Compactación, ensayos y equipos

8/19/2019 Compactación, ensayos y equipos

1/29

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAINSTITUTO UNIVERSITARIO POLITECNICO

“SANTIAGO MARIÑO” EXTENSIÓN GUAYANA

COMPACTACION, EQUIPOS Y ENSAYOS

Docente: Autor:Ing. Ruben Marquez Sutta Wendy, C.I.: 15.542.954

Ciudad Guayana, NOVIEMBRE 2015


2/29

2

La compactación consiste en un proceso repetitivo, cuyo objetivoes conseguir una densidad específica para una relación óptima de agua,al fin de garantizar las características mecánicas necesarias del suelo. En

primer lugar se lanza sobre el suelo natural existente, generalmente encamadas sucesivas, un terreno con granulometría adecuada; a seguir semodifica su humedad por medio de aeración o de adición de agua y, fi-nalmente, se le transmite energía de compactación por el medio de gol-pes o de presión. Para esto se utilizan diversos tipos de máquinas, gene-ralmente rodillos lisos, neumáticos, pie de cabra, vibratorios, etc., en fun-ción del tipo de suelo y, muchas veces, de su accesibilidad.

1.- EQUIPO PESADO NECESARIO PARA LA COMPACTACION DELOS RELLENOS EN CAMPO

Normalmente se requieren compactadoras automotrices para lacompactación de mezclas de concreto asfaltico. No se deben usarcompactadoras tipo remolque, pero se pueden usar compactadoras decampo o placas vibratorias en las áreas que sean inaccesibles a lascompactadoras grandes. Las compactadoras automotrices típicasabarcan los tres tipos siguientes:

1.1.- Tándem de ruedas de acero1.2.- Ruedas neumáticas1.3.- Vibratoria

Todo tipo de compactadora debe ser inspeccionada antes de serusada en la obra para verificar que se encuentra en buena condiciónmecánicas. Cuando sea de importancia, se deben revisar los siguientesdetalles:

Peso total de la compactadora Peso por unidad de ancho (para compactadora de ruedas deacero). Esfuerzo promedio de contacto (compactadoras neumáticas).

1.1.- COMPACTADORAS TANDEM DE RUEDAS DE ACERO:

1.1.1.- Descripción: tienen ruedas o rodillos de acero, generalmentemontados sobre dos ejes tándem. Típicamente, estas compactadorasvarían en peso de 3 hasta 14 toneladas y a veces más. En casi todas sepueden añadir balastros a las ruedas con el fin de aumentar el peso. Parala compactación intermedia, y la compactación final (ultimas pasadas).Para estas últimas pasadas se requiere un peso bruto mínimo de 8 a 10toneladas.

El rodillo compactador (rodillo impulsor) de las compactadoras

tándem de ruedas de acero debe impartir, como mínimo, 4500 kilogramos


3/29

3

por metro lineal de ancho (250 libras por pulgada lineal) cuando es usadoen la primera pasada, o en la compactación intermedia.

Los bordes de las ruedas de acero deberán revisarse, usando una

regla recta de metal, para ver si presentan desgaste. No se deberá usar lacompactadora si los rodillos están picados o presentan surcos. Lasraederas (mantienen limpios los rodillos) y las almohadillas húmedas(mantienen húmedos los rodillos para que no recojan asfalto durante lacompactación) deberán reemplazarse si presentan un desgaste excesivo.

1.1.2.- Principios de Operación: La siguiente figura ilustra la fuerzaejercida por una compactadora de acero sobre una mezcla de concreto

asfáltico cuando la superficie debajo de la mezcla esta firme. Las flechasindican la dirección de las líneas de fuerza a través de la carpeta.

Notese que las líneas de fuerza se extienden a través de la carpetahasta la capa inmediatamente inferior. Esta capa firme inferior ejerce unafuerza igual y opuesta. Por consiguiente; la mezcla entre la compactadoray las capas inferiores compactadas por las dos fuerzas iguales yopuestas. Sin embargo, las líneas de fuerza en los bordes del rodillosiguen una trayectoria circular hacia la superficie de la carpeta, donde nohay fuerzas opuestas. La única resistencia, a lo largo de estas líneas defuerza, proviene de la resistencia interna de la mezcla. Por consiguiente,


4/29

4

la compactadora debe traslapar las pasadas anteriores con nuevaspasadas, debido a que la falta de confinamiento en los bordes del rodilloproduce una densidad inadecuada en estas áreas de la carpeta. Por lotanto, la compactación se contempla por la interacción de las fuerzas

provenientes del rodillo, la capa inferior, y el confinamiento lateral de lamezcla compactada.La orientación de la compactadoras es crítica, especialmente

durante la compactación inicial. La dirección del recorrido de lacompactadora debe ser tal que la rueda impulsora pase primero sobre lamezcla sin compactar.

La siguiente figura ilustra el uso correcto de una compactadoratándem de ruedas de acero. La rueda impulsora está por delante de larueda de dirección, en la dirección del recorrido de la compactadora.Puede observarse que hay una fuerza vertical hacia abajo causada por elpeso de la rueda (W). Por otro lado, las flechas concéntricas con la rueda

representan la fuerza de rotación en la rueda (R), la cual es transmitida ala mezcla a medida que el rodillo es impulsado. Esta fuerza concéntricatiende a mover la mezcla debajo del rodillo en vez de empujarla haciafuera. La resultante de estas fuerzas (W y R) se aproxima más, en larueda impulsora, a una fuerza vertical, que la resultante de las fuerzas enla rueda del timón.

Dirección correcta del recorrido de la compactadora.

La figura siguiente lustra el uso incorrecto de una compactadoratándem de ruedas de acero. La rueda de dirección está al frente, en ladirección del recorrido de la compactadora. Esta puede ser un error gravecon algunas muestras, especialmente durante la primera pasada decompactación. Debido a que la rueda e dirección es una rueda “muerta”,sin fuerza automotriz, tiene una tendencia a empujar la mezcla haciaafuera, causando una ondulación por delante de la rueda. Un análisisinterno de la mezcla revela dos fuerzas. Una de ellas es una fuerzavertical hacia abajo, y la otra es una fuerza horizontal hacia delante. Lafuerza más importante, para lograr una compactación adecuada de lamezcla, es la fuerza vertical. Es esta la que proporciona el movimientodeseado de las partículas de agregado. La fuerza horizontal produce muypoca (si alguna) densificación. De hecho, el movimiento horizontal de lamezcla puede ocasionar una reducción de densidad.


