CAPTULO 2. PROCESO Y EQUIPOS DE COMPACTACIN Los materiales
geotcnicos suelos y rocas- son los principales componentes de los
proyectos
decarreteras.Seusanparasoportarlospavimentosparacarreterasypistasdeaterrizajede
aeropuertos,concargasdinmicas.Algunossuelospuedenserapropiadosparausarseen
estadonatural,peroencarreterasporlogeneraldebenexcavarse,procesarseycompactarse
para conseguir los requerimientos tcnicos. Adicionalmente, tanto
los depsitos de agregados
naturalesodematerialrocosoconstituyenaproximadamenteel95%enpesodelconcreto
asfltico y el 75% del concreto hidrulico.
Esindispensablequelaspersonasasociadasaldiseooconstruccindecarreterasconozcan
laspropiedades,caractersticasycomportamientodelosdiferentestiposdesuelosy
agregados.Cuandolosmaterialesdisponiblesenlazonanorenenlosrequerimientos
tcnicos necesarios por la ingeniera, es necesario modificarlos a un
costo eficiente para llegar a cubrir las demandas del proyecto.
Este procesamiento puede ser tan simple como ajustar su
contenidodehumedad,compactarlosomezclarlosconotrosmateriales.Comohayuna
relacindirectaentreelincrementodeladensidad,elincrementodelaresistenciayla
capacidadportante,laspropiedadesdealgunossuelospuedenmejorarsesimplementepor
compactacin.
Enestecaptulosetratarsobrelasprincipalespropiedadesdelosmaterialesgeotcnicosy
losprocesosdecompactacin.Aunquelosmaterialesdelascapasderodaduratambinse
compactan, stos se desarrollan en otro captulo. 2.1.Comportamiento
del suelo
Elsuelo,porsucondicinnatural,esheterogneo.Ensuestadonatural,muyrarasveceses
uniformeyslosepuedetrabajarsiyasehatenidoexperienciapreviaconmateriales
similares.Paralograresto,convienehacerunaclasificacinprevia.Lossuelospueden
clasificarsedeacuerdoaltamaodelaspartculasdelascualesestncompuestos,porsus
propiedades fsicas o por su comportamiento con las variaciones de
humedad. Hay cinco tipos principales de suelo, a saber: grava,
arena, limo, arcilla y material orgnico y una combinacin de ellos.
Las especificaciones de clasificacin o caracterizacin de cada uno
de ellos son diversos. Por ejemplo, la American Society for Testing
Materials (ASTM) define esta clasificacin en base a lmites en el
tamao de granos, mediante el Sistema Unificado de Clasificacin de
Suelos (SUCS).
Enestesistemalagrava(G)sedefinecomoelmaterialquetienepartculasderoca
redondeadasosemiredondeadas,quepasanlamallade3ysonretenidasporlamallade2
mm. Las partculas mayores de 10 se llaman cantos rodados. La arena
(S) es considerada por la ASTM como la roca desintegrada, cuyas
partculas varan entre un lmite inferior de la grava 2.0 mm y 0.074
mm, clasificndola en arena gruesa o fina,
dependiendodeltamaodelosgranos.Mientrasquelaarenaesunmaterialgranularno
cohesivo cuyas partculas tienen un forma definida, para la ASTM el
limo (M) es un material
msfinoquelaarenay,portanto,suspartculassonmspequeasde0.074mmpero
mayores a 0.005 mm. Es un material no cohesivo y tiene poca o
ninguna resistencia, con poca capacidad de compactacin.La arcilla
(C) es definida tambin por la ASTM como un material cohesivo cuyas
partculas tienen menos de 0.005 mm. Esta cohesin entre partculas le
da a la arcilla una alta resistencia
cuandosesecayesmuysusceptiblealoscambiosdevolumenconlasvariacionesde
Programa de Titulacin 2006. Ingeniera Civil. Universidad de Piura.
26 humedad. Su plasticidad se relaciona con un determinado rango de
humedad y sus partculas tienen forma laminar, como lminas de wafer
o galletas.
FinalmenteladefinicinqueledalaASTMalmaterialorgnico(O)esunconjuntode
materialvegetaldescompuesto,deestructuraesponjosaeinestablequecontinuar
descomponindose y es qumicamente reactiva. Si se encuentra presente
en un suelo que va a
serusadosconfinesdeconstruccin,deberemoverseyreemplazarseconunsueloms
apropiado.
Comosemencionanteriormente,lossuelosnoseencuentranbajoestascondicionesde
clasificacinenlanaturaleza.Porlogeneral,seencuentranmezcladosentres,porloque
hacefaltaampliarlaclasificacin.Puedenhaberarenasconcontenidosignificativosde
arcilla; arcillas con contenido significativos de gravas. Estas
subdivisiones se han organizado en un sistema de clasificacin
denomina SUCS, Sistema unificado de clasificacin de suelos,
quetomaencuentalasproporcionesenquesemezclanlostiposprincipalesdesuelos
mencionados. En la Tabla 2.1 se muestra un resumen de este sistema
de clasificacin. Como los suelos en su condicin natural no
contienen las cantidades de cada tipo de material
necesariasparaproducirlaspropiedadesrequeridasparalaconstruccin,sepuedenobtener
suelos de distintas fuentes y mezclarlos para usarlos en un
relleno. Otras veces el material se
presentaencapasdediferentestiposyclasificacin,concaractersticasdistintascadaunaa
lasespecificacionesdeunproyecto.Enestecasosepuedeusarequipoparaexcavar
verticalmente a travs de las capas y facilitar la mezcla de todo el
conjunto. Tabla 2.1 Sistema de clasificacin unificado (SUCS).
SmboloDescripcin GWGravas bien graduadas, con pocos o ningn fino.
GPGravas pobremente graduadas, con pocos o ningn fino. GMGravas con
limos, pobremente graduadas. GCGravas con arcillas, pobremente
graduadas SWArena bien graduada, con pocos o ningn fino. SPArena
pobremente graduadas, con pocos o ningn fino. SMArena con limos,
pobremente graduadas. SCArena con arcillas, pobremente graduadas
MLLimo inorgnico, de baja plasticidad. CLArcilla inorgnica, de baja
plasticidad. OLLimo o arcilla orgnicos, de baja plasticidad. MHLimo
inorgnico, de alta plasticidad. CHArcilla inorgnica, de alta
plasticidad. OHLimo o arcilla orgnicos, de alta plasticidad.
Fuente: Peurifoy y Schexnayder (2002). Construction Planning,
Equipment and Methods. Otras especificaciones relacionan una
determinada gradacin del material y valores mximos de lmites de
consistencia. El sistema de clasificacin de suelos de la Asociacin
Americana
deOficialesEstatalesdeCarreterasyTransporte(AASHTO),eselmsusadoenla
construccindecarreterasyrelacionaambosparmetros.EnlaTabla2.2semuestrala
clasificacin propuesta por este sistema.
ElsistemadeclasificacinAASHTOsebasaenelparmetrodenominadondicedeGrupo,
que se calcula en funcin del tamao de partculas, el lmite lquido y
el ndice plasticidad. El
ndicedegrupoesunamedidadelaconvenienciadelmaterialparalaconstruccindeun
Capitulo 2 Proceso y equipos de compactacin 27 relleno. Un ndice de
grupo igual a cero indica que el material es muy bueno y un valor
de 20,
queesmuypobreodeficiente.Hayqueaclararqueunmaterialgranular,definidocomotal
bajoelsistemadeclasificacinAASHTOnocoincidirnecesariamenteconlamisma
denominacinenelsistemaSUCS,yaqueparaAASHTOpuedeteneruncontenidoaltode
finos con plasticidad alta. Los sistemas ASTM y AASHTO sirven para
caracterizar el material con fines de diseo. Para
establecerclculosdeproduccinymedidasdepagoenmovimientodetierrasseusauna
clasificacin distinta, como se explica en el numeral 1.5.3. Tabla
2.2 Sistema AASHTO de clasificacin de suelos para pavimentos. % que
pasa la mallaFraccinque pasalamalla No. 40 Clasificacin
generalGrupo No. 10No. 40No. 200LLIP ndice de Grupo A-1-a<
50< 30< 15---< 60 A-1-b---< 50< 25---< 60
A-2-4------< 35< 40< 100 A-2-5------< 35> 41< 100
A-2-6------< 35< 40> 11< 4 A-2-7------< 35>
41> 11< 4 Material granular (menosdel35%pasala malla No. 200)
A-3---> 51< 10---NP0 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 (msdel35%pasala malla No. 200) A-7-6------>
36> 41> 11< 20 Fuente: Peurifoy y Schexnayder (2002).
