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Galvis: Implicaciones practicas de los sistemas de calidad de compactaciÄn en la pavimentaciÄn

Implicaciones practicas de los sistemas de calidad de compactación en la pavimentación

Autor:Ricardo Galvis

Ingeniero Civil, Especialista en CarreterasGerente de Ingeniería de Aplicación, Inversiones Resansil C.A.

[email protected]éfono: +58-414-459-9135

Resumen

En este documento se reflejan recomendaciones para la aplicación de los nuevos sistemas de calidad de compactación, incorporados recientemente en los equipos para compactación de suelos. Se inicia con conceptos básicos sobre el control de calidad, así como objetivos y su importancia, luego se describe brevemente como funciona el sistema de calidad de compactación y al final se presenta un compendio de recomendaciones para su uso, de manera tal de afianzar el control de calidad de suelos en nuestras obras.


1. INTRODUCCION

La acelerada evolución del automóvil y por consiguiente de las carreteras y pavimentos en el mundo, ha inducido a los ingenieros viales en aplicar toda la capacidad de la Ingeniería y la Tecnología avanzada en la optimización de procesos de Construcción y Mantenimiento de carreteras, que permitan incrementar los periodos de vida útil de la misma a menores costos de inversión. Investigadores de la industria de la comunidad de carreteras, desde 1980 han venido estudiando la mejor metodología para lograr niveles de compactación óptimos, ya que existe una búsqueda continua de no solo determinar la densidad de compactación de nuestros materiales, sino lograr conocer rigideces, módulos elásticos y resistencia de los materiales, cuyos parámetros son empleados en los diseños de ingeniería.

Como ejemplo de esta optimización de procesos, hace 30 años durante una conferencia de compactación en Paris, los medidores de compactación integrados en compactadores fueron objeto de las primeras discusiones internacionales. Este instrumento fue conocido como Compactometro y presentado en trabajos técnicos [Forssblad, 1980] y [Thurner and Sandström, 1980] los cuales fueron sustentado con resultados de investigación y experiencias en obras. A partir de esta época se han ido desarrollando investigaciones y aplicaciones especialmente en Alemania, Suiza, Suecia y recientemente en Japón y los Estados Unidos.

El motivo principal de la aparición de este tipo de herramientas se debió a que cuando construimos o mantenemos carreteras en términos de calidad es necesarioel cubrimiento total del área de trabajo, para lo cual hacemos uso de aplicaciones estadísticas con la finalidad de elaborar planes de inspección que nos permitan establecer criterios para la aceptación o rechazo de los lotes de trabajo. Una forma de introducir el 100% de cubrimiento del área en métodos de control de calidad es mediante el empleo de Controles Dinámicos de Compactación (CDC), los cuales integran los compactometros con los equipos de compactación.

En la actualidad, tanto las Administraciones Federal de Carreteras en los Estados Unidos, así como el Programa de Investigación Nacional de carreteras(NCHRP) han implementado planes estratégicos de investigación y evaluación requeridas para adoptar los CDC como norma, desarrollando protocolos para la implementación de los sistemas de compactación en suelos.

En tal sentido este trabajo pretende motivar la investigación y desarrollo en nuestra región de estos sistemas, mediante un compendio de recomendaciones para su uso, y así afianzar el control de calidad en nuestras obras y en un futuro próximo contar con normativas y especificaciones que nos permitan cubrir el 100% del área de trabajo de nuestras obras.


2. LA COMPACTACION DE SUELOS

La compactación es un proceso mecánico destinado a mejorar las características de comportamiento de los materiales térreos que constituyen la sección estructural de las carreteras, los ferrocarriles o las aeropistas (Rico,et al; 1992).

El proceso de compactación consiste en comprimir entre sí los fragmentos del material que forman el suelo. Al hacer esto se reducen los intersticios entre los fragmentos de áridos que contenían aire y agua (Shröder, 2009). Lo que implica en reducir el contenido de vacios, que permite generar una mayor superficie de contacto, generando aumento en la fricción y por consiguiente en una mayor resistencia a la carga.

Una compactación correcta confiere a las vías, carreteras y otras obras de tierra mejores propiedades de uso y asegura su durabilidad en el tiempo (Shröder, 2009).

Como es sabido existen diversos modos de compactar materiales en el campo (ver figura 01). Los utilizados al presente se suelen clasificar en las siguientes categorías:

1. Por amasado2. Por presión3. Por impacto4. Por vibración5. Por oscilación

La naturaleza del suelo es obviamente altamente influyente en el proceso de compactación de un suelo, y depende directamente de su estructuración:

Simple y forma equidimensional: gravas, arenas y limos no plásticos. Electroquímicos: limos plásticos o arcillas.