5/29

5

Dirección incorrecta del recorrido de la compactadora.

Existen otras razones por las que la rueda impulsora debe estarsobre la mezcla por delante de la rueda de dirección; especialmentedurante la primera pasada de la compactadora. La rueda impulsora

compacta la mezcla con una superficie de contacto más plana, debido aque tiene un diámetro mayor. Por lo tanto, la fuerza horizontal de la ruedaes minimizada. Además, este diámetro mayor de la rueda impulsora haceque esta se hunda menos en la mezcla. Este hecho también disminuye lacomponente horizontal de la fuerza. La rueda impulsora es la rueda máspesada, y es considerada la rueda e compactación. La primera pasadadeberá hacerse con la rueda de compactación por delante de la rueda dedirección, debido a que el mejor momento para compactar una mezcla escuando su resistencia es mínima, osea cuando la mezcla se encuentracaliente.

El peso de la compactadora es transmitido a la mezcla a través de

la presión de contacto ejercida bajo las ruedas. Por consiguiente, lapresión de contacto no deberá sobrepasar la capacidad portante de lamezcla. Usualmente, las compactadoras más pesadas pueden ser usadassobre mezclas más estables y gruesas, particularmente en las primeraspasadas. Para las mezclas menos estables será necesario usarcompactadoras menos pesadas.

1.2.- COMPACTADORAS DE RUEDAS NEUMATICAS:

1.2.1.- Descripción: Las compactadoras de ruedas neumáticas tienen

ruedas de caucho en vez de ruedas o rodillos de acero. Generalmenteposeen dos ejes tándem, con 3 o 4 ruedas en el eje delantero, y 4 o 5ruedas en el eje trasero. Las ruedas, se mueven independientementehacia arriba y hacia abajo. Las compactadoras de ruedas neumáticaspueden cargar balasto (lastre) para ajustar el peso bruto total. Estebalasto, dependiendo del tamaño y el tipo, puede variar entre 10 y 35toneladas. Sin embargo, más importante que el peso bruto es el peso decada rueda, el cual debe variar entre 1350 y 1600 kg. (3000 y 3500 lb) silas compactadora van a ser usada para la primera pasada decompactación, o para la compactación intermedia.

Este tipo de compactadora puede estar equipada con ruedas de380, 430, 510 o 610 mm (15, 17, 20, o 24 pulgadas) de diámetro. Durante


6/29

6

la compactación las ruedas deben tener rodaduras lisas y deben estarinfladas con la misma presión, permitiendo una variación máxima de 35kPa (5 psi), para que puedan aplicar una presión uniforme durante lacompactación.

1.2.2.- Principios de Operación: Las compactadoras de ruedasneumáticas pueden ser usadas para dos tipos de compactación: para laprimera pasada de compactación y la compactación intermedia, y para elacondicionado final de la superficie. Los dos procesos son diferentes yrequieren de diferentes procedimientos de operación.

La siguiente figura ilustra las fuerzas por la rueda neumática de lacompactadora cuando estas son usadas para la primera compactación yla compactación intermedia. Las flechas indican las líneas típicas de

fuerza dentro de la carpeta.

Cuando se usan compactadoras de ruedas neumáticas, la mezclaque está siendo compactada debe estar adecuadamente confinada, comoen el caso de las compactadoras de ruedas de acero, para poder obteneruna correcta densificación. Además, es muy importante tener unaresistencia uniforme en la capa inferior, cuando se usan ruedasneumáticas, debido a que las ruedas individuales pueden ejercer fuerzasgrandes sobre pequeñas áreas de poca resistencia – áreas que lostambores anchos de acero rígido tienden a salvar con puente. Durante laprimera pasada, la compactadora de ruedas neumáticas produce muy

poco movimiento horizontal de la mezcla en dirección del recorrido. Esto


7/29

7

se debe al hecho de que cada rueda se aplana ligeramente a medida quepasa sobre la mezcla, lo cual permite que casi toda la fuerza decompactación sea aplicada sobre la carpeta en el sentido vertical. Elmovimiento horizontal de la mezcla en la dirección del recorrido solo

ocurre si el diámetro de la rueda es demasiado pequeño, tal que permitaque la rueda se hunda dentro de la carpeta. Los hundimientos excesivosindican que la compactadora usada no es adecuada para la primerapasada. Así como en el caso de las compactadoras de ruedas de acero,las ruedas impulsoras de la compactadora neumática deberán ir pordelante, en dirección hacia el asfaltado.

Existe un movimiento horizontal de la mezcla debajo de una ruedaneumática pero este tiende a ocurrir en ángulos rectos a la dirección delrecorrido. Este movimiento puede ocasionar abultamientos pequeños enla mezcla que esta inmediatamente contigua a la rueda. Estosabultamientos son, generalmente, de poca importancia, y serán

eventualmente compactados por las pasadas subsiguientes. De todasmaneras, deberá haber suficientes pasadas para eliminar dichosabultamientos, así como también cualquier arca de las ruedas (huellas)que se encuentre sobre la carpeta. Por otro lado, el agua no se utiliza enlas compactadoras neumáticas debido a que es necesario dejar que lasruedas se calienten lo suficiente para evitar que la mezcla se pegue aellas durante la primera pasada de compactación y durante lacompactación intermedia. De todos modos, la mezcla se pegara a lasruedas durante el periodo de calentamiento, pero esto cesará una vezestas se calienten. Los faldones que se colocan alrededor de las ruedasacortan el periodo de calentamiento y ayudan a mantener calientes lasruedas durante más tiempo, especialmente en la épocas de frió o deviento. Los requerimientos deseados, en las compactadoras de ruedasneumáticas, para la primera compactación y la compactación intermediason:

• Un peso de rueda de 1350 a 1600 kg. (3000 a 3500 lb)• Un diámetro mínimo de rueda de 510 mm. (20 pulgadas).• Una presión de rueda de 480 a 520 kPa (70 a 75 psi) cuando larueda esta fría, y de 620 kPa (90 psi) cuando este caliente.

Estas presiones de rueda se aplican a casi todos los tipos demezclas pero pueden ser reducidas, si es necesario, para las mezclas conestabilidades bajas.

