanza en la compactación la profundidad de penetración disminuye.

A medida que el nivel inferior de la capa se va compactando, el compactador va pisando en el seno del relleno a niveles más y más altos, al aumentar el número de pasadas. Se dice


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entonces que el rodillo va “caminando” hacia fuera del material. Como las salientes están cerradas, el compactador puede caminar por encima de la capa sin aflojar el suelo. Cuando un compactador de este tipo no logra caminar por encima del suelo en la medida que avanza la compactación, puede ser que el rodillo sea demasiado pesado o el suelo esté demasiado húmedo y el rodillo está más bien “esparciendo” el suelo.

Para producir una masa cohesiva y bien consolidada, es mejor no compactar hasta la superficie superior de cada capa. Se logra mejor ligazón de la capa siguiente cuando las últimas pulgadas de material superficial están un poco flojas. Debido al área pequeña de la cara de las salientes, el efecto debajo de su profundidad de penetración es negativo por lo que el espesor de las capas del suelo debe ser un poco mayor que la longitud de las salientes.

Se considera adecuada la operación cuando la saliente penetra sólo entre un 20% a un 50% de su longitud total, lo cual dependerá de la plasticidad del suelo. En materiales arcillosos blandos, se buscará tener penetraciones mucho menores que para una arcilla arenosa, puesto que de esta manera se puede evitar que se adhiera en la saliente una cantidad excesiva de material. Si esto sucede, el rendimiento de la operación disminuye puesto que es menor la cantidad de material que logra compactar.

Como estos rodillos tienden a airear el suelo conforme lo compactan, es apropiado trabajar los suelos con un contenido de humedad por encima del valor óptimo. Además, como no compactan de manera adecuada las 2 ó 3 últimas pulgadas de la capa superior, debe terminarse la compactación con dos pasadas de un rodillo neumático o un rodillo liso si es que no se va a colocar una capa siguiente.

2.6.2.1. Rodillos pata de cabra

Estos rodillos se presentan frecuentemente para trabajar adosados a un tractor de orugas que lo impulsa. El rodillo pata de cabra es apropiado para compactar todos los materiales de grano fino, especialmente cuando el IP es muy grande, mayor de 18% hasta 50%. Generalmente estos suelos plásticos con un alto contenido de arcilla o arenosos con algo de barro cementante.

Figura 2.8 Vista de las salientes de un compactador pata de cabra.


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Las patas normalmente tienen una longitud menor de 25 cm y son muy delgadas terminando en un ensanche de casi 5 cm de diámetro. El tambor puede ser hueco y variando el peso del rodillo por el uso de un balastro en el interior se varía la presión de contacto de las patas. Un tambor sencillo de 1.2 m. de ancho puede pesar entre 1.5 a 7 toneladas, mientras que si se llena con lastre puede aplicar una carga vertical de compactación entre 2.5 a 11.5 ton.

Las velocidades máximas que alcanzan van desde 6.4 a 9.6 Km/h. Usualmente, 6 a 10 pasadas serán necesarias para compactar una capa de 20 cm de espesor. Los suelos se trabajan con una humedad hasta del 3% por encima del valor óptimo requerido.

2.6.2.2. Compactador de pisones

Los compactadores de pisones son rodillos de gran velocidad, que generalmente son autopropulsados y no son vibratorios. Estos rodillos usualmente tienen cuatro llantas de acero con salientes y pueden estar equipados con una cuchilla pequeña para ayudar en la nivelación de la capa (Ver Figura 2.10). Sin embargo, los modelos más sencillos y conocidos en Latinoamérica constan de un solo tambor cilíndrico en la parte anterior autopropulsado y no prescinde de la cuchilla que se menciona.

El funcionamiento es similar al del modelo anterior pata de cabra, puesto que aplica amasado y presión, compactando desde el fondo hacia arriba de la capa. La principal diferencia radica en la forma de las salientes y las velocidades que son capaces de desarrollar. Las salientes terminan en una cara ovalada o rectangular y ésta es menor que la base en el rodillo (Ver Figura 2.9).

Figura 2.9 Formas características de las salientes de un compactador de pisones.