En el caso de los suelos arenosos, la actuación sobre una estructura simple original no puede producir más que otra estructura simple, más densa. Como se sabe esta estructura es básicamente estable ante la absorción o pérdida de agua, presenta la compresibilidad típica de estos suelos y presenta una resistencia fundamentalmente dependiente de la compacidad alcanzada, de esta manera la compactación creciente de estos suelos suele conducir a formaciones cada vez menos compresibles y más resistentes. En los suelos arcillosos, la ruptura de las estructuras iniciales, generalmente muy complicadas especialmente si el banco de suelo original contiene suelos transportados, seguida del posterior reacomodo que da la compactación para lograr una estructura nueva más densa, produce de nuevo estructuras muy elaboradas, compresibles, tanto más inestables al absorber agua, cuanto más densificadas y


más rígidas a compactación creciente; la resistencia de estos suelos tiende a aumentar con la compactación, pero esa resistencia podrá perderse en gran medida si el suelo, a expensas del potencial de succión adquirido al ser compactado, toma agua y se expande. (Rico,et al; 1992).

La energía de compactación es otra de las variables del proceso que ejercen una gran influencia sobre el mismo; y puede cuantificarse en términos absolutos, aunque en forma aproximada por razones prácticas, en 108 procesos de compactación en el laboratorio que impliquen el Uso de pruebas de impactos causados por la caída de un pisón (Rico,et al; 1992). La fórmula que proporciona el valor de la energía específica en ese caso es:

Donde:Ee: es la energía especifica, medida en unidades apropiadas en relación con una unidad de volumen del terreno al que se está entregando esa energía.N: es el número de golpes del pisón compactador que se dá a cada una de las capas en que se acomoda al suelo en el molde de compactación que se utiliza en el laboratorio.n: es el número de capas que se dispone para llenar el molde.W: es el peso del pisón compactador.h: es la altura de caída del pisón al aplicar los impactos al suelo.V: es el volumen total del suelo compactado, generalmente igual al del molde empleado para compactar.


FIGURA 01. Una indicación sobre la elección de equipos de compactación. (IMT, 2009)


3. SISTEMAS DE COMPACTACION

Compactación estática:

En la compactación estática el rodillo ejerce presión sobre el suelo por efecto de su propio peso, esta forma de compactación no alcanza un efecto demasiado profundo (Shröder, 2009). La presión originada por fuerzas verticales que se generan, permite vencer la fricción interna del material y disminuir los espacios vacios, aumentando su densidad.

Compactación dinámica:

En la compactación dinámica unas masas centrifugas excéntricas imprimen un movimiento vibratorio a la virola que se transmiten a las partículas del material que se está compactando, reduciendo la resistencia al rozamiento entre lo granos de material que facilita la reubicación de los granos.

En la actualidad por los continuos desarrollos de los equipos, se cuentan con dos sistemas de compactación dinámica; vibración y oscilación.

a. Compactación dinámica por vibración

El efecto de compactación de los rodillos vibratorios es producto de la acción combinada de la frecuencia inductora de la fuerza centrifuga excéntrica, la amplitud, la velocidad de marcha, el peso propio del rodillo y la forma y el tamaño de la superficie de contacto. La vibración de las virolas está generada por una masa centrífuga excéntrica que determina su régimen de revoluciones la frecuencia de la vibración; esta masa centrifuga está compuesta de una pieza fija y de otra suelta (el peso reversible), el cual dependerá de la dirección de giro de la onda inductora, lo que se traduce en permitir a la virola girar con dos amplitudes (Shröder, 2009). En la compactación vibratoria se describe un movimiento de ascenso y descenso y en cada revolución de la masa centrifuga excéntrica transmite una sola vez fuerzas al material.


FIGURA 02. Masa Excéntrica de un Rodillo Vibratorio. (HAMM AG, 2009)

b. Compactación dinámica por oscilación:

La oscilación funciona mediante dos ejes centrífugos excéntricos opuestos que giran sincronizados y fuerzan a la virola a describir un giro de avance y retroceso en rápida alternancia; lo que permite que el rodillo oscilatorio, al contrario que la vibrante esté en contacto permanente con el suelo. En la compactación oscilatoria se transmiten fuerzas de cizallamiento al material durante el giro de avance y retroceso del rodillo. Una ventaja de la técnica oscilatoria radica aquí en la autorregulación de la amplitud.

FIGURA 03. Masa Excéntrica de un Rodillo Oscilatorio. (HAMM AG, 2009)

En la figura 04, se puede observar las direcciones de actuación de un rodillo con sistemas de oscilación y vibración. La vibración genera un sentido vertical de actuación mientras que la oscilación genera un sentido tangencial de actuación.


FIGURA 04. Esquema con principio de compactación dinámica por vibración y por oscilación.(HAMM AG, 2009)


4. NORMATIVA INTERNACIONAL

Las pruebas de compactaci�n sirven para controlar los valores de compactaci�n alcanzados en la obra, y las mismas son especificadas dependiendo del tipo de material, y ubicaci�n de la capa controlada.

En s� cada pa�s haciendo uso de su experiencia y exigencias constructivas, ha especificado las condiciones y los tipos de ensayo que deben realizarse para garantizar la calidad de las obras. A continuaci�n se presentan res�menes de normas con relaci�n a las especificaciones constructivas en pa�ses de Am�rica del Norte, Am�rica del Sur, Europa y Ocean�a.

NORMA COVENIN 2000-87, VENEZUELA

La Norma COVENIN especifica que antes de proceder a la ejecuci�n de bases y sub bases y pavimentos asf�lticos; se debe verificar la superficie de apoyo. Para determinar si la superficie de apoyo es firme y estable en toda su extensi�n el “Contratista” debe pasar sobre dicha superficie un cami�n volteo cargado con 11.000kg por eje simple, u otro equipo que ejerza sobre la superficie de apoyo un presi�n de contacto de 2,80 kg/cm2.