La acción amasadora de una compactadora de ruedas neumáticastambién puede emplearse para mejorar o fortalecer una superficieasfáltica después que han sido completadas las operaciones depavimentación. Este amasamiento puede ser efectuado aun después dedos semanas de que el pavimento ha sido colocado, siempre y cuando eltiempo este cálido y la temperatura de la superficie del pavimento sean,por lo menos, de 38ºC (100 ºF). La operación de amasamiento puedereducir la permeabilidad del pavimento y aumentar su resistencia al

desgaste o abrasión por causa del tránsito. En algunos casos también se


8/29

8

han logrado incrementos en la densidad debido a esta operación. Lafigura siguiente ilustra la acción de una rueda neumática durante laoperación de amasamiento.

Las compactadoras de ruedas neumáticas también son idealespara corregir el cuarteo por calor en la superficie de la carpeta. Como sediscutió anteriormente, el cuarteo por calor es la aparición de pequeñasgrietas desconectadas, después de una o más pasadas de la rueda dedirección de la compactadora de ruedas de acero.Cuando se usa una compactadora de ruedas neumáticas para elamasamiento de una superficie asfáltica terminada es deseable tener lossiguientes requerimientos:

• Un peso mínimo de rueda de 680 kg (1500 lb)• Un diámetro mínimo de rueda de 380 mm (15 pulgadas)• Una presión de rueda de 345 a 415 kPa (50 a 60 psi)

1.2.3.- Durabilidad del Pavimento en Relación a la Compactación conRuedas Neumáticas:

La habilidad de las compactadoras de ruedas neumáticas deproporcionar una superficie más apretada y resistente al tránsito, que las

compactadoras de tambor de acero, fue descubierta años atrás cuandofueron empleadas por primera vez en la compactación intermedia depavimentos de concreto asfáltico. Sin embargo, no deben ser usadas,normalmente, en la primera pasada de compactación de las capassuperficiales.

Los ensayos posteriores indicaron que las compactadorasneumáticas pueden ser usadas para conseguir la misma compactaciónque se logra con las compactadoras de acero.

En la construcción de sobrecapas de concreto asfáltico, la primeracapa (de nivelación) es colocada, con frecuencia, sobre una superficieirregular que ha sido deformada por el tránsito. La habilidad de lacompactadora neumática de aplicar una presión uniforme sobre el ancho


9/29

9

total hace que sea deseable en la compactación de las rodadas (huellas)del tránsito. La acción de puente de las compactadoras de tambor deacero previene, generalmente, que sean igualmente efectivas ensituaciones similares.

1.3.- COMPACTADORAS VIBRATORIAS:

1.3.1.- Descripción: Las compactadoras vibratorias proporcionan lafuerza compactadora mediante una combinación del peso y la vibraciónde sus rodillos de acero, comúnmente llamados tambores. Lascompactadoras usadas para concreto asfálticos son automotrices y varíanen peso desde 7 hasta 17 toneladas. Existen dos modelos básicos: lasunidades de tambor sencillo y las unidades de tambor doble (tándem).

La propulsión de los modelos de tambor sencillo es proporcionadapor ruedas de acero o ruedas neumáticas. La propulsión de los modelosde tambor es proporcionada, usualmente, por ambos tambor, aunqueexiste al menos una clase de compactadora que posee dos ruedas

impulsoras de acero situadas entre los dos tambores vibratorios. Lostambores de las compactadoras vibratorias varían en diámetro desde 0,9hasta 1,5 m (3 a 5 pies), y en ancho desde 1,2 hasta 2,4 m (4 a 8 pies).Sus pesos estáticos, en términos del ancho del tambor, estángeneralmente entre 29 y 32 kilogramos por centímetro (160 a 180 lb porpulgada) de ancho. El motor que proporciona la potencia para lapropulsión también suministra la potencia a la unidad vibratoria. Lasvibraciones son generadas por la rotación de un peso excéntrico dentrodel tambor. Esta velocidad de rotación determina la frecuencia, ovibraciones por minuto (vpm), del tambor. El peso y la longitud deexcentricidad (distancia desde el eje) determinan la amplitud (cantidad) de

la fuerza de impacto generada. La frecuencia y la amplitud de las


10/29

10

vibraciones están controladas independientemente de la velocidad delmotor y del recorrido de la compactadora.

La frecuencia de vibración de los tambores usados para lacompactación de concreto asfaltico se encuentra generalmente entre

2000 y 3000 vpm, dependiendo del modelo y el fabricante. Algunosmodelos tan solo permiten un ajuste de una o dos frecuencias, mientrasque otros permiten un margen de frecuencias (e.g de 1800 a 2400 vpm).

1.3.2.- Principios de Operación: Las compactadoras vibratoriasconsiguen la compactación a través de una combinación de tres factores.Estos son:

• Peso• Fuerzas de impacto (vibración del tambor)• Respuesta a la vibración en la mezcla.

El factor peso ha sido ya discutido en conexión con lascompactadoras de ruedas de acero y las ruedas neumáticas, Las fuerzasde impacto son aquellas generadas por la vibración del tambor decompactación, y están reguladas mediante el control de la frecuencia y laamplitud de la vibración. La cantidad de fuerza de impacto necesaria paraobtener la densificación optima en la carpeta varia con la temperatura ylas propiedades de la mezcla asfáltica, el espesor de la carpeta, y elsoporte proporcionado por la superficie sobre la cual se coloca la carpeta.Esta cantidad de fuerza también varía con el diámetro y el ancho deltambor, y con la proporción entre el peso estático y la fuerza dinámica (deimpacto).

La respuesta a la vibración de la mezcla consiste en la maneracomo la mezcla reacciona a las fuerzas ejercidas sobre ella. Como con losotros tipos de compactadoras, la mezcla será fácilmente o difícilmentecompactada dependiendo de su temperatura, su cohesión, la textura yforma de las partículas, el confinamiento, y otros factores. El único quevaría en el caso de las compactadoras vibratorias es la presencia defuerzas repetitivas dinámicas sobre la carpeta.

Fuerzas de impacto: Para poder usar efectivamente una

compactadora vibratoria es necesario entender los conceptosfundamentales usados para describir las fuerzas involucradas:

• Frecuencia

Las vibraciones del tambor son producidas por pesos excéntricosque se encuentran en un eje giratorio. La velocidad del eje determina lafrecuencia (el número de vibraciones, o impactos, por minuto).