Construction Planning, Equipment and Methods. Las rocas forman una
categora aparte en esta clasificacin. Los procesos de formacin de
las
rocasafectanlostrabajosdeexcavacinymanipulacin.Estosprocesosdeformacin
originan tres tipos de roca: las rocas gneas que se solidificaron a
partir de masas lquidas; las
rocassedimentariasqueseformaronencapasasentadasporeltransporteporaguaopor
viento; y las rocas metamrficas, formadas a partir de la
transformacin de los dos materiales anteriores con calor o presin.
2.1.1.Relaciones volumen-peso del suelo Una masa de suelo en la
condicin natural puede estar compuesta por tres fases: aire, aguay
suelopropiamentedicho.EnlaFigura2.1semuestraunesquemadeuntrozodesuelo,con
las principales relaciones de volumen y peso.
Sisedefinenlostrminospesototaldelbloquedesuelo(W),pesodeagua(Ww),pesode
suelo(Ws),volumentotaldelbloquedesuelo(V),volumendeaire(Va),volumendeagua
(Vw)yvolumendelaspartculasslidasdelsuelo(Vs),esposibleestablecerunaseriede
relaciones de peso y volumen entre ellos.
Elpesounitariosedefinecomoelcocienteentreelpesototaldelamasadesueloysu
volumen. Programa de Titulacin 2006. Ingeniera Civil. Universidad
de Piura. 28 VW= 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.
Sisedefinenlostrminospesototaldelbloquedesuelo(W),pesodeagua(Ww),pesode
suelo(Ws),volumentotaldelbloquedesuelo(V),volumendeaire(Va),volumendeagua
(Vw)yvolumendelaspartculasslidasdelsuelo(Vs),esposibleestablecerunaseriede
relaciones de peso y volumen entre ellos.
Elpesounitariosedefinecomoelcocienteentreelpesototaldelamasadesueloysu
volumen. VW= 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. VWsd= Ec. 2.3 La
cantidad de agua que contienen la masa de suelo se puede relacionar
con el peso de suelo a travs del contenido de humedad, con: swWWw =
Ec. 2.4 El volumen que ocupa el airey el agua en la masa de suelo
se relacionan con el volumen de las partculas slidas a travs de la
relacin de vacos, con: svVVe = Ec. 2.5 Capitulo 2 Proceso y equipos
de compactacin 29
Laexpresinanteriorrelacionalosvacosrespectoalamasadesuelototalatravsdela
porosidad, con la Ec. 2.6: VVv= Ec. 2.6
Otrarelacineselpesounitariodelosslidos(Gs),queexpresaelpesounitarioslodelas
partculas slidas. w SSSVWG1 = Ec. 2.7 Se pueden derivar ms frmulas
a partir de estas relaciones bsicas, pero la ms til es la que
relaciona el peso del suelo y la humedad, como se expresa en la
frmula de la Ec. 2.8. El peso
delsuelosecoesigualalpesototaldelsuelodivididoentrelasumadelaunidadyla
humedad. wWWs+=1 Ec. 2.8 Para una misma condicin, una masa de suelo
ocupa el mismo volumen aunque slo cambie de humedad. Los espacios
vacos 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 relacin anterior expresada en trminos de pesos
unitarios. wd+=1 Ec. 2.9 Donde es el peso unitario total o hmedo, d
es el peso unitario seco y w es el contenido de
humedad.Ntesequeyddebenestarenlamismacondicindecompactacin,yaseaen
estadonatural,sueltoocompactado.LaexpresindelaecuacinEc.2.9slorelaciona
contenidos de humedad pero el suelo no ha cambiado de volumen.
Unsuelonopuedecaracterizarsenicamenteporsuhumedad.Paraunadeterminada
humedad, es posible tener infinidad de estados dependiendo del
volumen de aire contenido en
elsueloycadaestadoporlogeneralseidentificaporsudensidadseca(densidadsecaen
banco, densidad seca compactada, densidad seca suelta, etc.).
Elpesounitariosecoyelcontenidodehumedadsonlaspropiedadesdelsueloquemsse
aplicanenmovimientodetierras.Porejemplo,enlosprocesosdecompactacin,las
especificacionespuedenexigirlaextraccinoadicindeaguaalamasadesuelopara
modificarelcontenidodehumedadyelclculodelaguanecesariaselograajustandoel
volumenderellenoencondicinnaturalosueltaalacondicincompactadayestimandola
diferencia de humedad entre ellas. 2.1.2.Lmites de plasticidad del
suelo
Laplasticidadesunacaractersticaqueleconfierealsuelouncomportamientodiferencial.
Porellosehandesarrolladoalgunoslmitesdeconsistenciadelsuelolmitelquido,lmite
plstico- con el fin de diferenciar los materiales con alta y media
plasticidad hasta los que no la poseen. Programa de Titulacin 2006.
Ingeniera Civil. Universidad de Piura. 30 El lmite lquido (LL)
representa el contenido de humedad para el cual el suelo pasa del
estado
plsticoalestadolquido.UnosvaloresaltosdeLLestnasociadosconlossuelosdealta
compresibilidad.Porejemplo,lasarcillastienenvaloresdeLLaltos;lossuelosarenosos
tienen valores bajos.
Ellmiteplstico(LP)representaelcontenidodehumedadparaelcualelsuelopasadel
estado plstico al semislido. Fsicamente, corresponde al mnimo
contenido de humedad con el cual un suelo puede enrollarse con 3.2
mm (1/8) de dimetro sin romperse. El ndice de plasticidad (IP) es
la diferencia numrica entre el lmite lquido de un suelo y su lmite
plstico (IP = LL - LP). Los suelos que tienen un ndice de
plasticidad alto son un poco compresibles y tienen alta cohesin.
2.2.Especificaciones y control de compactacin
Antesdeprepararlasespecificacionesparaunproyecto,sedebenrecogermuestrasdesuelo
representativasyensayarlasenellaboratorioparadeterminarsupropiedades.Normalmente
laspruebassonanlisisgranulomtricos,yaqueeltamaodegranosysudistribucinson
propiedades importantes que afectan la utilidad del suelo.
Otroensayodecisivoenlaconstruccindeunacarreteraeslacurvadecompactacinde
laboratorio.Apartirdedichacurva,sepuededeterminarelmximopesounitarioseco
(mximadensidadseca)yelporcentajedeaguarequeridaparaconseguiresamxima
densidad.Esteporcentajedeaguaquecorrespondealamximadensidadseca(parauna
determinadaenergadecompactacin)seconocecomocontenidoptimodehumedado
humedad ptima y es la cantidad de agua requerida para que un
determinado suelo alcance su mxima densidad. En el proceso de
compactacin se busca disminuir el volumen de la masa de suelo
acercando las partculas lo ms posible. Si el suelo est muy seco, es
difcil lograr esta aproximacin y si
estmuyhmedo,laspartculassedesplazansinasentarse.Elpuntoptimodehumedad
permite el mejor arreglo para lograr el mnimo volumen, y por tanto,
la mxima densidad. La Figura 2.2 muestra dos curvas de compactacin
obtenidas con distintos niveles de energa
decompactacin.Lascurvassehandibujadoenpesoseco(kg/m3)versuscontenidode
humedad(%).Cadaunadeellasilustraelefectodelavariacindelcontenidodehumedad
sobre la densidad de un suelo sometido a una determinada energa de
compactacin. Los dos
nivelesdecompactacindibujadoscorrespondenalosensayosPrctorEstndary
Modificado, respectivamente. Se nota que el Prctor Modificado
(mayor energa) proporciona
unamayordensidadaunmenorcontenidodehumedadqueelensayoestndar.Parael
materialrepresentadoenlascurvasdelaFigura2.2,lahumedadptimaconelPrctor
Estndar es 14% contra 12% del Prctor Modificado.