Con relaci�n a mezclas de suelo y agregado; granz�n natural y granz�n mezclado, el material compactado debe alcanzar una densidad equivalente al 95% de la densidad seca m�xima obtenida en el laboratorio. En el caso de grava estabilizada, piedra picada se debe verificar mediante la ejecuci�n de pruebas de campo, pasando un cami�n cargado con 11.000kg por eje simple trasero sin que se produzcan ondulaciones o desplazamientos excesivos.

Para bases estabilizadas con ligantes hidr�ulicos y bituminosos, exigen alcanzar una densidad equivalente al 95% de la densidad seca m�xima obtenido mediante las metodolog�as empleadas para el dise�o de estas bases estabilizadas.

Recientemente en Venezuela, se ha presentado una nueva actualizaci�n de la normativa que corresponde la Norma FONDONORMA 2000-1, en la cual adicional a lo antes expuesto; se deben medir los valores de densidad y humedad de campo contrastados en el Mapa de Resistencias obtenido mediante experimento factorial de dos variables tomando como prototipo el ensayo CBR ASTM D1883 versi�n 7.2. El mapa nos ayudar� a verificar que las condiciones del material en sitio cumplan con el valor CBR solicitado en el dise�o del pavimento.


PLIEGO DE PRESCRIPCIONES TÉCNICAS GENERALES PARA OBRAS DE CARRETERAS Y PUENTES (PG-3), ESPAÑA.

En Espa�a el Pliego de Prescripciones presenta metodolog�as las cuales deben cumplirse simult�neamente por tongada.

1. Humedad-densidad seca:a. Densidad seca Pr�ctor de referencia (normal o modificado).

rd≥rd,maxPR en coronaci�n, rd≥0,95rd,max

PR en resto de zonas.b. Humedad en zona de validez (entre l�neas de isosaturaci�n en el

ensayo Pr�ctor de referencia). (-2%, +1%) caso general. (-1%, +3%) materiales expansivo/colapsables.

2. Placa de carga ( � L > 5 Dmax; Splaca > 700 cm2):a. Relaci�n de m�dulos: K = Ev2/Ev1 £ 2,2b. M�dulo Ev2:

Coronaci�n: Ev2 = (100, 60) MPa Resto de zonas: Ev2 = (50, 30) MPa

TRANSIT, TNZ: F1/1997 NUEVA ZELANDA.

La normativa TRANSIT, de Nueva Zelanda define dos condiciones para movimientos de tierra, dividiendo las especificaciones de la compactaci�n en:

Materiales GranularesEl grado de compactaci�n depender� del grado de deformaci�n de genere un compactador de neum�tico con una carga de 6259 kg/m; la deformaci�n generada no podr� ser mayor a 5mm.

Materiales No GranularesEl grado de compactaci�n se determinara mediante la aplicaci�n de lotes con cinco (05) muestras cuya densidad no deber� ser menor al 98% de la densidad seca m�xima, con una desviaci�n est�ndar de 0,30.

ESPECIFICACION M41-10, DEPARTAMENTO DE TRANSPORTE DE WASHINGTON. ESTADOS UNIDOS

La normativa del Departamento de Transporte, define para movimientos de tierra, la norma espec�fica en su M�todo B; que el terrapl�n deber� compactarse al 95% de la densidad seca m�xima en los dos primeros pies de espesor, y el restante hasta el 90% de la misma densidad mediante la metodolog�as descrita en la norma AASHTO T 310 (M�todo Dens�metro Nuclear) and T 615 (M�todo del cono y arena).


5. GENERALIDADES ENSAYOS DE CONTROL DE COMPACTACION

En el apartado 04, pudimos notar como en varios países, de distintos continentes el estado del control de compactación de terraplenes, bases y subbases se realiza por producto terminado, y en la mayoría de los casos por control de la densidad seca, mediante el uso de ensayos con densímetro nuclear y cono y arena.

Sin embargo esto métodos son realmente indirecto ya que en los diseños de pavimento se requiere el uso de módulo de elasticidad de la capa, o en su defecto capacidad de soporte CBR; es decir su capacidad de resistir las cargas de tráfico durante un periodo elevado de años con mínimas deformaciones.

La densidad seca, mediante el ensayo Proctor es correlacionable con el valor del C.B.R. y a partir de aquí, por la ecuación expresada anteriormente, es posible saber el módulo de elasticidad o resiliente de la capa granular (Alvarez, 2003).

En el caso de Venezuela, se ha fijado el uso de Mapa de Resistencias(RAMCODES) obtenido mediante experimento factorial de dos variables, de esta es posible verificar mediante el uso de la humedad y densidad seca del sitio, si el material posee un CBR acorde al diseño de pavimento realizado.

A continuación se describen brevemente las metodologías comúnmente empleadasen el mundo para el control de calidad.

Control mediante densidades en sitio

Entre los métodos más empleados, se encuentran el método del cono de arena, el del balón de caucho e instrumentos nucleares.