La frecuencia está definida como el número de ciclos por minuto,un ciclo constituye una vuelta completa del peso excéntrico. El pesoexcéntrico es un peso descentrado asegurado a un eje en el tambor (ver

figura) (ciertas compactadoras pueden tener ejes vibratorios montados,


11/29

11

por fuera del tambor, sobre el bastidor).

A medida que el eje gira, el peso excéntrico crea una fuerzacentrífuga (hacia fuera). Entre más grande el peso, mayor será la fuerza.También, entre más lejos se encuentre del eje. Mayor será la fuerza. Lomismo ocurre entre más gire el eje.El tambor vibratorio produce una secuencia rápida de impactos sobre lasuperficie de la carpeta a medida que la compactadora se mueve haciadelante. Estos impactos son iguales a la frecuencia de la vibración. Parauna velocidad dada de compactadora, entre más alta sea la frecuenciausada, menor será el espaciamiento de los impactos y, por consiguiente,mas lisa será la superficie compactada.

Para cada compactadora se debe utilizar la recomendación delfabricante respecto a la frecuencia que debe ser usada.

• Amplitud

El tambor de la compactación se mueve hacia arriba y hacia abajoa medida que vibra (figura siguiente). Cuando el movimiento del tamborcambia la dirección, se presenta un instante en que se encuentra quieto.


12/29

12

Amplitud

La amplitud está definida por el mayor movimiento posible deltambor en una dirección, medido a partir de su posición inicial de reposo.La amplitud está controlada por el peso excéntrico y su distancia desde eleje, por el peso del tambor. Para un peso dado de tambor, entre mayorsea el peso excéntrico y entre más lejos se encuentre del eje, mayor serála amplitud. En la mayoría de las compactadoras vibratorias pesadas laamplitud puede ser controlada y regulada por el operador de acuerdo alas condiciones de pavimentación. Para cada compactadora se debeutilizar la recomendación del fabricante respecto a la amplitud que debeser usada.

1.3.3.- Uso de las Compactadoras Vibratorias:La frecuencia y la velocidad de la compactadora deben ser

igualadas tal que por lo menos se produzcan treinta impactos devibración por cada metro de recorrido. Esta condición asegura unasuperficie lisa bajo una compactación vibratoria. La relación entrevelocidad y frecuencia está ilustrada en la figura siguiente. A medida quela velocidad de la compactadora aumenta, para una frecuencia dada, elespaciamiento de los impactos también aumenta. Generalmente, paramezclas asfálticas, se recomienda usar la frecuencia nominal máxima conuna velocidad de compactadora ajustada para proporcionar el

espaciamiento deseado.

La figura siguiente ilustra cuatro modos diferentes de usar una


13/29

13

compactación vibratoria equipada con dos ruedas vibratorias. El primermodo muestra el uso de la compactadora sin vibración. En este caso, lacompactadora actúa simplemente como una compactadora tándemestática de ruedas de acero. El segundo modo muestra el uso de la

vibración en la rueda trasera, mientras que la rueda delantera seencuentra sin vibración. Este modo puede ser recomendado en mezclasque tienen estabilidades medias (no muy altas y no muy bajas). El tercermodo ilustra el uso de la vibración en ambas ruedas, sobre una mezclaestable, para conseguir la energía máxima de compactación. El cuartomodo ilustra el uso de la vibración en la rueda delantera, mientras que larueda trasera se encuentra sin vibración. Este modo puede ser usadopara conseguir compactación con la rueda delantera, y conseguir unasuperficie lisa con la rueda trasera. El modo a ser usado depende de lascaracterísticas de la mezcla y las condiciones del proyecto.

Al utilizar el equipo vibratorio se debe tener en cuenta que laenergía impartida por la rueda vibratoria debe ser absorbida por la mezclaque está siendo compactada. El control de la amplitud permite al operadorvariar la fuerza desarrollada en la rueda, regulando de esta manera laenergía impartida. Puede ser necesario ajustar la amplitud cuando hay

cambios en las condiciones de colocación de la muestra. Por ejemplo, uncambio en el espesor de la capa, en la temperatura de la mezcla, en lagraduación de la mezcla, en el contenido de relleno mineral, y en elcontenido de asfalto, puede requerir de ajustes en la amplitud usada. Esmuy importante que la compactadora este vibrando solamente cuandoestá en movimiento. Si las vibraciones continúan cuando la compactadoraestá en reposo, o cuando está cambiando de dirección, entonces cadarueda vibratoria dejara una indentacion en el pavimento. La mayoría delas compactadoras modernas tienen un regulador automático paradetener la vibración tan pronto los tambores cesan su movimiento.

Generalmente, no se debe usar vibración para compactar

sobrecapas delgadas. Esto es particularmente cierto en el caso de


14/29

14

mezclas arenosas. En las capas delgadas no hay suficiente material paraabsorber la energía impartida por los tambores vibratorios. Porconsiguiente, esta energía pasa a través de la mezcla que está siendocompactada, y rebota en la superficie sobre la cual se está colocando la

carpeta. Esto hace que la energía vuelva a entrar en la mezcla y causeque esta pierda compactación. Por lo tanto, en este tipo de situacionesdeberá usarse la compactadora vibratoria en el modo estático. Además, lavelocidad de la compactadora no deberá exceder 5 km/h (3mph), sinimportar si se están usando, o no, vibraciones. Esta velocidad es igual ala velocidad máxima recomendada para compactadoras de ruedas deacero y compactadoras de ruedas neumáticas.

2.- ENSAYOS

Con los ensayos se pretende determinar los parámetros óptimos decompactación, lo cual asegurará las propiedades necesarias para elproyecto de fundación. Esto se traduce en determinar cuál es la humedadque se requiere, con una energía de compactación dada, para obtener ladensidad seca máxima que se puede conseguir para un determinadosuelo. La humedad que se busca es definida como humedad óptima y escon ella que se alcanza la máxima densidad seca, para la energía decompactación dada. Se define igualmente como densidad seca máximaaquella que se consigue para la humedad óptima. Es comprobado que elsuelo se compacta a la medida en que aumenta su humedad, la densidadseca va aumentando hasta llegar a un punto de máximo, cuya humedades la óptima. A partir de este punto, cualquier aumento de humedad nosupone mayor densidad seca a no ser, por lo contrario, uno reducción deesta.