La velocidad de trabajo para estos compactadores va desde 12 a 19 Km/h. Generalmente son suficientes dos o tres pasadas para lograr la compactación de una capa de 20 cm a 30 cm de espesor, pero siempre dependerá de las dimensiones del rodillo. En un limo plástico pobremente graduado o arcillas muy finas tal vez este requerimiento aumente a cuatro pasadas.


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Figura 2.10 Compactador de pisones autopropulsado, con tres tambores y cuchilla

niveladora

Este modelo de compactador es el más usado y distribuido en Latinoamérica. Es efectivo en casi todos los suelos excepto en arena limpia. Para lograr un trabajo económico se necesita que las pasadas sean largas e ininterrumpidas, de modo que el compactador pueda desarrollar la velocidad requerida y genere una alta producción.

Al igual que un rodillo pata de cabra, el compactador de pisones, no compacta adecuadamente las 2 o 3 pulgadas superiores de una capa. Por lo tanto, si no se va a colocar una capa siguiente, se debe culminar la compactación de la capa con un compactador de neumáticos o un rodillo liso para completar la compactación de las pulgadas superiores o para sellar la superficie.

2.6.3. Rodillos de rejilla

Los rodillos de rejilla se han venido usando en materiales que requieren disgregación con mucho éxito. El mejor resultado se ha observado en una gran variedad de suelos, incluyendo arcillas homogéneas, mezclas de arenas, limos y arcillas, con abundancia de finos. La superficie del cilindro está constituida por una parrilla o malla fabricada con barras de acero que forman una cuadrícula.

Estos equipos suelen lastrarse con bloques de concreto o arena húmeda. Pero lo más común es que se fabriquen con pesos muy altos, pudiendo llegar a 14 ton. con lastre y presiones de contacto de 20 kg/cm2.

2.6.4. Rodillos segmentados

Son una variante del rodillo de pisones y se usa generalmente con materiales que requieren disgregación. Su uso se ha extendido también a otros materiales, como arcillas no muy


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plásticas. La forma es similar al rodillo de pisones de un solo tambor, pero está segmentado en tres ruedas adosadas, de aro interrumpido.

2.6.5. Compactadores vibratorios

La vibración crea fuerzas de impacto y estas fuerzas imprimen una mayor potencia de compactación que una carga estática de la misma magnitud. Este hecho es la economía detrás de un compactador vibratorio. Las fuerzas de impacto son mayores que las fuerzas estáticas porque el rodillo vibratorio convierte la energía potencial en energía cinética. Los compactadores vibratorios pueden tener entre uno a más rodillo. Los modelos de dos rodillos tienen la unidad de propulsión en uno de los rodillos y los modelos simples (de un solo rodillo) tienen dos llantas posteriores. También hay compactadores vibratorios montados.

Algunos tipos de suelos como la arena, la grava y el material rocoso relativamente grande responden muy bien a la compactación producida por una combinación de presión y vibración. Cuando estos materiales se vibran las partículas dejan su posición y se desplazan acercándose más con las partículas adyacentes para incrementar la densidad de la masa.

Los tambores vibratorios se activan por un peso excéntrico que produce la acción vibratoria. Este peso excéntrico es sólo un cuerpo que rota alrededor de un eje distinto a su centro de masa. La masa del tambor vibratorio se separa del marco principal del rodillo. Las vibraciones varían normalmente entre 1000 a 5000 por minuto.

Las vibraciones tienen dos medidas –amplitud, que es la medida del movimiento ú onda, y la frecuencia, que es la velocidad del movimiento, o el número de vibraciones (oscilaciones) por segundo o minuto. La amplitud controla el área efectiva o profundidad a la cual se transmite la vibración dentro del suelo, mientras que la frecuencia determina el número de golpes ú oscilaciones que se transmiten en un determinado período de tiempo.

Los impactos aplicados por las vibraciones producen ondas de presión que hace que las partículas se muevan, produciendo la compactación. Cuando se compacta materiales granulares, la frecuencia (el número de golpes en un período dado) es generalmente el parámetro crítico en contra de la amplitud.

La compactación resultante es una función de la frecuencia de los golpes y la fuerza de los mismos así como del período de tiempo sobre el cual se aplican. La relación frecuencia/tiempo permite calcular la mínima velocidad de trabajo requerida cuando se usan los compactadores vibratorios. La velocidad de trabajo es importante porque define cuánto se compacta una determinada parte de un relleno. Una velocidad de trabajo de 3.2 a 6.4 km/h proporciona los mejores resultados cuando se usan los compactadores vibratorios.