Tanto el método del cono de arena (ver figura 05) como el del balón de caucho, son aplicables en suelos cuyos tamaños de partículas sean menores a 50 mm. y utilizan los mismos principios, o sea, obtener el peso del suelo húmedo (P hum) de una pequeña perforación hecha sobre la superficie del terreno y generalmente del espesor de la capa compactada. Obtenido el volumen de dicho agujero (Vol. Exc), la densidad del suelo estará dada por la siguiente expresión (Universidad Católica de Valparaiso):

hum = P hum / Vol. Exc ( grs/cc )

Si se determina luego el contenido de humedad (w) del material extraído, el peso unitario seco será:


seco = hum / ( 1 + w ) ( grs/cc )

FIGURA 05. Equipo de densidad in situ. (Valle Rodas R.,1982).

En el m�todo de determinaci�n de densidad con dens�metro nuclear, la determinaci�n de la densidad total � densidad h�meda a trav�s de este m�todo, est� basada en la interacci�n de los rayos gamma provenientes de una fuente radiactiva y los electrones de las �rbitas exteriores de los �tomos del suelo, la cual es captada por un detector gamma situado a corta distancia de la fuente emisora, sobre, dentro o adyacente al material a medir (Universidad Cat�lica de Valparaiso).

Los dens�metros nucleares permiten medir el valor de la densidad h�meda “in situ” o densidad de la masa de suelo h�meda. La densidad seca del suelo se obtiene restando de la densidad h�meda el peso del agua por unidad de volumen, el cual es medido con el mismo equipo nuclear por otro procedimiento. (Centeno, 1982)

Existen tres formas para hacer las determinaciones, retrodispersi�n y transmisi�n directa entregando resultados satisfactorios en espesores aproximados de 50 a 300 mm.

En el m�todo de retrodispersión, la fuente radiactiva Celsio-137 est� ubicada en el mismo plano horizontal que los detectores geiger-m�ller (ver figura 06). El haz volum�trico de fotones parte de la fuente radiactiva y tiene forzosamente que penetrar el suelo, entre la superficie del mismo y una profundidad que var�a de acuerdo a la densidad. La precisi�n de la medida es menor que en el caso del m�todo directo, pues no es posible lograr que el 100 porciento de la radiaci�n atraviese el suelo. (Centeno, 1982)


FIGURA 06. Método de Retrodispesión. (Troxler).

En el método de transmisión directa, la aguja que contiene la fuente radiactiva en su extremo es bajada hasta una profundidad h, introduciéndola en una cavidad preformada con una barra punzón hincada en el medio con una mandarria. La radiación atraviesa el suelo en sentido diagonal (ver figura 07), de abajo hacia arriba, produciéndose una dispersión de fotones cuya forma es aproximadamente la de dos conos rectos unidos por su base, con sus apices en la fuente y en los contadores, respectivamente (Centeno, 1982)

FIGURA 07. Método de transmisión Directa. (Troxler).


Control mediante placa de carga

El ensayo de placa de carga, se ha utilizado durante muchos años en la edificación para determinar las características portantes y de deformación del terreno sobre el que se quería cimentar. Está orientado a la obtención del módulo de elasticidad superficial de la capa, lo que en principio es más directo que el control de la densidad seca (Alvarez, 2009).

El ensayo consiste en la realización de dos ciclos de carga sobre una placa de 30 centímetros de diámetro, con un proceso de descarga intermedio. La carga se produce por escalones hasta alcanzar una deformación de 5 mm o una tensión de 0.50 MPa. Cada escalón de carga se mantiene hasta que la velocidad de deformación baja de 0.02 mm/min. En el segundo ciclo solo se debe llegar hasta el penúltimo escalón de carga.

En los dos procesos de carga, se obtienen los módulos de compresibilidad E1 y E2

definidos por medio de la expresión:

Ev = 1.5( / s)* r

Los incrementos de tensión y de deformación se toman entre el intervalo de 0.31max

y 0.71max el valor del módulo de compresibilidad viene dado en MN/m2.

En el primer ciclo del ensayo se realiza un proceso de compactación, si el material está suelto y en el segundo ciclo se calcula el valor del módulo de compresibilidad. En tal sentido un valor del parámetro, K= E2 / E1 , bajo, indicaría una falta de compactación en la capa granular y debería ser causa del rechazo de dicha capa (Alvarez, 2009).

FIGURA 08. Ensayo de placa de carga (Souther Testing)

Tanto las normas suizas como las alemanas indican este tipo de control en la compactación, y exigen que el valor de K sea inferior a 2.0 para suelos de grado fino, inferior a 2.2 o 2.5 según el caso para suelos de grano grueso e inferior a 3.0 para suelos de grano medio. En el caso de la norma española tal como se describe en el apartado 04, el valor de K debe ser menor a 2.2.


Con relación a las carreteras cabe indicar que el valor de la carga del ensayo es alto en comparación de las cargas de tráfico que van a incidir sobre las capas granulares, que la carga es estática más cercana a las cargas de cimentaciones que a las del tráfico y que el primer escalón de carga hace que los valores del módulo de compresibilidad deducidos del segundo ciclo sean superiores a la realidad (Alvarez, 2009).