2.1.- CBR

El ensayo de relación de soporte de California (CBR) de un sueloes la carga unitaria correspondiente a una o dos pulgadas de penetración,expresada en porcentaje en su respectivo valor estándar, entonces; elCBR mide la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de

humedad y densidad controlada para poder evaluar la calidad del terrenoque será usado como subrasante, subbase y base de pavimentos.

2.1.1.- Objetivo:

Se hace con el fin de determinar:

Capacidad de soporte en materiales de mejoramiento. Determinación de la densidad y humedad. Determinación de las propiedades expansivas del material. Determinación de la resistencia a la penetración.


15/29

15

2.1.2.- Materiales y Equipos

Moldes: Cilindros de metal, con un collarín y un plato base quedeberá ajustarse a las dimensiones del molde.

Pisón: De metal que proporcionara los golpes de compactación.

Aparato para medir la expansión: Corresponde a una placa demetal perforado, estará provista de un vástago en el centro con unsistema de tornillo que permita regular su altura. Un trípode que puedaapoyarse en el borde del molde, con un deformímetro en el centro, demanera que permita medir la expansión del material.

Pesos de sobrecarga: Una pesa anular y dos pesas ranuradas demetal.

Pistón de penetración: Un pistón de metal cilíndrico.

Dispositivo de carga: Aparato de compresión capaz de aplicarcarga creciente uniforme a una proporción de 1.3 mm/min.

Tanque de remojo: Donde se depositaran las muestras, debetener un nivel de agua constante sobre la parte superior de los moldes.Horno, recipientes para contenido de humedad, tamices, cucharas, regla,mezcladora, balanza.

2.1.3.- Procedimiento

El procedimiento descrito a continuación corresponde a la norma AASHTO T 193- 99.

Muestra de ensayo: Se procede como se indica en la norma AASHTO T 99 o AASHTO T 180 para compactación, excepto que:

Cuando más del 75% del peso de la muestra pase por el tamiz ¾,

se usa todo el material para preparar los especímenes en lacompactación. Cuando la muestra retenida en el tamiz ¾ tiene un pesosuperior a 25%, se separa el material retenido en dicho tamiz y sesustituye por una proporción igual de material comprendido entre lostamices ¾ y Nº 4, obtenida tamizando otra porción de la muestra.

Se toma la muestra de 5kg para cada molde de CBR.

En función de la humedad optima y densidad máxima realizada enel ensayo de compactación, se añade la cantidad de agua necesaria a lasmuestras para ensayarlas en estado de humedad óptima, además se

toma una porción de muestra para efectuar el cálculo de contenido de


16/29

16

humedad.

2.1.4.- Proceso de CBR:

Determinar dimensiones y masa del molde. Hecho esto, se ensamblael molde, con el collar y el plato base, y un disco espaciador, el cualdebe tener registrada la altura.

Se forma un espécimen compactando el suelo preparado, con elmolde, en cinco capaz aproximadamente iguales, para una altura totalde 125 mm. Cada capa será compactada con 56 golpes.

Una vez compactado, se remueve el collar de extensión, ycuidadosamente se retira el material sobrante, con el enrasador, seaplana completamente el espécimen compactado. Se desmonta elmolde y se vuelve a montar invertido, sin disco espaciador, colocandoun papel filtro entre el molde y la base, y se registra el peso.

Se coloca en la parte superior del molde un vástago, con los anillos desobrecarga. Y se toma una lectura inicial para medir el hinchamientocolocando el trípode en los bordes y el dial en el centro del vástago.Se sumerge el molde en el tanque y se toman lecturas continuasdurante 4 días.

Este procedimiento se efectúa para dos especímenes más, de 5 capasy 25 golpes, y, 5 capas y 10 golpes.

Después del periodo de inmersión, se sacan los moldes del tanque, secolocan en un sitio donde escurran durante 15 minutos, se retiran elvástago y las sobrecargas, se seca el molde y se pesa, para efectuarel ensayo de penetración.

Inmediatamente después de haber pesado, se colocan lassobrecargas nuevamente, sin el vástago. El espécimen se colocasobre la prensa y se añade el pistón. Se monta el dial medidor demanera que pueda medir la penetración del pistón y se aplica unacarga inicial de 10 lb.

Se enceran las agujas de los diales medidores y se aplican la cargasobre el pistón de penetración mediante el gato o mecanismocorrespondiente del aparato de carga, con una velocidad uniforme de1.27 (.05”) por minuto. Y se anotan las lecturas de carga para laspenetraciones de 0.025, 0.050, 0.075, 0.1, 0.15, 0.2, 0.3, 0.4 y 0.5

pulgadas. 3 Con el gato mecánico, se realiza la extracción de la muestra y setoman dos muestras para contenido de humedad de cada espécimenensayado.


17/29

17

2.1.5.- Metodología2.1.5.1.- Humedad de compactación.

El porcentaje de agua que se debe añadir al suelo para quealcance la humedad optima es:

% de agua a añadir = H – h x 100100 + h

H= Humedad optima

h= Humedad natural

2.1.5.2.- Agua absorbida.

Se calcula a partir de los datos de las humedades antes de lainmersión y después de la inmersión, la diferencia entre ellas se toma enporcentaje.

2.1.5.3.- Expansión.

Se determina en porcentaje, de la diferencia entre las lecturas del


18/29

18

dial antes y después de la inmersión, con respecto a la altura del molde.

% Expansión = L2 – L1 x 100127

L1= Lectura inicial en mmL2= Lectura final en mm

2.1.5.4.- Curva de deformaciones.

Se traza la curva que relacione las presiones versus laspenetraciones, se observa si la curva presenta inflexiones. Si presentainflexiones se toma los valores a 0.1 y 0.2 pulg de penetración. Si la curvapresenta punto de inflexión, la tangente a ese punto cortara el eje de las

abscisas en otro punto, el cual se toma como nuevo origen paradeterminar las presiones correspondientes.

2.1.5.5.- Relación de soporte de California (CBR).