2.6.6. Rodillo liso vibratorio

El rodillo liso vibratorio es un rodillo liso provisto de un movimiento excéntrico en el interior del cilindro que le proporciona un movimiento vibratorio. Pueden usarse para la compactación de suelos granulares con tamaños de partículas que van desde grandes fracciones rocosas hasta arena fina. Pueden usarse en suelos semicohesivos, siempre y cuando más del 10% del material tenga un IP de 5. Los rodillos más grandes pueden ser muy eficientes en capas de roca de hasta 90 cm. También se usan para las operaciones de acabado o sellado de capas, pero con la vibración desconectada. En algunos casos se puede incluso hacer vibrar uno de los rodillos dejando el otro estático para sellar la capa.


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Figura 2.11 Rodillo liso vibratorio en tandem o de dos ejes.

Los rodillos lisos vibratorios aplican tres fuerzas de compactación: (1) presión, (2) impacto y (3) vibración. La velocidad de compactación, la frecuencia de vibración y la amplitud se deben adecuar para conseguir la máxima compactación posible. Es importante que tengan un dispositivo automático para desconectar la vibración al detener la marcha del rodillo para evitar que vibren sobre un punto determinado que rompería la compactación. En el caso de los rodillos tandem o de eje doble, es conveniente que los dos tengan tracción para evitar que se formen ondulaciones en el material compactado.

2.6.7. Compactador de pisones vibratorio

Son los mismos rodillos de pisones provistos de un sistema vibratorio dentro del tambor. Estos rodillos son eficientes en suelos de hasta un 50% del material con un IP de 5% o más. Las salientes o pisones son forzados a caminar en la capa sin ablandar el suelo. El espesor típico de capas para que un compactador de pisones vibratorio compacte un suelo cohesivo es de 30 a 45 cm. Estas unidades están equipadas algunas veces con una cuchilla niveladora.

Los rodillos más pequeños pueden ir también hacia atrás y tienen anchos de 60 a 95 cm. Estas unidades están diseñadas para trabajar en zanjas o en áreas confinadas. Los tambores de los rodillos se extienden más allá del ancho del equipo, de modo que se logra la compactación aún en las zonas adyacentes a las paredes de la zanja. Algunos de estos compactadores más pequeños se equipan con sistemas de control remoto para permitir al operador controlar el rodillo sin tener que ingresar a la zanja. La mayoría de estos sistemas usan una frecuencia de radio, lo cual elimina la necesidad de cables alrededor de la zona de trabajo.

2.6.8. Rodillo neumático

Estos rodillos son superficiales que aplican el principio de amasado al efecto de la compactación debajo de la superficie. Pueden ser autopropulsados o montados (Ver Figura 2.12).

Las unidades de llantas pequeñas generalmente tienen dos ejes en tandem con cuatro o cinco llantas en cada uno. Las llantas oscilan, permitiéndoles seguir el contorno de la superficie y


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llegar a las áreas más bajas con una compactación uniforme. Las llantas posteriores están traslapadas respecto a la posición de las llantas delanteras, para cubrir la superficie entre ellas, logrando una cobertura completa de la superficie.

Las llantas se colocan ligeramente fuera de eje, dándoles una acción de ondulación para incrementar la acción de amasado al suelo. Adicionando un balastro, el peso de una unidad puede variar para lograr el necesario según el tipo de suelo.

Los neumáticos pequeños no son apropiados para altas producciones o para proyectos que requieran capas de espesor muy grande. Se usan para proyectos de mediana o pequeña envergadura, fundamentalmente en materiales de base granular. Por lo general se usan para la compactación del concreto asfáltico en capas de rodadura o en tratamientos superficiales. En el capítulo 5 se dan más detalles de esta compactación.

Figura 2.12 Compactador neumático de dos ejes.

Los rodillos con llantas más grandes están disponibles en tamaños que pesan de 15 a 200 toneladas. Tienen dos o más llantas para su desplazamiento en un eje simple central. La presión de las llantas puede variar entre 80 a 150 psi. (1138 kg/cm2 a 2133 kg/cm2). Como se trata de cargas muy altas y altas presión en las llantas, son capaces de compactar los suelos a mayores profundidades. El gasto mayor se debe a la propulsión de estas unidades tan grandes sobre las capas, ya que requieren de tractores con barras de tiro y tracción considerables. Estas unidades se usan con frecuencia para el acabado de subrasantes y bases de campos de aterrizaje y en presas de tierra.