Control mediante deflectómetro de impacto

El Deflectómetro de impacto es una de las herramientas de las que dispone el ingeniero de pavimentos para describir y comprender su comportamiento estructural. La realización de medidas con el Deflectómetro de impacto no constituye un objetivo en sí mismo, sino simplemente un método más para analizar el estado de un pavimento (ver figura 09).

FIGURA 09. Deflectometro de Impacto (HWD) Laboratorio Nacional de Vialidad de Venezuela

El Deflectómetro de impacto consta de una placa de carga y una serie de 7 a 9 geófonos ubicados el primero debajo de la placa de carga y el resto puede ser distribuido dependiendo de la campaña a ejecutar, las distancias varían entre 20cm y 240cm del centro de la placa. Con estos geófonos es posible captar la deformación del pavimento y generar el cuenco de deflexiones del mismo. Todos los sistemas deben calibrarse de forma periódica y se debe verificar dicha calibración de acuerdo con los procedimientos normales de calibración de los deflectómetros de impacto.

El principio general de funcionamiento del Deflectómetro de impacto se basa en la generación de un impulso de carga sobre el pavimento. Esto se consigue mediante el impacto provocado por la caída libre de una masa sobre un sistema de amortiguación instalado sobre una placa de carga. Una serie de deflectores (geófonos) miden las deflexiones verticales máximas del pavimento bajo el centro de la placa de carga y a distintas distancias de ese centro (ver figura 10).


FIGURA 10. Diagrama sobre la medición de deflexiones con el Deflectómetro de Impacto (Petersen, Chile)

Los ensayos se realizan en las previsibles zonas de rodada de los carriles exteriores. En general se realiza un ensayo cada 100 metros de rodada cuando la longitud de carretera a auscultar sea superior a 500 metros y un ensayo cada 50 metros cuando no se supere dicha longitud.(Alvarez, 2003)

En cada punto de ensayo se dan cuatro golpes con la tensión de contacto nominal. Los primeros dos golpes se desechan para el estudio y solamente se tendrá en cuenta los valores obtenidos en los dos últimos. Para un control mediante deflexiones solo se trabaja con la deflexión máxima obtenida en el geófono central(Alvarez, 2003).

Además de los valores de deflexión por sí mismo, es posible calcular de forma aproximada el modulo o la rigidez, de cualquier capa de la estructura del pavimento con la siguiente ecuación:

Donde:

E0 = Es el modulo de superficie o modulo compuesto de la subrasante debajo de la placa de carga.

a = radio de la placa de carga

0 = presión de contacto máxima bajo la placa de carga.

d0 = Deflexión en la placa de carga

0

05.1daEo


Esta ecuaci�n esta basada en la distribuci�n uniforme de la carga y con una relaci�n de poisson de 0.5. Generalmente la relaci�n de poisson est� por debajo de 0.5 usualmente entre 0.35 y 0.45 para la mayor�a de los materiales, sin embargo la distribuci�n de la carga bajo la placa de carga no es del todo uniforme, debido a lo r�gido de la placa, adem�s el factor 1.5 veces en la f�rmula del modulo compuesto es una de la m�s usada en la pr�ctica.

El t�rmino modulo de superficie o compuesto tambi�n es usado para definir el modulo de la subrasante debajo de cualquier profundidad y de cualquier sensor usado en los c�lculos. Esta profundidad es aproximadamente igual a la distancia en que se ubica el sensor desde el centro de la placa. El modulo aparente o compuesto de la subrasante derivado de cualquier sensor a una distancia “r” se puede calcular de la ecuaci�n:

rdra

E r

02

,084.0

Donde:

E0,r = modulo de superficie o compuesto de la subrasante debajo del sensor utilizadoa = radio de la placa 0 = presi�n de contacto m�xima bajo la placa de cargadr = deflexi�n medida a la distancia “r”r = distancia donde se lee la deflexi�n desde el centro de la placa de carga.

La constante sugerida de 0.84 asume que la relaci�n de poisson es 0.4. S� la distancia dr est� ubicada suficientemente lejos del centro de la placa de carga, se asume como una carga puntual de manera que la distribuci�n de presi�n de la placa no importa. Adem�s variaciones peque�as en los valores de la relaci�n de poisson tienen un m�nimo impacto en el resultado de la ecuaci�n.

Estas ecuaciones han sido recomendadas por el FEHRL y LTTP. Las dos ecuaciones son derivadas de la teor�a de Boussinesq, para un espacio semi-infinito y materiales linealmente el�sticos. Adem�s de las limitaciones mencionadas m�s el de que la mayor�a de los materiales no son perfectamente el�sticos de forma lineal a profundidades infinitas, estas ecuaciones no son del todo perfectas sin embargo son muy sencillas de manejar. Adem�s que su c�lculo es “hacia delante” de manera que los resultados son �nicos para las variables de entrada (lo contrario sucede con los resultados del retroc�lculo, que no son �nicos).

Adem�s de esta forma sencilla de comprobar la capacidad portante de las capas granulares compactadas mediante el deflect�metro de impacto por medio de las deflexiones, es posible controlar directamente los m�dulos de elasticidad reales de


las capas. Es posible ensayar un número de puntos relativamente alto con lo que se disminuye el riesgo de defectos ocultos (Alvarez, 2003).