Los valores de carga corregidos se determina para cadaespécimen a 0.1 pulg y 0.2 pulg de penetración. El CBR es obtiene enporcentaje, dividiendo los valores de carga corregidos a 0.1 pulg y 0.2pulg para las cargas normales de 1000 psi y 1500 psi respectivamente ymultiplicando estas por 100. El CBR es generalmente seleccionado a 0.1


19/29

19

pulg de penetración. Si la relación a 0.2 pulg de penetración es mayor a lapenetración de 0.1 pulg, la prueba se realizara nuevamente. Si la pruebade chequeo da un resultado similar a la relación 0.2 pulg de penetraciónse usara esta.

2.1.5.6.- Diseño de CBR para un solo contenido de agua.

Usando los datos de los tres especímenes, se traza la gráfica deCBR versus densidad seca. El diseño CBR se determina al porcentajedeseado de la densidad seca máxima, normalmente el mínimo porcentajede compactación permitido

Entonces;

El CBR de diseño para una pulgada de penetración y 100% de

compactación es de 68%. El CBR de diseño para una pulgada de penetración al 95% de

compactación es de 62.5%. La densidad seca máxima para una compactación del 95 % es de

2.318 gr/ cm3. El espécimen compactado con 56 golpes, al cuarto día de saturación

posee un esponjamiento de 0.0094%. El espécimen compactado con 25 golpes, al cuarto día de saturación

no presento ningún esponjamiento, lo que está bien, ya que el sueloera de mejoramiento, una mezcla de grava y arena que no presentoplasticidad.

El espécimen compactado con 10 golpes presento un esponjamientode 0.022%.

2.2.- PROCTOR

El Ensayo Próctor es una prueba de laboratorio que sirve paradeterminar la relación entre el contenido de humedad y el peso unitarioseco de un suelo compactado.

Los análisis son realizados en laboratorio por medio de probetas decompactación a las cuales se agrega agua. Los ensayos más importantesson el Proctor Normal o estándar y el Proctor modificado, el másempleado, actualmente en el que se aplica mayor energía decompactación que el estándar siendo el que está más de acuerdo con lassolicitaciones que las modernas estructuras imponen al suelo. Tambiénpara algunas condiciones se utiliza el que se conoce como Proctor de 15golpes. En ambos análisis son usadas porciones de la muestra de suelomezclándolas con cantidades distintas de agua, colocándolas en unmolde y compactándolas con una masa, anotando las humedades ydensidades secas correspondientes. En poder de estos parámetros,

humedad/ densidad seca (humedad en %), se colocan los valores

http://www.construmatica.com/construpedia/Humedadhttp://www.construmatica.com/construpedia/Terrenohttp://www.construmatica.com/construpedia/Terrenohttp://www.construmatica.com/construpedia/Humedad


20/29

20

conseguidos en un gráfico cartesiano donde la abscisa corresponde a lahumedad y la ordenada a la densidad seca. Es así posible diseñar unacurva suave y conseguir el punto donde se produce un máximo al cualcorresponda la densidad seca máxima y la humedad óptima.

Todos ellos consisten en compactar el suelo, con condicionesvariables que se especifican a continuación:

Método Proctor

N Tamaño molde (cm)

Volumen molde (cm)

Pisón (kg)

Nº Capas

Alturacaída (cm)

Nº Golpes

Energíacompac. / volumen (kg*m/m3)

ESTÁNDAR 1 11.64*10.16 943.33 2.49 3 30.48 25 60.500

ESTÁNDAR 2 11.64*15.24 2123.03 2.49 3 30.48 55 60.500

MODIFICADO 3 11.64*10.16 943.33 2.49 5 45.72 25 275.275

MODIFICADO 4 11.64*15.24 2123.03 2.49 5 45.72 55 275.275

15 GOLPES 5 11.64*10.16 943.33 2.49 3 30.48 15 36.400

Los métodos 1 y 3 se emplean con suelos que tienen un alto % de par-tículas bajo la malla #4 = 4.76 mm, un buen criterio es considerar 80%en peso como mínimo.

Los métodos 2 y 4 se emplean con suelos que tienen un % importantede partículas mayores a la malla #4 y menores que ¾.

La energía específica de compactación se obtiene aplicando la siguienteformula:

Ee = N * n * W * hV

Dónde:

Ee = Energía especificaN = Numero de golpes por capan = Numero de capas de suelo

W = Peso del pisónH = Altura de caída libre del pisónV = Volumen del suelo compactado.

Con este procedimiento de compactación, Proctor estudió lainfluencia que ejercía en el proceso el contenido inicial de agua de suelo.Observó que a contenidos de humedad crecientes, a partir de valoresbajos, se obtenían más altos pesos específicos secos y, por lo tanto,mejores compactaciones de suelo, pero que esa tendencia no semantenía indefinidamente, sino que al pasar la humedad de un cierto

valor, los pesos específicos secos obtenidos disminuían, resultando


21/29

21

peores compactaciones en la muestra. Es decir, que existe una humedadinicial denominada humedad optima, que produce el máximo pesoespecífico seco que puede lograrse con este procedimiento decompactación y, por consiguiente, la mejor compactación del suelo.

Los resultados de las pruebas de compactación se grafican encurvas que relacionan el peso específico seco versus el contenido deagua, lo que se puede apreciar en la gráfica “Curvas de Control de VariosSuelos”, para diferentes suelos.

Curvas de Control de Varios Suelos

2.2.1.- Equipo necesario

Molde de 100 cm. De diámetro nominal con una capacidad de 0.944 ±0.008 lt, con un diámetro interno de 101.6 ± 0.4mm. y una altura de116.4 ± 0.1 mm.

Molde de 150 mm. De diámetro nominal con una capacidad de 2124 ±0.021 lt, con un diámetro interno de 152.4 ± 0.1 mm.

Pisón metálico de 50 ± 0.2 mm. De diámetro, con un peso de 2500 ±10 g. Se ocupa en el método Standard.

Pisón metálico de 50 ± 2 mm. De diámetro con un peso de 4.500 ± 10g. Se ocupa en el método modificado.

Probetas graduado con capacidad de 500 cm3 graduada a 2.5 cm3.


22/29

22

Una balanza con una capacidad de 10 kg y una precisión de 5 g y otracon 1 kg de capacidad y una precisión de 0.1 g.

Estufa Regla de acero de 300 mm. De largo, tamices de 50; 20 y 5 mm. De

abertura, cápsulas, pailas, poruñas.

