PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO 1 Prueba de compactación: Proctor modificado Juan G. Valenciano Mora Instituto Tecnológico de Costa Rica
PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO 2 Resumen Se muestra los resultados de la pruebas de laboratorio sobre preparación de muestras y ensayo de compactación: Proctor modificado. Se definen conceptos necesarios sobre los diferentes términos a utilizar para cada método. Utilizándose las normas ASTM D-698 y ASTM D-1557 en cuanto a procedimientos y materiales. Se preparó cinco muestras de material, en cada espécimen por compactar según el procedimiento D descrito en la norma ASTM D-1557. Se agregó diferentes cantidades de agua a cada uno de los especímenes y luego se compactó según el método del proctor modificado. Se construyó la curva de compactación de la muestra de suelo estudiado, se obtuvo que el contenido óptimo de agua (w ópt ) es de un 9,91%, correspondiendo a un peso especifico seco máximo de 2,34 g/cm 3. Además, se trazó la curva de cero vacíos de aire o curva de saturación total. Palabras clave: contenido de humedad óptimo, proctor modificado, curva de cero contenido de aire. Introducción Según Das 2006, el suelo en un sitio de construcción no siempre está totalmente adecuado para soportar estructuras como edificios, puentes, carreteras y presas. Algunas veces, las capas superiores del suelo no son adecuadas y deben retirarse y reemplazarse con mejor material para su construcción. Cuando existen grandes asentamientos por consolidación se requieren entonces procedimientos especiales de mejoramiento de suelo para minimizar los asentamientos. Conocer el contenido de humedad óptimo para que el suelo alcance la máxima compactación es fundamental pues permite establecer parámetros de referencia en el momento de preparar el terreno para el soporte de determinada obra. Con la prueba Proctor modificada se
PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO 3 pretende reproducir, al menos teóricamente, las condiciones de compactación dadas en el terreno con el fin de estudiar y analizar las propiedades del mismo. Algunos de los efectos de la compactación del suelo según Fournier 2011 son: una mayor densidad implicando una mayor densificación del suelo, reducción de la permeabilidad, los asentamientos, la contracción y la erosión, cuenta además con una mayor resistencia al cortante, lo que sugiere una mayor capacidad de carga y una mayor estabilidad del suelo. Marco conceptual Compactación de suelos "La compactación es la densificación del suelo por remoción de aire, lo que requiere energía mecánica. El grado de compactación de un suelo se mide en términos de su peso específico seco. Cuando se agrega agua al suelo durante la compactación, esta actúa como agente ablandador de las partículas del suelo, que hacen que se deslicen entre sí y se muevan a una posición de empaque más denso. El peso específico seco después de la compactación se incrementa primero conforme aumenta el contenido de agua." (Das, 2001) "Más allá de un cierto contenido de humedad, cualquier aumento en el contenido de agua tiende a reducir el peso específico seco, debido a que el agua toma los espacios que podrían haber sido ocupados por las partículas sólidas. El contenido de agua bajo el cual se alcanza el máximo peso específico seco (γ d máx ) se le llama contenido de agua óptimo (w ópt )." (Das, 2001) Las pruebas de laboratorio usadas generalmente para obtener el peso específico seco máximo de compactación y el contenido de agua óptimo son: Proctor estándar y Proctor modificado, especificadas respectivamente en las normas ASTM D-698 y ASTM D-1557.
PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO 4 Prueba de Proctor estándar Las especificaciones para la prueba Proctor estándar se muestran en el Cuadro 2 del Anexo 1. "El suelo se mezcla con cantidades variables de agua y luego se compacta en tres capas iguales por medio de un pistón que transmite 25 golpes a cada capa. el pistón pesa 24,4 N y tiene una altura de caída de 304,8 mm". (Das, 2001) En cada determinación, se obtiene el contenido de agua y el peso específico seco, se grafican los puntos para obtener el peso específico seco máximo y el contenido de agua óptimo. Esta gráfica se llama "curva de compactación". "Para un contenido de agua dado, el peso específico seco máximo teórico se obtiene cuando no existe aire en los espacios vacíos, es decir, cuando el grado de saturación es 100%." (Das, 2001). Para obtener la variación del peso específico seco con contenido de aire igual a cero se usan distintos valores de contenido de agua y la Ecuación 1. Esta variación recibe el nombre de "curva de ceros vacíos". γ γ s ( c ación "Bajo ninguna circunstancia, alguna parte de la curva de compactación debe encontrarse a la derecha de la curva de cero vacíos de aire". (Das, 2001) Prueba de Proctor modificado Algunas especificaciones para la prueba se muestran en el siguiente cuadro:
PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO 5 Cuadro 1. Especificaciones para la prueba Proctor modificada. Fuente: Tabla 3.3. Especificaciones para la prueba de Proctor modificado (basadas en la ASTM D-1557). (Das, 2001) Según Das la diferencia fundamental con el Proctor estándar es que el Proctor modificado "representa mejor las condiciones de campo". Con los mismos volúmenes de los moldes, un pistón de 44,5 N que cae una altura de 457,2 mm, compactando un total de 5 capas con 56 golpes, dependiendo del método que se utilice. Debido a q e incrementa el esf er o de compactación, la pr eba Proctor modificada resulta en un incremento del peso específico seco máximo acompañado de un decremento del contenido de ag a óptimo. (Das, 2001) Factores que afectan la compactación Según Das, existen otros factores, además del contenido de agua, que afectan la compactación como el tipo de suelo y el esfuerzo de compactación. El tipo de suelo haciendo referencia a "su distribución granulométrica, la forma de los granos del suelo, la densidad de sólidos del suelo y la cantidad y tipo de materiales arcillosos
PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO 6 presentes, tiene una gran influencia en el peso específico seco máximo y el contenido de agua óptimo. (Das, 200 El esfuerzo de compactación "es la energía de compactación por volumen unitario de suelo" (Das, 2001). Aplicando una mayor energía de compactación, resulta un incremento del peso especifico seco máximo del suelo; implicando un decrecimiento del contenido de agua. Ver Anexo 2. Objetivos 1. Objetivo general 1.1. Determinar el contenido de humedad óptimo y el peso específico seco máximo de una muestra de suelo con la prueba Proctor modificada. 2. Objetivos específicos 2.1. Preparar las muestras necesarias para el ensayo a realizar. 2.2. Obtener la curva de compactación del suelo. 2.3. Determinar la curva de cero vacíos de aire. Métodos y Materiales Todo el equipo utilizado en cada ensayo es conforme las normas ASTM D-698 y ASTM D-1557. Reducción de muestras para ensayo de compactación Equipo a. Pala, cucharon de bordes rectos y bandejas. b. Una manta de lona de aproximadamente 2 x 2.5 m. c. Tamices 2", 3/4" y #4. d. Balanzas.
PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO 7 Procedimiento Colocar la muestra sobre una superficie plana, dura y limpia, homogenizar el material y acomodar en una pila cónica, ejercer presión sobre el vértice al aplanar la pila con la pala hasta que obtener un espesor y un diámetro uniformes, dividir la pila aplanada en cuatro partes iguales con la pala, mezclar y homogenizar el material restante. Cuartear sucesivamente hasta reducir la muestra al tamaño requerido para las pruebas. Utili ar las mallas de 2, 3/4" y #4 para separar el material. Pesar el material pasando la malla de 2 y es retenido en la de 3/4", luego la que pasa la 3/4" y es retenida en la #4 y también pesar el material pasando la #4. Determinar el peso total del suelo y obtener los porcentajes que representan el suelo fino y grueso. Multiplicar estos porcentajes por 7,5 kg, para saber el peso que se requiere tanto del suelo grueso como el fino. Llenar 10 bolsas plásticas (10 de gruesos y 10 de finos) del peso obtenido y almacenar en un estante. Ensayo de Compactación Equipo a. Mazo Proctor: Con un peso de 4,5 kg. b. Molde cilíndrico: Con un volumen de 2124 cm³. c. Balanzas, cucharas, probeta, bandejas y contenedores. d. Horno, guantes y prensa hidráulica. Procedimiento Tomar una bolsa de cada tipo de suelo y mezclar en una bandeja. Agregar cierta cantidad de agua a la muestra, anotar esa cantidad y homogenizar. Determinar el peso del molde con una balanza. Llenar el molde con una porción de suelo para tener la primera capa y aplicar 56 golpes
PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO 8 con el mazo, llenar hasta tener 5 capas de suelo compactadas. Remover el collarín del molde cilíndrico para poder enrasar el suelo que sobresale el molde, pesar el molde junto con el suelo. Obtener el peso especifico masivo (γ m ) y el peso especifico seco del suelo (γ d ). Repetir el procedimiento para cuatro muestras de manera que la variación de agua presente en cada una sea de un 2,5% de la utilizada la primera vez. Determinar la masa de un recipiente y tomar una porción de la muestra húmeda, determinar y anotar su peso usando una balanza. Colocar el material húmedo en el horno y secar a temperatura constante. Retirar el recipiente del horno y permitir que se enfríe a temperatura ambiente. Determinar el peso del contenedor y el material seco. Calcular el porcentaje de humedad. Resultados Tabla 1. Reducción del material a utilizar en las pruebas de laboratorio. Descripción Peso (kg) Peso relativo (%) Peso acumulado(%) Pas. 2 y ret. ¾ 48 31,8 31,8 Pas. ¾ y ret. #4 54 35,8 67,7 Pas. #4 48,75 32,3 100 Total 150,8 100 - Fuente: Datos de laboratorio 30 de marzo 2012. Tabla 2. Peso del material a utilizar en la prueba de Proctor modificado Tipo de muestra Porcentaje (%) Peso (g) Grueso 67,7 5077,0 Fina 32,3 2423,0 Total 100,0 7.500,0 Fuente: Datos de laboratorio 30 de marzo 2012.
γ d (g/cm 3 ) PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO 9 Tabla 3. Datos experimentales para obtener la curva de compactación y la de cero vacíos. w (%) γ d (g/cm 3 ) γ d Av= 0% (g/cm 3 ) 7,70 2,07 2,30 9,91 2,13 2,19 11,21 2,08 2,13 14,23 1,98 2,00 Fuente: Datos de la Tabla 4 y Tabla 5. (Apéndice 1) Gráfico 1. Resultados de la prueba de compactación Proctor modificado para la muestra 2,4 estudiada en el laboratorio. 2,3 2,2 Curva Av 0% 2,1 2,0 1,9 7 8 9 10 11 12 13 w (%) 14 15 Fuente: Datos de Tabla 3. Análisis de resultados Se puede observar en la Tabla 1 que el suelo con que se trabajó presenta un 32,3% de material fino y un 67,7% de gruesos, en su mayoría de gruesos. Según la Tabla 2, se obtiene la cantidad de material grueso y fino para realizar la prueba del Proctor. Se puede tener una idea
PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO 10 sobre la forma en que se podrá dar la compactación, pues al presentar más gruesos la reducción de vacíos se puede dar la fragmentación del material o por la flexión de las partículas y sus capas absorbidas. En el Gráfico 1, se observa que la curva de compactación tiene un comportamiento de campana y está por debajo de la curva de saturación total, lo cual no representa anomalía; en la práctica es una buena representación en cuanto a un suelo con estas características en el campo; sin embargo, las pruebas en campo no siempre se comportan igual que las realizadas en el laboratorio y que se deben hacer correcciones, es útil para tomar una decisión para mejora de condiciones del terreno que se pretende trabajar. Un factor importante en la compactación es el agua, esta lubrica en cierta medida las partículas del suelo y permite el reacomodo de las mismas, según muestran los datos obtenidos de las Tablas 3 y 4 y la Grafica 