Es importante recordar que las deflexiones deben ser corregidas por humedad o temperatura, dependiendo del caso sugerido por las especificaciones del país.

No resulta sencillo, o al menos no resulta económico, el tener permanentemente un deflectómetro de impacto a disposición de la obra. Es por ello por lo que debe estudiarse su uso en un conjunto de obras relativamente próximas y con una velocidad de respuesta adecuada para poder actuar en una capa en la que se haya detectado el defecto antes de extender la capa siguiente (Alvarez, 2003).


6. CONTROL DINAMICO DE COMPACTACION (CDC)

Las normativas especifican un control de densidades que normalmente para capas de terraplén pueden ser de un ensayo de densidad entre 250m2 a 5.000 m2 por capa, lo que supone, como dicen los defensores del control de la ejecución un porcentaje pequeño en función del volumen de obra realizado (Alvarez, 2003).

La continua necesidad de alcanzar resultados diarios de control de compactación en obra, que represente el 100% de la totalidad del terraplén ejecutado en tiempos más reducidos, ha incentivado el desarrollo y uso de controles dinámico de compactación en toda el área de trabajo.

La relación dimensional de la muestra con respecto a la superficie compactada realmente era con frecuencia sumamente desfavorable, llegando incluso a ser de 1:1000.000, lo que permite que puntos mal compactados quedarán sin descubrir (Shröder, 2009).

El control dinámico de compactación es un proceso de automonitorización y verificación integral de todo el objeto de control, el cual permite alcanzar una calidad mayor, y por consiguiente homogeneidad y durabilidad a la obra terminada, mediante la obtención de información sobre el estado de compactación alcanzado para todos y cada uno de los puntos objeto de control.

Los sistema metrológicos desarrollados, indican al conductor del rodillo en todo momento los puntos de la superficie de trabajo que no se han compactado aún suficientemente.

Conceptos Básicos del Sistema

El rodillo de un compactador vibratorio, somete al suelo a repetidos impactos, el mismo puede cuantificarse como un impacto por ciclo de vibración. En el caso de un plato dinámico de carga, el impacto de un plato cilíndrico puede ser usado como ensayo de carga al suelo. De allí nace la idea de evaluar en numerosos ensayos de campo el empleo de rodillo compactadores equipados con acelerómetros y fue encontrado que la relación entre la amplitud y la frecuencia eran importantes para el nivel de compactación requerido. En estos primeros estudios fue demostrado que la fuerza de amplitud F del impacto es proporcional a la aceleración vertical del rodillo. El desplazamiento durante el impacto puede ser aproximado por la amplitud de la doble integral de la componente fundamental de aceleración. En tal sentido, es importante expresar el modulo de deformación de un cilindro Ec, como la relación de fuerza al correspondiente desplazamiento. (Sandström, 2003)


Donde:

ω = es la frecuencia angular de la vibraci�n. Ao = amplitud de la aceleraci�n del componente de vibraci�n. A1 = amplitud de la aceleraci�n del primer harm�nico componente de

vibraci�n. c1,c2 = constantes

Basado en la referida ecuaci�n, y escogiendo constantes para dar lecturas de 0 a 100, se define el Valor de medici�n de compactaci�n como (Sandstr�m, 2003):

CMV = 300 * A1 / A0

La medici�n de CMV variar� de compactador a compactador, y los par�metros especialmente los de frecuencia, deben mantenerse constante e igual a los par�metros empleados durante la fase de calibraci�n. Un compactador estandarizado para la medici�n, puede ser empleado como un deflectometro de impacto, para conseguir la rigidez de la superficie, la gran ventaja es que podemos lograr una total cobertura del �rea de trabajo y observar los resultados de manera instant�nea. Comparando estos resultados con un CMV recomendado o m�nimo, obtenido mediante calibraci�n, el operador podr� conocer donde fue alcanzado el nivel de compactaci�n �ptimo y donde se hace necesario realizar pases adicionales.

Componentes del Sistema

En la figura 09, pueden detallar los componentes con los cuales cuenta el sistema, Sensor de Aceleraci�n, Procesador y visor del valor de medici�n de compactaci�n.

El aceler�metro se encuentra instalado en la placa del rodillo en direcci�n vertical, esta se�al es analizada mediante un procesador el cual presenta en el display el valor de medici�n de compactaci�n, cuyo nombre var�a para las distintas marcas comerciales; en la caso de la marca de compactadores alemanes HAMM, se define como HMV, tal cual como se observa en la figura 11.


HCQ-Indicador

Procesador

Visor HMV

Sensor de aceleración

t

FIGURA 11. Configuración del sistema de control dinámico de compactación (HAMM AG, 2009)

Niveles de controles dinámicos de compactación

Comercialmente existen distintos niveles de controles dinámicos de compactación:

Compactometro, corresponde a un ordenador, un sensor y una unidad indicadora, el cual permite controlar el trabajo realizado por el operador, para evitar compactaciones excesivas o insuficientes en el área de trabajo. El sensor capta la aceleración en la vibración y transmite el valor medido al ordenador. A partir de esta señal se obtiene el valor de medida de la rigidez del material compactado. La definición e identificación del valor de rigidez depende de la marca comercial del equipo.