Como el área de contacto entre una llanta y el terreno sobre el cual pasa varían con la presión de aire de la llanta, especificar el peso total o el peso por rueda no es necesariamente un método satisfactorio para indicar la capacidad compactiva del rodillo neumático. Se deben entonces, conocer cuatro parámetros para determinar la capacidad de compactación de los rodillos neumáticos: (1) la carga por rueda, (2) el tamaño de la llanta, (3) el diseño de las estrías de la llanta y (4) la presión.


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2.6.9. Rodillos neumáticos con presión variable

Cuando se usa para compactar suelos a través de todas las etapas de densidad, la primera pasada sobre una capa debe hacerse con una presión de neumáticos relativamente baja para incrementar la flotación y el área de contacto. Sin embargo, cuando un suelo se compacta, la presión de aire en las llantas debe irse incrementando hasta su máxima especificada para la pasada final. Antes de que los rodillos desarrollaran su capacidad de variar la presión de las llantas durante la operación, era necesario detener el avance y (1) ajustar la presión de las llantas, (2) variar el peso del balastro en el rodillo o (3) tener rodillos con diferentes pesos y presiones de llanta en un proyecto para proporcionar las unidades que cumplan las condiciones de compactación requeridas.

Algunos fabricantes producen rodillos que son equipados para permitir al operador variar la presión de las llantas sin detener la máquina. Las primeras pasadas se hacen con una presión relativamente baja y conforme el suelo se compacta, la presión se incrementa según las condiciones particulares del suelo. El uso de este tipo de compactador generalmente permite una compactación adecuada con un menor número de pasada que los rodillos de presión constante.

2.6.10. Compactadores de impacto

A principios de 1940, Aubrey Berrengè desarrolló en Sudáfrica un sistema de compactación de impacto. Entre los años 1949 y 1953 desarrolló los compactadores de “llantas cuadradas”. Actualmente, estos compactadores tienen tres, cuatro y cinco lados.

Figura 2.13 Aubrey Berrengè al lado de un compactador de impacto a finales de 19404.

4 http://www.landpac.com/Theory/history_of_impact_compaction.htm


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El principio de funcionamiento es sencillo. Cuando el compactador está elevado, el rodillo rota levantándose a sí mismo por un lado, y cae de nuevo a tierra. El impacto del rodillo golpeando el suelo proporciona la fuerza de compactación. El mayor énfasis para desarrollar el diseño de este compactador fue la necesidad de desarrollar un implemento con gran energía de compactación que pudiera ser usado para compactar suelos con bajo contenido de humedad en regiones áridas. Estaba también el deseo de tener un implemento que pudiera ayudar al colapso de estructuras inestables de algunos suelos encontrados algunas veces en regiones áridas.

Figura 2.14 Compactador de impacto de tres lados5.

Estos compactadores pueden usarse en un rango amplio de materiales, como roca, arena, grava, limo y arcilla. Pueden manejarse con capas hasta de 90 cm y como impactan el suelo con una gran energía, la densidad se logra a un rango muy amplio de contenidos de humedad.

2.6.11. Compactadores pequeños

Los compactadores pequeños más usados son los discos compactadores, la plancha vibratoria y los martillos compactadores. Se usan para áreas pequeñas o de difícil acceso. La compactación es adecuada siempre y cuando el espesor de capa sea pequeño (generalmente entre 3” y 4”), el contenido de humedad se controla cuidadosamente y se logra una cobertura de área suficiente.

Las principales causas de problemas de densidad cuando se usan estos equipos en el relleno de zanjas son (1) un número de pasadas inadecuado cuando se tiene un espacio confinado, (2) capas demasiado gruesas y (3) contenidos de humedad no adecuados.

5 http://www.landpac.com/Theory/history_of_impact_compaction.htm


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2.6.11.1. Discos compactadores

Para evitar los accidentes de tener un hombre trabajando en zanjas, se coloca algunas veces un disco de compactación similar a un cilindro de pisones, al brazo de una excavadora para lograr la compactación del relleno en zanjas.