2.2.2.- Calibración del molde

Se pesa, se registra la masa del molde vacío (Mv) y se determina lacapacidad volumétrica como sigue:

Ajustar el cilindro y la placa base. Colocar el molde sobre una superficie firme, plana y horizontal. Llenar el molde con agua a temperatura ambiente y determinar la

masa de agua que llena el molde (Mw) aproximadamente a 1 g. Medir la temperatura de agua y determinar su peso específico ( W),según la tabla siguiente tabla.

Temperaturaº C

Peso EspecificoG/cm3

4 1.0

6 0.999968

8 0.999876

10 0.999728

12 0.39526

14 0.3927316 0.99897

18 0.99862

20 0.99823

23 0.99756

26 0.99681

29 0.99597

Peso específico del agua según su temperatura

Determinar la capacidad volumétrica aproximando a 1 cm3, según

la siguiente expresión:

V = MwW

Dónde:

Mw: Masa de agua que llena el molde.W: Peso específico del agua.


23/29

23

2.2.3.- Tamaño de la muestra

El tamaño de la muestra de ensayo se obtiene de acuerdo a la ta-

bla mostrada a continuación:

Molde Método Masa mínima de la

muestra (g)

Masa aprox. De fracciónde muestra para cada

determinación (g).

100 1 15000 3000

150 2 30000 6000

Tamaño de la muestra de ensayo

Se describe solo el método uno, Proctor Standard, ya que los demás

siguen el mismo procedimiento variando solo las características indica-

das.

Para permitir un mínimo de 5 determinaciones de punto de la curva de

compactación, dos bajo la humedad óptima y dos sobre ellas, se pro-

cede a secar al aire una cantidad suficiente de suelo.

Se selecciona el material haciéndolo pasar por la malla Nº4, se pesa el

material retenido por ella y el que pasa. Se utiliza en el ensaye solo el

material que pase bajo esta malla.

Se mezcla cada porción de suelo, con agua para llevarla al contenido

de humedad deseado, considerando el agua contenido en la muestra.

Para permitir que el contenido de humedad se distribuya uniformemen-

te en toda la muestra, se guardan las proporciones de suelo en enva-

ses cerrados.

Se pesa el molde y su base. Se coloca el collar ajustable sobre el mol-

de.

Colocar una capa de material aproximadamente 1/3 de la altura del

molde más el collar. Compactar la capa con 25 golpes uniformementedistribuidos en el molde de 100 mm de diámetro con un pisón de 2.5

kg con una altura de caída de 30.5 cm.

Repetir 2 veces la operación anterior, escarificando ligeramente la su-

perficie compactada antes de agregar una nueva capa. Al compactar

la última capa debe quedar un pequeño exceso de material por sobre

el borde del molde, el que debe sobresalir de ¼ a ½ pulgada.

Retirar cuidadosamente el collar ajustado y enrasar la superficie del

molde con una regla metálica. Pesar el molde (con la placa) y el suelo


24/29

24

y restar la masa del primero, obteniendo así la masa del suelo com-

pactado (M). Registrar aproximado a 1 g.

Retirar el material del molde y extraer dos muestras representativas

del suelo compactado. Obtener la humedad de cada uno de ellos y re-gistrar la humedad del suelo compactado como el promedio de ambas.

Repetir las operaciones anteriores, hasta que haya un decrecimiento

en la densidad húmeda del suelo. El ensaye se debe efectuar desde la

condición más seca a la condición más húmeda.

2.2.3.- Expresión de resultados

2.2.3.1.- Curva de Compactación: El peso específico húmedo ( t) se

obtiene dividiendo el peso del material húmedo por el volumen interior del

molde.

t = Peso del material húmedo

Volumen del molde

A partir de los datos del contenido de humedad calculados, de cadamuestra compactada de determina el peso específico seco d según:

w = Ww

Ws

d = t .

w + 1

Dónde:

Ww: Peso del aguaWs: Peso de los sólidos

Con los datos obtenidos de d y w se construye un gráfico similar alsiguiente:


25/29

25

Relación Humedad – Densidad

La curva de compactación resultante para un suelo es una curvaexperimental a diferencia de la curva de saturación.

2.2.3.1.- Curva de SaturaciónLa curva de saturación representa la densidad seca de un suelo enestado de saturación. Esto equivale a que los vacíos, Vv, estén totalmenteocupados por agua y se expresa por la relación:

W = [ 1 / d - 1 / Gs]

Donde :

d = Peso específico seco.

Gs = Peso específico relativo de las partículas.

Este contenido de humedad es por lo tanto la humedad que se ne-

cesita para llenar todos los vacíos de agua de una masa de suelo com-pactada a una densidad preestablecida.

2.3.- ANALISIS GRAVIMETRICO Y VOLUMETRICO

Tanto el análisis gravimétrico como el volumétrico, hacen parte delanálisis cuantitativo. El primero determina la cantidad proporcionada deun elemento, radical o compuesto presente en una muestra, eliminandotodas las sustancias que interfieren y convirtiendo el constituyente o com-ponente deseado en un compuesto descomposición definida, que seasusceptible de pesarse. El segundo, determina el volumen de una disolu-


26/29

26

ción de concentración conocida (disolución valorante) que se necesitapara reaccionar con todo el analito, y en base a este volumen se calculala concentración del analito en la muestra.

2.3.1.- ANÁLISIS VOLUMÉTRICO

Es todo aquel procedimiento basado en la medida de volumen dereactivo necesario para reaccionar con el analito. De este modo, al medirde forma exacta el volumen de reactivo, de concentración perfectamenteconocida, necesario para reaccionar completamente con el analito,podremos calcular su concentración en la muestra. En lo sucesivo a lolargo de este tema y los siguientes dedicados a análisis volumétrico, nosreferiremos al mismo con los términos volumetría y/o valoración, aunteniendo claro la diferencia entre ambos.

2.3.1.1.- TIPOS DE VOLUMÉTRÍAS

Las volumetrías se pueden clasificar de acuerdo con la naturalezade la reacción química de valoración en volumetrías ácido-base, deoxidación-reducción, de complejación y de precipitación.

No todas las reacciones químicas pueden ser empleadas comoreacciones de valoración, es necesario que la reacción sea:

Sencilla: La reacción entre el analito y el valorante debe ser simple, yaque es la base de los cálculos para la obtención del resultado final.