1, hasta un contenido de agua que permite que el suelo alcance su mayor grado de densificación; de lo contrario provoca una separación de las partículas pues esta rellena los espacios vacios y además separa dichas partículas. El error pudo estar presente debido a la poca experiencia de los estudiantes que afecta aspectos importantes por considerar como la altura de caída del mazo, la posición vertical del mismo, la aplicación uniforme de energía de compactación, velocidad o ritmo de aplicación de los golpes, pérdida del material y posible absorción de humedad durante el periodo de enfriamiento después de retirar las muestras del horno. Así como, el asumir un valor para el Gs en la Ecuación 1, de tablas, en lugar de determinarlo con una prueba de la laboratorio y ser más precisos.. En la gráfica se presenta también la curva de saturación total que está al lado derecho de la curva de compactación y tiene un comportamiento lineal, es teórica pues no es posible lograr
PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO 11 en campo está condición, pues resulta difícil controlar la humedad durante la construcción se recomienda regularla luego mediante sistemas de drenaje y por supuesto diseñar para esta condición (S = 100%). Conclusiones El peso de material grueso para realizar un punto del proctor es de 5077 g. El peso de material fino para realizar un punto del proctor es de 2423 g. El contenido óptimo de humedad para la muestra de suelo es de 9,91%. El peso específico seco máximo es de 2,34 g/cm 3. Bibliografía Anual Book of American Society for Testing and Materials Standars. 2005. Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products1. ASTM D-698, ASTM C-702, ASTM D-1557 [Disco Compacto] Philadelphia: ASTM. Das, B. (2001). Fundamentos de ingeniería geotécnica. (I. Bernal Carreño, Trad.) D.F., México: Thomson Learning. Das, B. (2006). Principios de ingeniería de cimentaciones. (I. Bernal Carreño, Trad.) D.F., México: CENGAGE Learning. Fournier Z., Rolando. Apuntes de Mecánica de Suelos I. (2011). Instituto Tecnológico de Costa Rica. Cartago, Costa Rica.
1 Fórmula para el cálculo del peso específico masivo (γ m ): γ m m m PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO 12 Apéndices Apéndice 1. Tablas de datos y cálculos de laboratorio. Tabla 4. Determinación del peso específico masivo (γ m ), peso específico seco (γ d ) y peso específico de cero vacíos de aire (γ d Av= 0% ) de cada punto realizado. Punto Agua agregada (ml) Peso molde (g) Peso suelo + molde (g) Peso suelo (g) γ m 1 (g/cm 3 ) γ d 2 (g/cm 3 ) γ d Av= 0% 3 (g/cm 3 ) 1 120 6.580,0 11.326,0 4.746,0 2,23 2,07 2,30 2 310 6.580,0 11.558,0 4.978,0 2,34 2,13 2,19 3 500 6.580,0 11.484,0 4.904,0 2,31 2,08 2,13 4 690 6.580,0 11.392,0 4.812,0 2,27 1,98 2,00 Fuente: Datos de laboratorio 13 de abril 2012. Nota: el valor de G s = 2,80 y el V m = 2124 cm 3. 2 Fórmula para el cálculo del peso específico seco (γ d ): γ d γ m 3 Calculado con la Ecuación 1
PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO 13 Tabla 5. Datos experimentales para la determinación el contenido de humedad de cada punto realizado # Peso de bandeja (g) Peso total + bandeja (g) Peso seco + bandeja (g) Peso seco (g) Peso de agua (g) Contenido humedad 1 (%) 20 134,18 1050,40 984,90 850,72 65,50 7,70% 9 110,91 1127,20 1035,60 924,69 91,60 9,91% 202 109,47 1072,70 975,60 866,13 97,10 11,21% 15 111,29 1213,70 1076,40 965,11 137,30 14,23% Fuente: Datos de laboratorio 13 de abril 2012. 1 Fórmula para el cálculo de la humedad s 00
PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO 14 Anexos Anexo 1. Especificaciones para Proctor estándar. Cuadro 2. Especificaciones para la prueba Proctor estándar. Fuente: Tabla 3.2. Especificaciones para la prueba de Proctor estándar (basadas en la ASTM D- 698). (Das, 2001)
PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO 15 Anexo 2. Efecto de la compactación de los suelos Gráfico 1. Efecto de la energía de compactación sobre la compactación de una arcilla. Fuente: Figura 3.7. Efecto de la energía de compactación sobre la compactación de una arcilla arenosa. (Das, 2001)