Algunos modelos más modernos incluyen sistemas de control remoto para dirigirlos garantizando la seguridad del personal en la obra. Estos sistemas de control remoto pueden ser por radio o por rayos infrarrojos; este último sistema se prefiere en la Comunidad Europea, donde los sistemas de radiofrecuencia no están permitidos.

Figura 2.15 Compactadores de pisones manual a control remoto.

2.6.11.2. Plancha compactadora

Se usan para compactar suelos y concreto asfáltico en ubicaciones donde no pueden llegar las unidades grandes. Pueden ser autopropulsadas, tanto con diesel o gasolina. Estas unidades son clasificadas por la fuerza centrífuga, las revoluciones por minutos, la profundidad de penetración de la vibración (o espesor de capa), avance en m/s y cobertura de área por hora.

Figura 2.16 Plancha compactador vibratoria.

2.6.11.3. Martillos compactadores

Estos martillos se usan para compactar suelos cohesivos o mezclas de suelos en áreas confinadas. Estas unidades tienen un rango de impacto entre 40 a 1200 m-kg por segundo, con impactos de hasta 85 golpes por minuto, dependiendo del modelo especificado. Los criterios


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de desempeño incluyen kg. por golpe, área cubierta por hora y profundidad de compactación en centímetros (espesor de capa). Estos martillos son autopropulsados y cada golpe lo mueve ligeramente hacia delante para alcanzar una nueva área de contacto.

Figura 2.17 Martillo compactador manual.

2.7. Estimación de la producción

Como en cualquier compactador, la energía que es aplicada está en función de la presión de contacto y el área de contacto. Sin embargo, las pruebas que hasta ahora se han realizado con estos equipos demuestran que una presión de contacto muy alta no asegura la máxima densidad de compactación, pero más bien se requiere un mayor contenido de humedad para lograr esta densidad máxima. Es el área de contacto más bien lo que determina la máxima densidad seca, de manera que cuanto mayor es el área de contacto, menor es el número de pasadas requerido para lograrla.

Así es que los compactadores modernos se diseñan con posiciones y espaciamiento de las salientes de modo que se obtiene un equilibrio entre el porcentaje de cubrimiento dado por el suelo que es amasado por las salientes y el área de contacto dada por el espacio entre las salientes. La eficiencia o rendimiento de un compactador cualquiera está dado por las dimensiones del rodillo, el espesor de la capa compactada o de la saliente, la velocidad y el número de pasadas. La expresión matemática del rendimiento es el siguiente:

n

VeBR

1000=

Ec. 2.11

donde:

R : Rendimiento máximo del equipo, en m3/h.

B : Ancho del rodillo, en metros.

e : Espesor de la capa compactada, en metros. Se puede estimar como un % de la longitud de la saliente de ser el caso.


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V : Velocidad con que circula el compactador, en Km/h (ver Tabla 2.6).

N : Número de pasadas del equipo por el mismo lugar.

Este rendimiento está expresado en metros cúbicos de material compactado. Para comparar esta producción con la producción de las operaciones de transporte que trabajan con material en estado suelto hace falta aplicar los factores de conversión apropiados (factor de contracción o esponjamiento) que lo transforme en metros cúbicos de material suelto o bien en material en cantera.

Tabla 2.6 Velocidades recomendadas para la compactación.

Tipo de compactador Velocidad Km/h

Rodillo pata de cabra, tractor remolcador 5 - 8 Compactador de pisones: Primeras 3 pasadas 5 - 8 Resto 13 - 16 Compactador de neumáticos múltiples 8 - 24 Rodillo de tambor liso vibratorio 3 - 6 Rodillo de pisones vibratorio 3 - 6

Hay condiciones externas al equipo y que se relacionan con su uso que pueden reducir el rendimiento. Por tanto, el rendimiento calculado deberá lograrse con la participación del operador, quien deberá tener en cuenta este aspecto. Por lo tanto, existe un factor de eficiencia que se aplica al valor de rendimiento anteriormente calculado, y que tiene como fin reflejar la capacidad del operador para operar el equipo y las facilidades o congestionamientos que generen demoras en su maniobrabilidad. Los valores de eficiencia para las operaciones de compactación que se suelen manejar van entre 45 y 50 minutos por hora.

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