Estadiferenciaenelptimocontenidodehumedadesunresultadodereemplazarlaaccin
lubricantedelaguaduranteelprocesodedensificacinporenergamecnica.Elcontratista
que trabaja con una especificacin Prctor Modificada (que se realiza
con una mayor energa
decompactacin)tendrqueplanificarenelproyectounmayornmerodepasadasconel
equipodecompactacinousarunequipomspesado.Peroalmismotiempo,secompensa
con la necesidad de una menor cantidad de agua. Capitulo 2 Proceso
y equipos de compactacin 31
1.001.101.201.301.401.501.601.701.801.902.000.00 5.00 10.00 15.00
20.00 25.00Cont enido de humedad (w,%)Densidad seca (
,kg/m3) Figura 2.2 Curvas de compactacin estndar y modificada
(Fuente: Peurifoy (2002) Construction Planning, Equipment and
Methods, pg. 89). 2.3.Ensayos de compactacin
Elensayodecompactacindelaboratorioaceptadoporlamayoradelasentidadesque
construyencarreteraseselensayoPrctor.Paraesteensayoseusaunamuestradesuelo
compuesta por material menor a . La muestra se coloca en un molde
metlico en tres capas iguales. El molde cilndrico de acero tiene
dentro un dimetro de 10 cm (4)y una altura de 11.6 cm (4.59). En el
ensayo estndar, cada una de las capas se compactan con la cada de
un
martillode12.1kg(5.5libras)quegolpeaelmaterial25vecesdesdeunaalturade12
pulgadassobrelamuestra(verFigura2.3).Elespcimenseremuevedelmoldeysepesa.
Luego, se toma una muestra del cilindro y se pesa. Esa muestra se
seca hasta eliminar toda la
humedadysepesadenuevo,demodoquesepuedadeterminarelcontenidodehumedad.
Con la informacin del contenido de humedad ya es posible calcular
el peso seco del material.
Elensayoserepite,generalmentevariandoelcontenidodehumedadcadavezysegrafica
para determinar el contenido de humedad ptimo. Este ensayo est
designado por ASTM D-698, AASHTO T99 NTP 339-142.
ElensayoprctormodificadoestdesignadoporASTMD-1557,AASHTOT180oNTP
339-141. Se realiza de la misma manera, aplicando una mayor energa
con un martillo de 2.2 kg (10 libras), una altura de cada de 45 cm
(18) y un total de cinco capas iguales (ver Figura 2.3). Lnea de
ptimo Prctor Modificado Prctor Estndar Cero vacos Programa de
Titulacin 2006. Ingeniera Civil. Universidad de Piura. 32 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 compactacin estndar y
modificado. 2.4.Control de compactacin en el campo Las
especificaciones para un proyecto pueden requerir que un
contratista compacte el suelo al
100%desudensidadmxima,basadaenelensayoPrctorEstndaroenensayosde
laboratorioconunniveldeenergasimilar.Silamximadensidadsecadelsueloen
laboratoriosedeterminaquees2.20kg/m3,elcontratistadebercompactarelsueloenel
campo hasta lograr una densidad de 2.20 kg/m3.
Paraverificarenelcampoquesehalogradolacompactacinsepuedenrealizarensayos
como el cono de arena, el baln de agua o el ensayo nuclear.Los
primeros dos mtodos son ensayos destructivos que consisten en
excavar un hueco en el material compactado y pesar el material
extrado, medirel volumen del agujero resultante usando arena o un
baln deagua,
determinarluegoelcontenidodehumedaddelmaterialexcavadoycalcularladensidad
usando el peso total obtenido, la humedad y el volumen del agujero.
La conversin a densidad seca se puede hacer gracias al contenido de
humedad conocido. Las
desventajasdeestosmtodossonque(1)consumedemasiadotiemporealizarsuficientes
ensayosparaunanlisisestadsticocompleto,(2)hayproblemasconlaspartculasdegran
tamao,y(3)sedemoraendeterminarelcontenidodehumedad.Comoencadaunadelas
capas colocadas se realiza un ensayo, cualquier demora en los
ensayos o en su aceptacin por parte de la supervisin puede demorar
tambin el proceso constructivo. 2.4.1.Ensayo de compactacin Nuclear
Losmtodosnuclearesseusanampliamenteparadeterminarelcontenidodehumedadyla
densidaddelossuelos.Elinstrumentalrequeridoparaesteensayopuedetransportarsey
colocarsefcilmentealrellenoenlaubicacinquesedesee,yenunospocosminutos,se
pueden leer los resultados directamente de una pantalla digital.
EstesistemausaelefectoComptondelosrayosgammaparadeterminarladensidadyla
termalizacinhidrgenadelavelocidaddelosneutronesparalasdeterminacionesde
humedad.Losrayosemitidosingresanenelterreno,dondeunaparteesabsorbidaylaotra
reflejada. Los rayos reflejados pasan a travs de unos tubos
Geiger-Mller 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. Capitulo 2
Proceso y equipos de compactacin 33
Lasventajasdeestemtodonuclearconlosotrosmtodossonladisminucindeltiempo
requerido para cada ensayo. De un da que tardan los otros mtodos,
ste requiere de algunos minutos, eliminando adems las demoras
excesivas durante la construccin. Como se pueden tomar ms muestras
por unidad de tiempo, el ingeniero puede caracterizar mejor la
densidad
lograda.Otraventajaesqueesunensayonodestructivo,quenorequiereremoverlas
muestras de suelo del lugar de los ensayos; proporciona resultados
en suelos con agregados de
grantamaoyreduceoelimina-siemprequeestbiencalibradoelequipoyseuse
correctamente- el posible error en la operacin del
personal.Losresultados errticos pueden verificarse de manera fcil y
rpida.
Comoestosensayosserealizanconinstrumentosquepresentanunafuentepotencialde
radiacin,eloperadordebeestarcertificadoydebentomarsemedidasespecialespara
garantizar que no se produzcan daos al usar los instrumentos.
Siguiendo las instrucciones del
equipoyteniendosuficientecuidado,sepuedeasegurarquelaexposicinamateriales
radiactivos se mantenga a niveles por debajo de los lmites
indicados. En los pases donde se usa se requiere una licencia para
poseer o usar estos instrumentos. 2.4.2.Ensayo GeoGauge
Otroensayonodestructivoquenorequiereremovermuestrasdesueloenelcampoesel
GeoGauge.Esterecursoesmuynuevoenelmercado.En1994elDepartamentode
TransportesdeMinnesotaensayelprimermodelodeprototipoenunprogramaauspiciado
por la Administracin Federal de Carreteras de Estados Unidos
(FHWA).Actualmente estn
disponiblesmuchosmodelosycadaaomsagenciasdeesepasdirigenevaluacionesde
campo del mtodo.
ElGeoGaugeesuninstrumentoporttilqueproporcionaunmecanismosimple,rpidoy
precisodemedicindirectadelasuavidaddelascapasyelmdulodelsuelo,quedadatos
sobreladensidaddelsuelo.Elinstrumentoaplicadesplazamientosmuypequeosdelsuelo
(menoresa1.27x10-6m.0.00005)en25frecuenciasestablecidasentre100y196Hz.Se
determinalasuavidadparacadafrecuenciaysemuestraelpromedio.Elprocesocompleto
toma alrededor de 1 minuto. Si se asume un Mdulo de Poisson y se
conocen las dimensiones fsicas del motor, se pueden derivar el
mdulo de corte y el mdulo de Young. El motor pesa alrededor de 10
Kg, tiene 28 cm de dimetro y 25.4 cm de alto y descansa sobre un
soporte en forma de anillo. La energa la proporcionan las bateras
secas convencionales. Programa de Titulacin 2006. Ingeniera Civil.
Universidad de Piura. 34 Figura 2.4 Equipo GeoGauge ms usado y
disponible en el mercado1. 2.4.3.Energa de compactacin en el campo
Lamximadensidadsecaesslounmximoqueselograparaundeterminadonivelde
energa de compactacin aplicaday el mtodo de aplicacin. Es fcil
conseguir enel campo
unaenergadecompactacinsimilaromayoralaaplicadaenellaboratorioconelequipo
adecuado. Si se aplica en el campo una mayor energa de compactacin,
se puede lograr una densidad mayor al 100% del valor obtenido en el
laboratorio. Cada material tiene una curva de compactacin y tambin
valores mximos distintos para una
mismaenergaaplicada.Porejemplo,elmaterialafirmado(mezcladearcilla,arenaygrava
consolidadonaturalmente)tieneunadensidadsecaentre2.2gr/cm3y2.6gr/cm3con
humedadesptimasentre6%y8%cuandoesdebuenacalidad,mientrasqueelmismo
materialdemalacalidadalcanzadensidadesmenoresa2.2gr/cm3.Lasarenaslimosaspor
ejemplotienendensidadesmximasentre1.7gr/cm3y1.5gr/cm3conhumedadesptimas
entre 10%y 12%.Lasarenas biengraduadas tienen una densidad seca
mayor que los suelos
uniformes.Cuandolaplasticidadseincrementa,ladensidadsecadelossuelosarcillosos
disminuye.