FIGURA 12. Visualización del sensor acelerómetro y unidad indicadora (HAMM AG, 2009)

Sistema con Impresora, corresponde a un sistema de visualización y almacenamiento, instalada en la cabina del compactador. La pantalla se divide hasta seis (06) franjas de compactación paralela con una longitud máxima de 960m, cada franja a su vez esta segmentada en seis mediante luces (06) campos. Los resultados se muestran mediante luce LED y se pueden imprimir en la impresora instalada en la cabina.FIGURA 13. Sistema de control con

Impresora (HAMM AG, 2009)


Sistema con navegador GPS, corresponde a una unidad de visualización y un receptor de GPS de alta precisión; el cual determina la posición actual del rodillo y el compactometro indica el valor de medición de la compactación, con la finalidad de representar gráficamente los resultados de compactación.

El sistema presenta dos modalidades de funcionamiento, un modo conductor en el cual se puede visualizar (Shröder, 2009):

Numero de pasadas. Valor de rigidez. Modificación de la calidad: ascendente, uniforme o descendente. En las obras de tierra: Capacidad portante (después de una calibración

previa)

En el modo analista, el jefe de la obra o responsable del laboratorio pueden utilizar todas las características del sistema, efectuar la configuración base y evaluar los datos existentes. Antes del inicio el analista define espesor de las distintas capas, coeficientes, coeficientes de calibración y puede cargar datos de planificación, líneas geográficas y visualizarlas de fondo en el sistema para una mejor orientación. El intercambio de datos del proyecto se realiza fácil y rápidamente mediante un lápiz USB.

FIGURA 14. Sistema de control con navegador GPS (HAMM AG, 2009)

A continuación se presenta tabla correspondiente a las distintas recomendaciones de aplicación y equipamiento recomendado del rodillo, dependiendo de la aplicación.


FIGURA 15. Recomendaciones de aplicación de sistemas de Control Dinámico de Compactación (HAMM AG, 2009)

Ventajas del Sistema

Al contar con Controles Dinámicos de Compactación, podemos encontrar las siguientes ventajas:

Compactación Homogénea Detección de los puntos débiles. Minimización del número de pasadas. No se producen ni compactaciones excesivas ni el aflojamiento posterior

del terreno. Ya no es necesario comprobar como hasta ahora la resistencia del suelo

en las obras de tierra. Gran ahorro de tiempo y, con ello, de costos. No requiere ningún manejo específico.


7. CALIBRACION E IMPLEMENTACION DEL SISTEMA CDC

Al iniciar cualquier proyecto donde se quiera implementar el sistema, es necesario realizar una calibración que tiene por objetivo establecer una correlación entre los valores de medición obtenidos con el rodillo y las mediciones de control convencionales. La calibración puede realizarse mediante el grado de compactación o la capacidad portante.

Pocos países y agencias federales han desarrollado especificaciones para implementar los sistemas de control dinámico de compactación en movimientos de tierra. En la tabla 01, se presentan los resúmenes de distintas especificaciones (White, 2008).

La especificación requiere de desarrollar mediante platos de carga, deflectometros de impacto, DCP u otra medición convencional la calibración del sistema mediante un tramo de prueba basado típicamente entre 3 a 5 mediciones.

La especificación alemana sugiere desarrollar al menos tres pruebas estáticas con plato de carga, en sitios con baja, media y alta compactación, cuya regresión lineal debe generar un coeficiente mayor a 0,7 (White, 2008).

En la actualidad es bastante discutido y no se ha llegado a un consenso entre distintos especialistas en cuanto debe ser incrementado las mediciones durante la calibración, en vista que es necesario un número mayor de muestra para conseguir un coeficiente de regresión adecuado, sin embargo podemos hablar de un rango de medición que varía entre 10 a 15 puntos en un tramo de 20m por pase.

FIGURA 16. Relación entre distintos métodos de medición en sitio vs CMV (White, 2008)

En la figura 16, se muestra un ejemplo de correlación con un material granular, haciendo uso de densidades en sitio, DCP y platos de carga. El compactador realizo1,2,4,8, y 12 pases, y fueron tomadas diez (10) mediciones por punto, lo que genero para cada grafica 60 puntos de medición. Si observamos encontramos dispersión en los resultados, debido a la variación del suelo, errores en la localización del punto,


M�n.10 – 15 puntos de

medici�n

errores de medición del equipo y errores del procesador, sin embargo al promediar los 10 puntos la dispersión se reduce; lo que concluye que un solo ensayo por punto nos provee de la información estadística necesaria para conseguir un nivel de confiabilidad, y de relaciones como vista en la figura de R2 que varían entre 0,96 y 0,99. El promedio aritmético de las mediciones del sitio, nos permitirá reducir problemas asociados con los errores durante la calibración e generar predicciones confiables. En el futuro, relaciones de regresiones múltiples, nos podrá incorporar en los modelos parámetros como la humedad, que influyen indiscutiblemente en las mediciones. (White, 2008)

Tabla 01: Resumen de especificaciones a nivel mundial en sistema CDC. (White, 2008)

Los sitios de medición deberán ser elegidos mediante métodos estadísticos números aleatorios (Random) obtenidos enteramente al azar y que están formados por un conjunto de dígitos cada uno de los cuales tienen igual probabilidad de ser uno cualquiera de los dígitos comunes en base 10, para el proceso de seleccionar la ubicación de puntos de la carretera en que se tomen las muestras para ensayos de laboratorio o donde se verifique la calidad de los trabajos.