Rápida: para llevar a cabo la volumetría en poco tiempo, de locontrario sería necesario esperar cierto tiempo tras cada adición devalorante, resultando un método poco práctico.

Estequiométrica: para los cálculos ha de existir una reacción definida. Completa: permitiendo así realizar los cálculos.

Si atendemos al procedimiento seguido para el desarrollo de lavaloración podemos distinguir principalmente tres tipos de volumetrías:

En una valoración directa el valorante se añade a la disolución delanalito hasta completar la reacción. Es el tipo de valoración mássencilla y se recomienda su aplicación siempre que sea posible.

En una valoración por retroceso, también llamada retrovaloración, seañade al analito un exceso conocido del reactivo valorante, y se usaun segundo reactivo estándar para valorar el exceso del primerreactivo. Estas valoraciones se usan principalmente cuando: El punto final de la valoración por retroceso es más claro que el de

la valoración directa. o Cuando se necesita un exceso del 1er

reactivo para que se dé por completo la reacción con el analito.


27/29

27

Si la reacción de la valoración directa no es favorable, por ejemplotiene una cinética lenta.

La valoración de anión oxalato con anión permanganato,valorando el exceso de este último con hierro (II) es un ejemplo de

valoración por retroceso.

Las valoraciones por sustitución, también llamadas pordesplazamiento, se basan en la sustitución de un ión por otro. Sucampo de aplicación más importante se halla en las valoraciones decomplejación de iones metálicos con el ligando EDTA.

PRINCIPIOS Y CÁLCULOS EN ANÁLISIS VOLUMÉTRICO

En análisis volumétrico, los siguientes principios generales han deser considerados, siempre que sea posible, con el fin de obtener

resultados de calidad: La muestra pesada no debe ser menor de 0,1 g. El volumen de valorante consumido debe encontrarse entre 10 y 20

mL (dependiendo de la escala de la bureta). Si el volumen es muypequeño el error de lectura y de drenaje de la bureta no serádespreciable.

El volumen de la disolución de analito no debe ser tan grande comopara volver a llenar la bureta para completar la valoración. Esoimplicaría un aumento en el error de lectura y drenaje de la bureta.

La concentración del reactivo valorante debe seleccionarse deacuerdo con el tamaño de la muestra y el material a emplear.

Llevarse a cabo la valoración del blanco del indicador cuando seaposible. Si el valorante ha sido normalizado mediante la mismareacción de valoración de la muestra, el error del indicador quedaanulado.

El análisis debe fundamentarse en los resultados de al menos tresvaloraciones en estrecha concordancia.

En volumetrías directas los cálculos pasan siempre por la condición deequivalencia, para la que en el punto de equivalencia de la valoración elnúmero de equivalentes químicos de reactivo es igual al de equivalentes

químicos de analito. A través de la relación de moles de valorante yanalito que reaccionan los cálculos resultan muy sencillos de comprendercomo se puede apreciar con el ejemplo propuesto en las diapositivasfinales de la presentación visual

2.3.2.- ANALISIS GRAVIMETRICO

En análisis gravimétrico, puede decirse que actualmente losmétodos gravimétricos no ocupan un lugar predominante en Química Analítica, debido a ciertas dificultades de utilización, como ser procesos

largos y tediosos, requerir un control riguroso de distintos factores,


28/29

28

exigencia de personal experimentado, etc. Sin embargo, ofrecenimportantes ventajas, tales como su carácter absoluto y su exactitud, porlo cual no es previsible que puedan desaparecer completamente delpanorama analítico general. Los métodos gravimétricos se caracterizan

porque lo que se mide en ellos es la masa. Como esta magnitud carecede toda selectividad, se hace necesario el aislamiento de la sustancia quese va pesar de cualquier otra especie, incluido el disolvente. Así pues,todo método gravimétrico precisa una preparación concreta de la muestra,con objeto de obtener una sustancia rigurosamente pura con unacomposición estequiométrica perfectamente conocida.

Las condiciones anteriores se consiguen fundamentalmente en lassiguientes etapas:

Separación, cuya finalidad es aislar el componente de interés de la

mayor parte de las especies que lo acompañan.

Desecación o calcinación, etapa destinada a eliminar el agua y loscomponentes volátiles, y transformar, en algunos casos, elcomponente aislado en uno de fórmula conocida.

Los métodos gravimétricos de precipitación química: son los másempleados, y por ello son los que se tratarán en este tema con ciertaextensión. Antes de ello, se indica casi de forma telegráfica el fundamentode los otros métodos gravimétricos incluidos en la clasificación anterior.

Los métodos de precipitación electroquímica, también llamadoselectrogravimétricos: se basan en las leyes de la electrolisis, y consistenen precipitar el elemento a determinar (generalmente en forma elementalobtenida por un proceso redox electroquímico) y pesar la especiedepositada sobre el electrodo. Estos métodos presentan la ventaja de quegeneralmente el constituyente a determinar se deposita sobre el electrodoen forma pesable, por lo que por simple diferencia de peso en el electrodoantes y después de la deposición se obtiene la cantidad buscada.

El fundamento de los métodos gravimétricos de extracción loconstituye la ley del reparto de un soluto entre dos disolventesinmiscibles. En estos métodos, el componente a determinar se transformapor reacción con un reactivo adecuado y se extrae con un disolventeapropiado. Una vez conseguida la separación cuantitativa se elimina eldisolvente y se pesa el producto buscado. La principal ventaja de estosmétodos frente a los de precipitación es que generalmente son másrápidos y "limpios", pues no existe la posibilidad de producirse fenómenosde contaminación por coprecipitación, oclusión, etc, que ocurren concierta frecuencia en aquellos.

En los métodos de volatilización, el componente a determinar o sus


29/29

acompañantes se transforman en un compuesto volátil que se elimina,pudiéndose recoger sobre un absorbente adecuado que se pesa(métodos directos) o se pesa el residuo obtenido, determinando pordiferencia el peso del componente de interés (métodos indirectos). Su

principal dificultad reside en la falta de selectividad, pues, frecuentemente, junto con el constituyente de interés se pueden volatilizar total oparcialmente otros componentes de la muestra. Pueden utilizarse otrosmétodos gravimétricos, como los de sedimentación, flotación o los queutilizan propiedades magnéticas.

Compactación, ensayos y equipos

Documents

Transcript of Compactación, ensayos y equipos