EnlaFigura2.2sedebeobservartambinloscontenidosdehumedadmayoresalptimo
producen una disminucin de la densidad. Esto se explica porque,
inicialmente, el agua sirve
delubricanteparaelacomododelosgranosdesueloyayudaparaquelacompactacin
mecnicalosmuevahastalograrunarreglofsicocompacto.Peroladensidaddelaguaes
menorqueladelaspartculasdesuelo,yenparauncontenidodehumedadporencimadel
ptimo,elaguaestreemplazandolosgranosdesuelodelamatriz.Siserealizala
compactacin con un contenido de humedad que sea mucho mayor al
ptimo, ningn esfuerzo
lograrallegaralamximadensidad;todoesfuerzodecompactacinseraunaprdidade
esfuerzo.Estossuelosestnsobrecompactadosytienenensuinteriorplanosdecorteque
reduce mucho su resistencia. 2.5.Procesamiento del suelo
Elcontenidodehumedadptimoparalacompactacinvaraentre10a25%parasuelosde
grano fino y entre 6% y 12% para suelos granulares bien graduados.
Como es difcil lograr y 1 http://www.humboldtmfg.com/pdf1/92.pdf
Capitulo 2 Proceso y equipos de compactacin 35
mantenerelcontenidodehumedadptimoconexactitudenelcampo,laprcticanormal
sugieretrabajardentrodeunrangoaceptable.Esterangoestusualmenteentre2%del
ptimoysepermitelograrunadensidadlomscercanaposiblealamximaconelmnimo
esfuerzo de compactacin.
Sielcontenidodehumedaddelsueloestpordebajodelrangoptimo,debeaadirseagua
antes de iniciar la compactacin. Para ello es necesario estimar la
cantidad de agua requerida, la velocidad de aplicacin, el mtodo de
aplicacin, los efectos del clima y el tiempo.
Elaguapuedeaadirsealsueloenlazonadeextraccin(cantera)oenobra(enlazonade
construccin)osieslasubrasante,enelterrenonaturaldelaobra.Cuandoseprocesan
materialesgranulares, los mejoresresultados seobtienengeneralmente
aadiendo el agua en obra. Despus de aadir el agua, se debe mezclar
uniformemente con el suelo. 2.5.1.Cantidad de agua requerida
Esesencialdeterminarlacantidaddeaguarequeridaparalograrelcontenidodehumedad
dentrodelrangoaceptableparalacompactacin.Enlosprocesosconstructivos,las
especificaciones pueden requerir extraer o aadir agua a la masa de
suelo. Por ejemplo, si un material de prstamo trabajado en cantera
tiene una humedad de 15.5% y la humedad ptima
queindicanlasespecificacionestcnicasdelproyectoesde18.3%,elcontratistarequerir
aadir agua para elevar el contenido de humedad de 15.5% a 18.3%.
Encarreteras,lacantidaddeaguaquedebeaadirseoquitarsesecalculanormalmenteen
metroscbicos,litrosogalones.Losclculosestnbasadosenelpesosecodelsueloyel
volumencompactado.LafrmuladelaEc.2.10puedeusarseparacalcularlacantidadde
agua total que debe agregarse o quitarse del suelo en condicin
compactado: ( )wC inicial final dwVQ = Ec. 2.10 Donde:
Qweslacantidaddeagua,enm3.Sielvolumendeaguaserequiereengalonesolitros,se
aplican las conversiones correspondientes. d es la densidad seca
del material en condicin 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 condicin compactada. w es la densidad
del agua, en kg/m3. Las condiciones climticas afectan
sustancialmente la humedad del suelo. El fro, 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
desrtico, la evaporacin reclama una gran cantidad de agua de la
capa superficial. Por
ello,paraunproyectoenzonasdesrticas,elingenierodeberaincrementarelcontenidode
humedadhastaun6%porencimadelvalorptimodurantelosclculosdelatasade
aplicacin y mtodo de aplicacin, 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.
Cuandosetengaqueadicionaraguaesunabuenaprcticaajustarelcontenidodehumedad
deseado un 2% por encima del valor ptimo, pero eso depende de las
condiciones ambientales Programa de Titulacin 2006. Ingeniera
Civil. Universidad de Piura. 36
(temperaturayviento)yeltipodesuelo.Unarespuestanegativaindicaqueelaguadebe
removerse del material de prstamo antes de compactarlo. Los clculos
por lo general se basan en condiciones compactadas porque la adicin
del agua se realiza cuando el materialya se ha coloca en obray se
procede a la aplicacin de energa
mecnicaconequiposdecompactacin.Perootrasveces,elmaterialseadicionaenestado
natural, como es el caso de la adicin en cantera o cuando se est
trabajando la subrasante. En tales condiciones, los clculos con la
Ec. 2.10 deberan usar el volumen natural o en banco y la densidad
seca en estado natural correspondiente. 2.5.2.Tasa de aplicacin
Unavezcalculadalacantidaddeagua,sedebedeterminarlavelocidadconquesedeber
adicionar el agua o tasa de aplicacin. Normalmente, la tasa de
aplicacin (Tw) se calcula en
galonesporestacin,galonesporunidaddelongitudolitrospormetrocuadrado,usandola
frmula deducida a partir de la Ec. 2.10 anterior. Si se desea la
cantidad de agua por estacin, se usar como VC los metros cbicos
contenidos
enuntramoentreestaciones(m3/estacin);sisedeseaporunidaddelongitud,serel
volumen de material contenido en un metro de longitud de carretera
(m3/m); si se requiere por rea, ser el volumen contenido en un
metro cuadrado de carretera (m3/m2). 2.5.3.Mtodos de aplicacin
Unavezcalculadalatasadeaplicacin,sedebedeterminarlaformadeaplicacin,pueses
importante asegurar que la tasa calculada y que el agua se
distribuya en forma uniforme. Los mtodos ms comunes son el
distribuidor de agua y el mtodo de saturacin. 2.5.3.1.Distribuidor
de agua En los proyectos de construccin, el mtodo ms comn para
aadir agua al suelo es mediante
undistribuidordeagua.Losdistribuidoresdeaguaestndiseadosparadistribuir
correctamenteelaguasobreelterreno.Estosdistribuidoressoncomocamionescisterna
(muchosdeellosloson)diseadosparadistribuirelaguabajodiferentespresionesopor
gravedad.Otrosestnequipadosconunbarraposteriordeaspersin.Eloperadorentonces
puede mantener la tasa de aplicacin del agua controlando la
velocidad del vehculo. 2.5.3.2.Saturacin
Cuandohaysuficientetiempoyagua,stasepuedeaadiralsuelo,saturandoelrea
requeridahastaqueelaguapenetreunadeterminadaprofundidad.Comosemencionenel
numeral2.2,unexcesodeaguapuededificultarelacomododelaspartculasydificultarel
logro de la densidad deseada. Es esos casos, debe tomarse medidas
para reducir en contenido de humedad dentro del rango requerido.