FIGURA 17. Calibraci�n del sistema de Control Din�mico de Compactaci�n (HAMM AG, 2009)


El proceso consiste en lo siguiente:

(1) Identificar la sección de control, donde vamos a ejecutar la calibración, el ancho es igual al ancho del rodillo, más una variación de un 10%.

(2) Determinar el número de puntos de muestreo dentro de la sección de controlseleccionando la máxima distancia longitudinal promedio deseada entre lasmuestras y dividiendo la longitud de la sección entre la máxima distancia longitudinal promedio.

(3) Seleccionar por sorteo y al azar un número que represente una columna de la tabla de números aleatorios (ver de tabla 02 a tabla 05). Dicho número tendrá un valor comprendido entre 1 y 28.

(4) Buscar en la tabla la columna que identifica al número seleccionado. En la subcolumna A ubicar todos los números menores o igual que el número de puntos de muestreo definidos en el segundo paso.

(5) Multiplicar la longitud total de la sección de control por los valores que se hallan en la subcolumna B adyacentes a los valores de la subcolumna A. Sumar los resultados obtenidos a la progresiva de inicio de la sección de control para obtener la progresiva de la ubicación de los puntos de muestreo.

(6) Multiplicar el ancho total de la sección de obra por los valores que se hallan en la subcolumna C, adyacentes a la subcolumna B, para obtener la distancia transversal medida desde el borde izquierdo de la sección que determina la ubicación del punto de muestreo en la progresiva respectiva.


Tabla 02. Números Aleatorios. (MTC Peru, 2008)


8. CONCLUSIONES

1.- Los sistemas de control dinámico de compactación, fueron desarrollados en la década de los 80 y han sido especificados para la construcción en Alemania, Suiza, Suecia y recientemente en Japón y los Estados Unidos.

2.- El sistema de control dinámico de compactación, nos permite:

Lograr una compactación Homogénea Es posible detectar zonas o puntos débiles. Se optimiza el número de pasadas, por cuanto el operador podrá conocer si

está cumpliendo con el nivel de compactación No se producen ni compactaciones excesivas ni el aflojamiento posterior del

terreno. Mediante las correlaciones y calibración del sistema se puede obtener la

resistencia del suelo en las obras de tierra. El sistema permite grandes ahorro de tiempo y, con ello, de costos.

3.- Los sitios de medición durante la calibración deberán ser elegidos mediante métodos estadísticos números aleatorios (Random) obtenidos enteramente al azar.

4.- El promedio aritmético de las mediciones del sitio, nos permitirá reducir problemas asociados con los errores durante la calibración e generar predicciones confiables, se deben tomar entre 10 a 15 mediciones por pase.


9. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] ALVAREZ, Rafael “Control de la compactaci�n de capas granulares”, Geocisa, Espa�a.

[2] COVENIN “Norma 2000-87”, 1987, Caracas, Venezuela.[3] CENTENO, Roberto “Inspecci�n y Control de Obras Civiles”, 1982, Caracas,

Venezuela.[4] FONDONORMA “Norma 2000-1”, 2009, Caracas, Venezuela.[5] GALLIVAN, Victor “Intelligent Compaction”, FHWA, Estados Unidos.[6] GALVIS, Ricardo “Introducci�n del deflectometro de impacto en proyectos,

planificaci�n y gestion de pavimentos en Venezuela”, 2004, Laboratorio Nacional de Vialidad, Venezuela.

[7] MTC, “Manual de EspecificacionesT�cnicas Generales para Construcci�n de Carreteras No Pavimentadas de Bajo Volumen de Tr�nsito”, 2008, Lima, Peru.

[8] RICO, Alfonso; et al “Consideraciones sobre Compactaci�n de suelos enObras de infraestructura de Transporte”, 1992, Instituto Mexicano del Transporte, Mexico.

[9] SANDSTR�M, Ake , et al “Intelligent Systems for QA/QC in soil compaction”, Geodinamik HT AB, Suecia.

[10] SHR�DER, Ralf “Compactaci�n en el asfaltado y obras de tierra”, 2009, HAMM AG, Alemania.

[11] THURNER, Heinz “Continuos Compaction Control”, 2000, Geodinamik AB, Suecia.

[12] THURNER, Heinz “Quality Assurance and Self Control in Road ConstructionAdvanced Measurement Technology”, Geodinamik AB, Suecia.

[13] UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO “Determinaci�n de la densidad en sitio”, Facultad de Ingenier�a, Escuela de Ingenier�a de Construcci�n http://icc.ucv.cl/geotecnia/11_nuestro_laboratorio/laboratorio/dinsitu/dinsitu.html

[14] White, David , et al “Roller-Integrated Compaction Monitoring Technology: Field Evaluation, Spatial Visualization, and Specifications”, 2008, Iowa University, Estados Unidos.

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