2.5.4.Mtodos de secado Como se mencion antes, el mtodo de saturacin
origina un exceso de humedad en el suelo. Otras veces, las
condiciones climticas hacen que la lluvia sature el material o
simplemente su
proximidadalaguafreticaeslacausa.Paraesoscasoslasolucinesreducirelaguahasta
llegar a las condiciones especificadas. Capitulo 2 Proceso y
equipos de compactacin 37
Lasaccionesdesecadopuedensertansimplescomoesperaraquesesequeelsuelopor
simpleaireacin,otancomplicadascomoaadiralsuelounagenteestabilizadorqueen
realidadcambialaspropiedadesfsicasdelsuelo.Estaesunaprcticamuycomnenlas
zonastropicalesdelaselvaperuana,dondelascondicionesdelluviacasipermanente
imposibilitan el secado del suelo. La cal y el cloruro de sodio son
los agentes estabilizadores tpicos de los suelos de grano fino. Si
un nivel fretico alto es el causante del exceso de humedad, la
solucin requerir una forma de drenaje subsuperficial antes de
proceder a reducir el contenido de humedad del suelo. Lo ms
frecuente para reducir la humedad es escarificar el suelo antes de
compactarlo. Esto se
lograconlasuasescarificadoras(elripper)delamotoniveladoraoarandoelsuelo.Una
motoniveladorapuedeusarademssucuchillaparaabrirelsueloydejarmsmaterial
expuesto al secado. 2.5.5.Mezcla y batido El mtodo de preparacin
del suelo previa a la compactacin es un factor muy importante que
tiene una gran influencia en los resultados, pero que no ha sido
apreciada claramente. Ya sea
queseagregueaguaalsueloparaincrementarelcontenidodehumedadoseagregueun
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 composicin homognea y
un contenido de
humedaduniformedurantelacolocacindelascapasestambinmuyimportante.An
cuandonoserequieraaguaadicional,lamezclaesnecesariaparaasegurarladistribucin
uniformedelahumedadexistente.Lamezclaselograconlasmotoniveladoras,tractores
agrcolas o cosechadoras rotatorias.
Lamotoniveladorasconvencionalespuedenusarseparamezclarobatirunaditivodesuelo
(agua o agente estabilizante) empujando el material de un lado a
otro en una franja de trabajo. 2.6.Mtodos y equipo de compactacin
Contiempo,losmaterialesseasientanosecompactanporsmismos,demaneranatural.
Aunqueesteprocesonoespropiamenteunacompactacinsinounaconsolidacin,es
convenienteaclararqueelobjetivodelacompactacineslograrladensidadrequeridade
maneramuyrpida.Elmtododecompactacinmsantiguoqueseconoceestenlos
registrosdelaconstruccindecaminosdelImperioRomano.Losromanossedieroncuenta
quelacompactacinpodamejorarlaspropiedadesingenierilesdelossuelosyparaello
usaban grandes rodillos hechos de cilindros de piedra para lograr
la densificacin mecnica de las bases de sus carreteras.
Peroladensidadquesebuscaconlacompactacinnoeselobjetivoltimo,sinoqueesel
medioparaespecificarunadeterminadacondicindelmaterialqueserequiereporsu
facilidad de medicin en campo. Por lo general, casi todas las
propiedades del suelo se pueden
relacionarconellaylosdocumentoscontractualesindicanellogrodeunadensidad
especificadaenobra,ancuandosonotraslaspropiedadesquesetienencomoobjetivo
crucial para lacalidad del proyecto. Por ejemplo, se puede buscar
lareduccin o prevencin
deasentamientos,elincrementodelaresistencia,lamejoradelacapacidadportante,el
control de los cambios de volumen, la disminucin de la
permeabilidad, etc. Puede haber otros mtodos para conseguir las
propiedades deseadas del suelo, pero el mtodo
msusadoparareforzarelsueloeseldelacompactacinaunahumedadptima.Los
beneficios de una adecuada compactacin son enormes, considerando
adems sus costos. Programa de Titulacin 2006. Ingeniera Civil.
Universidad de Piura. 38
Lacompactacinenelcamposelograhaciendopasarsobreunsuelounequipopesadoun
determinado nmero de veces. Esto representar una determinada energa
de compactacin en obra. Por ejemplo, una capa uniforme de suelo de
10 a 30 centmetros de espesor se compacta con varias pasadas de un
equipo de compactacin mecanizado.
Losmtodosmsconocidosdeaplicacindeenergasonporimpactoogolpes,porpresin
usando un peso esttico, por vibracin sacudiendo las partculas y por
amasado, manipulando o reacomodndolas. La eficiencia de los
distintos mtodos de compactacin depende del tipo de suelo que se
manipula. Los mtodos apropiados de compactacin segn el tipo de
suelo se identifican en la Tabla 2.3.
Nosepuededecirqueexistaunequipoquecorrespondaaunosolodelosmtodosde
compactacin.Losfabricanteshandesarrolladodistintoscompactadoresqueincorporanen
suscapacidadesdefuncionamientoalmenosunodelosmtodosdecompactacin
mencionadosyenalgunoscasos,msdeuno.Algunosdeestosequiposdisponiblesenel
mercadosonlosrodillosdepisones2,losrodilloslisosvibratorios,loscompactadoresde
pisones vibratorio, los rodillos neumticos, entre los ms populares.
Tabla 2.3 Mtodo de compactacin segn el tipo de suelo3.
MaterialImpactoPresinVibracinAmasado GravaPobreNoBuenoMuy bueno
ArenaPobreNoExcelenteBueno LimoBuenoBuenoPobreExcelente
ArcillaExcelente con confinamientoMuy buenoNoBueno Fuente:
Peurifoy, R. Construction Planning, Equipment and Methods. 2002.
Pg. 99.
EnlaTabla2.4serelacionanlosmtodosdecompactacinconvariostiposde
compactadores. Adems, existen otros rodillos lisos como se explica
en el numeral 2.6.5 Los
rodillosvibratoriossonmseficientesquelosrodilloslisos,loscualeshansidocasi
totalmente desplazados en el mercado. Tabla 2.4 Mtodos de
compactacin usados por los equipos de compactacin. Tipo de
compactadorImpactoPresinVibracinAmasado Pata de cabraX PisonesXX
Rodillo liso X Rodillo liso vibratorioXX Rodillo de pisones
vibratorioXX NeumticoXX Fuente: Peurifoy, R. Construction Planning,
Equipment and Methods. 2002. Pg. 100.
2LosrodillosdepisonesqueseusanenLatinoamricasonconocidoscomolosrodillospatadecabra.Sin
embargo, en la literatura americana, los rodillos pata de cabra
tienen sus propias caractersticas, 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. Pg. 99. Capitulo 2 Proceso y equipos de
compactacin 39 En algunos proyectos puede ser deseable usar ms de
un tipo de compactador para lograr los
resultadosdeseadosconlamayoreconoma.Elobjetivofinalesconstruirunrellenode
calidadenelmenortiempoposibleyalmenorcosto,yestosignificaqueelequipode
compactacin debe ser el adecuado para trabajar con el material. Por
lo tanto, el trabajo debe examinarse muy de cercay tomarse muestras
dematerial de la excavacinydel material de prstamo.
Nosepuedeseleccionarelequipodeexcavacinycompactacinapropiadohastaquenose
identifiquen correctamente los suelos. La Tabla 2.5 proporciona una
gua para la seleccin del equipo de compactacin basado en el tipo de
material a trabajar. Como se ve en esta tabla, si no se consigue la
densidad requerida con 4 8 pasadas del equipo, debera considerarse
el uso de otro equipo ms pesado otro mtodo.
Elcuidadodeesparcirelmaterialenunacapauniformeesvitalparalograrladensidad
duranteelprocesodecompactacin.Porejemplo,losrellenosderocaseesparcen
generalmenteencapasde18a48.Unesparcidoconsistenteayudaarellenarlosvacosy
orientaralarocademaneraqueproporcionaalequipodecompactacinunasuperficie
adecuadaparasudesplazamiento.Paralascapasmsprofundasdelrellenoseusanlos
rodillos lisos vibratorios ms grandes posibles. Tabla 2.5 Equipo de
compactacin apropiado segn el tipo de material. MaterialEspesor de
capa (pulgadas) PasadasTipo de compactador Grava8-123-5Pisones
vibratorio Liso vibratorio Neumtico Pata de cabra
Arena8-103-5Pisones vibratorio Liso vibratorio Neumtico Liso
esttico Limo6-84-8Pisones vibratorio Pisones Neumtico Pata de cabra
Arcilla4-64-6Pisones vibratorio Pisones Pata de cabra Fuente:
Peurifoy, R. Construction Planning, Equipment and Methods. 2002.
Pg. 100.
Losfabricantessuelenproporcionargrficosparadeterminarelrangodeaplicacindesus
equipos.EnlaFigura2.5semuestrademaneradetalladalosrangosdeusodecadatipode
compactador en relacin con el tipo de suelo. Programa de Titulacin
2006. Ingeniera Civil. Universidad de Piura. 40 Figura 2.5 Equipo
de compactacin adecuado segn el tipo de suelo. 2.6.1.Rodillo liso
Los rodillos lisos provienen del diseo original romano que consista
en un cilindro de piedra halado por traccin animal. El rodillo liso
consiste en un cilindro de acero con un determinado
pesoquecompactaelmaterialporpresin(VerFigura2.6).Inicialmente,elcilindroera
llevadoporuntractorotroequipoautomotriz,hastaquesediseelactualmodelo
autopropulsado. Figura 2.6 Rodillo liso de un solo eje.
Puedenteneruno,dosotrescilindros.Seusanporlogeneralensuelosgranularesopoco
plsticos,paraconcretoasflticoencalienteyparatareasdeacabadoencapasdebase.Los
rodilloslisosseutilizaronintensamentedurantemuchosaos,perohoyendasolamentese
usanparadaracabadoalascapasderodaduraasflticadespusdeconseguirladensidad
Capitulo 2 Proceso y equipos de compactacin 41 adecuada con otros
equipos. Tambin pueden ser usarse para el sellado de capas. El
efecto de planchado logra alisar y eliminar las marcas dejadas por
los otros compactadores.
Loshaytambinvibratorios,contamborsimpleodoble.Losrodilloslisosestticoshan
dejado de ser comerciales y los contratistas prefieren adquirir
rodillos lisos vibratorios por su mayor versatilidad.
2.6.2.Rodillos especiales con salientes
Losrodillosespecialesconsalientessoncompactadoresqueconsistenenungrantamborde
acero, provistos de salientes que justamente le dan su nombre.La
dimensin de las salientes vara segn el fabricante as como su forma.
El tambor puede ser hueco y se puede aumentar de peso agregando un
lastre con el propsito de producir una presin de contacto mayor.
Los
rodillospuedenserunidadesindependientesimpulsadasconuntractordeorugaso
autopropulsados.
Originalmente,losprimerosrodillostenansalientesconformadepatadecabra(sheepfoot
roller) y de all naci el nombre de rodillo pata de cabra, que es el
nombre como se les llama
generalmenteyasnosreferiremosalolargodeltexto.Posteriormentesedesarrollaron
salientes con otras formas cnicas o de tronco de cono que dieron
origen a los compactadores
depisones(tampingfootenlaliteraturainglesa),quesinembargoenLatinoamricasehan
llamadousandoelmismotrminooriginalpatadecabra,peroquenoeslamsadecuada
(VerFigura2.7).Lamayordiferenciaentreambosmodelosradicaenlaformadelas
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 Latinoamrica.
Elprincipiodefuncionamientodeambosmodeloseselmismo.Estosrodilloscompactan
penetrandoelsueloconlassalientesatravsdelacapasuperficial,compactandolascapas
inferiores. Cada salienteo pie penetra el suelo para producir una
accin mixta de amasadoy
presinycompactaelsuelodesdeelfondohacialasuperficiedelacapa.Cuandoelrodillo
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,mientrasquelaparteslidadelcompactadoraplicapresinsobrelaparte
superior de la nueva capa. La alta presin que se aplica rompe las
bolsas de aire y las salientes penetran cerca de su total longitud
inicialmente pero conforme se avanza en la compactacin la
profundidad de penetracin disminuye. A medida que el nivel inferior
de la capa se va compactando, el compactador va pisando en el
senodelrellenoanivelesmsymsaltos,alaumentarelnmerodepasadas.Sedice
Programa de Titulacin 2006. Ingeniera Civil. Universidad de Piura.
42
entoncesqueelrodillovacaminandohaciafueradelmaterial.Comolassalientesestn
cerradas, el compactador puede caminar por encima de la capa sin
aflojar el suelo. Cuando un
compactadordeestetiponologracaminarporencimadelsueloenlamedidaqueavanzala
compactacin,puedeserqueelrodilloseademasiadopesadooelsueloestdemasiado
hmedo y el rodillo est ms bien esparciendo el suelo.
Paraproducirunamasacohesivaybienconsolidada,esmejornocompactarhastala
superficiesuperiordecadacapa.Selogramejorligazndelacapasiguientecuandolas
ltimaspulgadasdematerialsuperficialestnunpocoflojas.Debidoalreapequeadela
cara de las salientes, el efecto debajo de su profundidad de
penetracin 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 operacin cuando la saliente penetra slo entre
un 20% a un 50% de
sulongitudtotal,locualdependerdelaplasticidaddelsuelo.Enmaterialesarcillosos
blandos,sebuscartenerpenetracionesmuchomenoresqueparaunaarcillaarenosa,puesto
quedeestamanerasepuedeevitarqueseadhieraenlasalienteunacantidadexcesivade
material.Siestosucede,elrendimientodelaoperacindisminuyepuestoqueesmenorla
cantidad de material que logra compactar. Como estos rodillos
tienden a airear el suelo conforme lo compactan, es apropiado
trabajar los
suelosconuncontenidodehumedadporencimadelvalorptimo.Adems,comono
compactandemaneraadecuadalas23ltimaspulgadasdelacapasuperior,debe
terminarse la compactacin con dos pasadas de un rodillo neumtico 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,especialmentecuandoelIPesmuygrande,mayorde18%hasta50%.Generalmente
estossuelosplsticosconunaltocontenidodearcillaoarenososconalgodebarro
cementante. Figura 2.8 Vista de las salientes de un compactador
pata de cabra. Capitulo 2 Proceso y equipos de compactacin 43 Las
patas normalmente tienen una longitud menor de 25 cmy son muy
delgadas terminando en un ensanche de casi 5 cm de dimetro. El
tambor puede ser huecoy variando el peso del rodillo por el uso de
un balastro en el interior se vara la presin de contacto de las
patas. Un
tamborsencillode1.2m.deanchopuedepesarentre1.5a7toneladas,mientrasquesise
llena con lastre puede aplicar una carga vertical de compactacin
entre 2.5 a 11.5 ton. Las velocidades mximas que alcanzan van desde
6.4 a 9.6 Km/h. Usualmente, 6 a 10 pasadas sern necesarias para
compactar una capa de 20 cm de espesor. Los suelos se trabajan con
una humedad hasta del 3% por encima del valor ptimo requerido.
2.6.2.2.Compactador de pisones
Loscompactadoresdepisonessonrodillosdegranvelocidad,quegeneralmenteson
autopropulsados y no son vibratorios. Estos rodillos usualmente
tienen cuatro llantas de acero con salientes y pueden estar
equipados con una cuchilla pequea para ayudar en la nivelacin
delacapa(VerFigura2.10).Sinembargo,losmodelosmssencillosyconocidosen
Latinoamricaconstandeunsolotamborcilndricoenlaparteanteriorautopropulsadoyno
prescinde de la cuchilla que se menciona. El funcionamiento es
similar al del modelo anterior pata de cabra, puesto que aplica
amasado y presin, compactando desde el fondo hacia arriba de la
capa. La principal diferencia radica
enlaformadelassalientesylasvelocidadesquesoncapacesdedesarrollar.Lassalientes
terminanenunacaraovaladaorectangularystaesmenorquelabaseenelrodillo(Ver
Figura 2.9). Figura 2.9 Formas caractersticas 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 compactacin de una capa de20 cm a
30 cm de
espesor,perosiempredependerdelasdimensionesdelrodillo.Enunlimoplstico
pobrementegraduadooarcillasmuyfinastalvezesterequerimientoaumenteacuatro
pasadas. Programa de Titulacin 2006. Ingeniera Civil. Universidad
de Piura. 44 Figura 2.10 Compactador de pisones autopropulsado, con
tres tambores y cuchilla niveladora Este modelo decompactador esel
ms usadoy distribuido enLatinoamrica. Es efectivoen
casitodoslossuelosexceptoenarenalimpia.Paralograruntrabajoeconmicosenecesita
que las pasadas sean largas e ininterrumpidas, de modo que el
compactador pueda desarrollar la velocidadrequerida y genere una
alta produccin. Al igual que un rodillo pata de cabra, el
compactador de pisones, no compacta adecuadamente
las2o3pulgadassuperioresdeunacapa.Porlotanto,sinosevaacolocarunacapa
siguiente, se debe culminar la compactacin de la capa con un
compactador de neumticos o
unrodillolisoparacompletarlacompactacindelaspulgadassuperioresoparasellarla
superficie. 2.6.3.Rodillos de rejilla
Losrodillosderejillasehanvenidousandoenmaterialesquerequierendisgregacincon
mucho xito. El mejor resultado se ha observado en una gran variedad
de suelos, incluyendo
arcillashomogneas,mezclasdearenas,limosyarcillas,conabundanciadefinos.La
superficie del cilindro est constituida por una parrilla o malla
fabricada con barras de acero que forman una cuadrcula. Estos
equipos suelen lastrarse con bloques de concreto o arena hmeda.
Pero lo ms comn es
quesefabriquenconpesosmuyaltos,pudiendollegara14ton.conlastreypresionesde
contacto de 20 kg/cm2. 2.6.4.Rodillos segmentados
Sonunavariantedelrodillodepisonesyseusageneralmenteconmaterialesquerequieren
disgregacin.Suusosehaextendidotambinaotrosmateriales,comoarcillasnomuy
Capitulo 2 Proceso y equipos de compactacin 45
plsticas.Laformaessimilaralrodillodepisonesdeunsolotambor,peroestsegmentado
en tres ruedas adosadas, de aro interrumpido. 2.6.5.Compactadores
vibratorios
Lavibracincreafuerzasdeimpactoyestasfuerzasimprimenunamayorpotenciade
compactacin que una carga esttica de la misma magnitud. Este hecho
es la economa detrs
deuncompactadorvibratorio.Lasfuerzasdeimpactosonmayoresquelasfuerzasestticas
porqueelrodillovibratorioconviertelaenergapotencialenenergacintica.Los
compactadores vibratorios pueden tener entre uno a ms rodillo. Los
modelos de dos rodillos
tienenlaunidaddepropulsinenunodelosrodillosylosmodelossimples(deunsolo
rodillo) tienen dos llantas posteriores. Tambin hay compactadores
vibratorios montados.
Algunostiposdesueloscomolaarena,lagravayelmaterialrocosorelativamentegrande
respondenmuybienalacompactacinproducidaporunacombinacindepresiny
vibracin.Cuandoestosmaterialessevibranlaspartculasdejansuposicinysedesplazan
acercndose ms con las partculas adyacentes para incrementar la
densidad de la masa. Los tambores vibratorios se activan por un
peso excntrico que produce la accin vibratoria.
Estepesoexcntricoesslouncuerpoquerotaalrededordeunejedistintoasucentrode
masa. La masa del tambor vibratorio se separa del marco principal
del rodillo. Las vibraciones varan normalmente entre 1000 a 5000
por minuto. Las vibraciones tienen dos medidas amplitud, que es la
medida del movimiento onda, y la frecuencia, que es la velocidad
del movimiento, o el nmero de vibraciones (oscilaciones) por
segundo o minuto. La amplitud controla el rea efectiva o
profundidad a la cual se transmite
lavibracindentrodelsuelo,mientrasquelafrecuenciadeterminaelnmerodegolpes
oscilaciones que se transmiten en un determinado perodo de tiempo.
Losimpactosaplicadosporlasvibracionesproducenondasdepresinquehacequelas
partculassemuevan,produciendolacompactacin.Cuandosecompactamateriales
granulares,lafrecuencia(elnmerodegolpesenunperododado)esgeneralmenteel
parmetro crtico en contra de la amplitud.
Lacompactacinresultanteesunafuncindelafrecuenciadelosgolpesylafuerzadelos
mismosascomodelperododetiemposobreelcualseaplican.Larelacin
frecuencia/tiempopermitecalcularlamnimavelocidaddetrabajorequeridacuandoseusan
los compactadores vibratorios. La velocidad de trabajo es
importante porque define cunto se
compactaunadeterminadapartedeunrelleno.Unavelocidaddetrabajode3.2a6.4km/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 excntrico
en el interior del cilindro que le proporciona un movimiento
vibratorio. Pueden usarse para la compactacin
desuelosgranularescontamaosdepartculasquevandesdegrandesfraccionesrocosas
hasta arena fina. Pueden usarse en suelos semicohesivos, siemprey
cuando ms del 10% del
materialtengaunIPde5.Losrodillosmsgrandespuedensermuyeficientesencapasde
rocadehasta90cm.Tambinseusanparalasoperacionesdeacabadooselladodecapas,
pero con la vibracin desconectada. En algunos casos se puede
incluso hacer vibrar uno de los rodillos dejando el otro esttico
para sellar la capa. Programa de Titulacin 2006. Ingeniera Civil.
Universidad de Piura. 46 Figura 2.11 Rodillo liso vibratorio en
tandem o de dos ejes. Los rodillos lisos vibratorios aplican tres
fuerzas de compactacin: (1) presin, (2) impacto y
(3)vibracin.Lavelocidaddecompactacin,lafrecuenciadevibracinylaamplitudse
deben adecuar para conseguir la mxima compactacin posible. Es
importante que tengan un
dispositivoautomticoparadesconectarlavibracinaldetenerlamarchadelrodillopara
evitar que vibren sobre un punto determinado que rompera la
compactacin. En el caso de los rodillos tandem o de eje doble, es
conveniente que los dos tengan traccin para evitar que se formen
ondulaciones en el material compactado. 2.6.7.Compactador de
pisones vibratorio
Sonlosmismosrodillosdepisonesprovistosdeunsistemavibratoriodentrodeltambor.
Estos rodillos son eficientes en suelos de hasta un 50% del
material con un IP de 5% o ms.
Lassalientesopisonessonforzadosacaminarenlacapasinablandarelsuelo.Elespesor
tpico de capas para que un compactador de pisones vibratorio
compacte un suelo cohesivo es de 30 a 45 cm. Estas unidades estn
equipadas algunas veces con una cuchilla niveladora. Los rodillos
ms pequeos pueden ir tambin hacia atrs y tienen anchos de 60 a 95
cm. Estas
unidadesestndiseadasparatrabajarenzanjasoenreasconfinadas.Lostamboresdelos
rodillosseextiendenmsalldelanchodelequipo,demodoqueselogralacompactacin
anenlaszonasadyacentesalasparedesdelazanja.Algunosdeestoscompactadoresms
pequeosseequipanconsistemasdecontrolremotoparapermitiraloperadorcontrolarel
rodillo sin tener que ingresar a la zanja. La mayora 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 neumtico
Estosrodillossonsuperficialesqueaplicanelprincipiodeamasadoalefectodela
compactacindebajodelasuperficie.Puedenserautopropulsadosomontados(VerFigura
2.12). Las unidades de llantas pequeas generalmente tienen dos ejes
en tandem con cuatro o cinco
llantasencadauno.Lasllantasoscilan,permitindolesseguirelcontornodelasuperficiey
Capitulo 2 Proceso y equipos de compactacin 47
llegaralasreasmsbajasconunacompactacinuniforme.Lasllantasposterioresestn
traslapadas respecto a la posicin de las llantas delanteras, para
cubrir la superficie entre ellas, logrando una cobertura completa
de la superficie.
Lasllantassecolocanligeramentefueradeeje,dndolesunaaccindeondulacinpara
incrementarlaaccindeamasadoalsuelo.Adicionandounbalastro,elpesodeunaunidad
puede variar para lograr el necesario segn el tipo de suelo.
Losneumticospequeosnosonapropiadosparaaltasproduccionesoparaproyectosque
requierancapasdeespesormuygrande.Seusanparaproyectosdemedianaopequea
envergadura, fundamentalmente en materiales de base granular. Por
lo general se usan para la compactacin del concreto asfltico en
capas de rodadura o en tratamientos superficiales. En el captulo 5
se dan ms detalles de esta compactacin. Figura 2.12 Compactador
neumtico de dos ejes.
Losrodillosconllantasmsgrandesestndisponiblesentamaosquepesande15a200
toneladas.Tienendosomsllantasparasudesplazamientoenunejesimplecentral.La
presin 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 presin en
las llantas, son capaces de compactar los suelos a mayores
profundidades. El gasto mayor se debe a la propulsin de estas
unidades tan grandes sobre las capas, ya que requieren de tractores
con barras de tiro y traccin considerables. Estas
unidadesseusanconfrecuenciaparaelacabadodesubrasantesybasesdecamposde
aterrizaje y en presas de tierra. Como el rea de contacto entre una
llanta y el terreno sobre el cual pasa varan con la presin
deairedelallanta,especificarelpesototaloelpesoporruedanoesnecesariamenteun
mtodosatisfactorioparaindicarlacapacidadcompactivadelrodilloneumtico.Sedeben
entonces,conocercuatroparmetrosparadeterminarlacapacidaddecompactacindelos
rodillosneumticos:(1)lacargaporrueda,(2)eltamaodelallanta,(3)eldiseodelas
estras de la llanta y (4) la presin. Programa de Titulacin 2006.
Ingeniera Civil. Universidad de Piura. 48 2.6.9.Rodillos neumticos
con presin variable
Cuandoseusaparacompactarsuelosatravsdetodaslasetapasdedensidad,laprimera
pasadasobreunacapadebehacerseconunapresindeneumticosrelativamentebajapara
incrementar la flotacin y el rea de contacto. Sin embargo, cuando
un suelo se compacta, la
presindeaireenlasllantasdebeirseincrementandohastasumximaespecificadaparala
pasadafinal.Antesdequelosrodillosdesarrollaransucapacidaddevariarlapresindelas
llantasdurantelaoperacin,eranecesariodetenerelavancey(1)ajustarlapresindelas
llantas, (2) variar el peso del balastro en el rodillo o (3) tener
rodillos con diferentes pesosy
presionesdellantaenunproyectoparaproporcionarlasunidadesquecumplanlas
condiciones de compactacin requeridas.
Algunosfabricantesproducenrodillosquesonequipadosparapermitiraloperadorvariarla
presin de las llantas sin detener la mquina. Las primeras pasadas
se hacen con una presin
relativamentebajayconformeelsuelosecompacta,lapresinseincrementasegnlas
condiciones particularesdel suelo. El uso de este tipo
decompactadorgeneralmente permite
unacompactacinadecuadaconunmenornmerodepasadaquelosrodillosdepresin
constante. 2.6.10.Compactadores de impacto
Aprincipiosde1940,AubreyBerrengdesarrollenSudfricaunsistemadecompactacin
de impacto. Entre los aos 1949 y 1953 desarroll los compactadores
de llantas cuadradas. Actualmente, estos compactadores tienen tres,
cuatro y cinco lados. Figura 2.13 Aubrey Berreng al lado de un
compactador de impacto a finales de 19404. 4
http://www.landpac.com/Theory/history_of_impact_compaction.htm
Capitulo 2 Proceso y equipos de compactacin 49
Elprincipiodefuncionamientoessencillo.Cuandoelcompactadorestelevado,elrodillo
rotalevantndoseasmismoporunlado,ycaedenuevoatierra.Elimpactodelrodillo
golpeando el suelo proporciona la fuerza de compactacin. El mayor
nfasis para desarrollar el diseo de este compactador fue la
necesidad de desarrollar un implemento con gran energa de
compactacin que pudiera ser usado para compactar suelos con bajo
contenido de humedad
enregionesridas.Estabatambineldeseodetenerunimplementoquepudieraayudaral
colapsodeestructurasinestablesdealgunossuelosencontradosalgunasvecesenregiones
ridas. Figura 2.14 Compactador de impacto de tres lados5.
Estoscompactadorespuedenusarseenunrangoampliodemateriales,comoroca,arena,
grava, limoy arcilla. Pueden manejarsecon capas hasta de 90cmy como
impactan el suelo con una gran energa, la densidad se logra a un
rango muy amplio de contenidos de humedad. 2.6.11.Compactadores
pequeos Los compactadores pequeos ms usados son los discos
compactadores, la plancha vibratoria
ylosmartilloscompactadores.Seusanparareaspequeasodedifcilacceso.La
compactacinesadecuadasiempreycuandoelespesordecapaseapequeo(generalmente
entre 3 y 4), el contenido de humedad se controla cuidadosamente y
se logra una cobertura de rea suficiente.
Lasprincipalescausasdeproblemasdedensidadcuandoseusanestosequiposenelrelleno
de zanjas son (1) un nmero 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
Programa de Titulacin 2006. Ingeniera Civil. Universidad de Piura.
50 2.6.11.1.Discos compactadores Para evitar los accidentes de
tener un hombre trabajando en zanjas, se coloca algunas veces un
discodecompactacinsimilarauncilindrodepisones,albrazodeunaexcavadorapara
lograr la compactacin del relleno en zanjas.
Algunosmodelosmsmodernosincluyensistemasdecontrolremotoparadirigirlos
garantizando la seguridad del personal en la obra. Estos sistemas
de control remoto pueden ser
porradiooporrayosinfrarrojos;esteltimosistemaseprefiereenlaComunidadEuropea,
donde los sistemas de radiofrecuencia no estn permitidos. Figura
2.15 Compactadores de pisones manual a control remoto.
2.6.11.2.Plancha compactadora Se usan para compactar suelos y
concreto asfltico en ubicaciones donde no pueden llegar las
unidades grandes. Pueden ser autopropulsadas, tanto con diesel o
gasolina. Estas unidades son
clasificadasporlafuerzacentrfuga,lasrevolucionesporminutos,laprofundidadde
penetracin de la vibracin (o espesor de capa), avance en m/s y
cobertura de rea por hora. Figura 2.16 Plancha compactador
vibratoria. 2.6.11.3.Martillos compactadores
Estosmartillosseusanparacompactarsueloscohesivosomezclasdesuelosenreas
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 Capitulo 2
Proceso y equipos de compactacin 51 de desempeo incluyen kg. por
golpe, rea cubierta por hora y profundidad de compactacin en
centmetros (espesor de capa). Estos martillos son autopropulsados y
cada golpe lo mueve ligeramente hacia delante para alcanzar una
nueva rea de contacto. Figura 2.17 Martillo compactador manual.
2.7.Estimacin de la produccin
Comoencualquiercompactador,laenergaqueesaplicadaestenfuncindelapresinde
contacto y el rea de contacto. Sin embargo, las pruebas que hasta
ahora se han realizado con
estosequiposdemuestranqueunapresindecontactomuyaltanoaseguralamxima
densidaddecompactacin,peromsbienserequiereunmayorcontenidodehumedadpara
lograrestadensidadmxima.Eselreadecontactomsbienloquedeterminalamxima
densidadseca,demaneraquecuantomayoreselreadecontacto,menoreselnmerode
pasadas requerido para lograrla.
Asesqueloscompactadoresmodernossediseanconposicionesyespaciamientodelas
salientes de modo que se obtiene un equilibrio entre el porcentaje
de cubrimiento dado por el
sueloqueesamasadoporlassalientesyelreadecontactodadaporelespacioentrelas
salientes.Laeficienciaorendimientodeuncompactadorcualquieraestdadoporlas
dimensionesdelrodillo,elespesordelacapacompactadaodelasaliente,lavelocidadyel
nmero de pasadas. La expresin matemtica del rendimiento es el
siguiente: nV e BR1000= Ec. 2.11 donde: R: Rendimiento mximo del
equipo, en m3/h. B: Ancho del rodillo, en metros.
e:Espesordelacapacompactada,enmetros.Sepuedeestimarcomoun%dela
longitud de la saliente de ser el caso. Programa de Titulacin 2006.
Ingeniera Civil. Universidad de Piura. 52 V: Velocidad con que
circula el compactador, en Km/h (ver Tabla 2.6). N: Nmero de
pasadas del equipo por el mismo lugar.
Esterendimientoestexpresadoenmetroscbicosdematerialcompactado.Paracomparar
esta produccin con la produccin de las operaciones de transporte
que trabajan con material en estado suelto hace falta aplicar los
factores de conversin apropiados (factor de contraccin o
esponjamiento) que lo transforme en metros cbicos de material
suelto o bien en material en cantera. Tabla 2.6 Velocidades
recomendadas para la compactacin. Tipo de compactadorVelocidad Km/h
Rodillo pata de cabra, tractor remolcador5 - 8 Compactador de
pisones: Primeras 3 pasadas5 - 8 Resto13 - 16 Compactador de
neumticos mltiples8 - 24 Rodillo de tambor liso vibratorio3 - 6
Rodillo de pisones vibratorio 3 - 6
Haycondicionesexternasalequipoyqueserelacionanconsuusoquepuedenreducirel
rendimiento.Portanto,elrendimientocalculadodeberlograrseconlaparticipacindel
operador, quien deber 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
capacidaddeloperadorparaoperarelequipoylasfacilidadesocongestionamientosque
generendemorasensumaniobrabilidad.Losvaloresdeeficienciaparalasoperacionesde
compactacin que se suelen manejar van entre 45 y 50 minutos por
hora.
