Proctor vs. RAMCODES Autor: Sánchez-Leal, Freddy J. 1 1 Investigador Fundación Instituto de Investigaciones Científicas SOLESTUDIOS (FUNDASOLESTUDIOS), Coro, Venezuela./Investigador Centro de Investigación de Recursos Hídricos (CIDHRI) de la Universidad Nacional Experimental «Francisco de Miranda» (UNEFM) ramcodes@gmail.com Resumen Resumen El propósito de este pequeño artículo es informar a los profesionales relacionados con la construcción de carreteras sobre el ensayo CBR y sus variantes según la normativa ASTM, las definiciones de Proctor y CBR, y las aplicaciones de estos ensayos en el diseño y control de suelos compactados. Se revisa el ensayo de CBR a la luz de la normativa ASTM D 1883-84. El ensayo comprende dos variantes, a saber 7.1 y 7.2, de las cuales la primera es la más conocida, en la que se elaboran 3 especimenes con humedad óptima y diferentes niveles de densidad. El CBR de diseño está referido al 95% de la DMS del Proctor Modificado. La variante 7.2 permite la aplicación de experimentos factoriales para varios niveles de humedad y densidad, a fin de mapear el máximo de resistencia del suelo compactado. La aplicación de esta última variante se traduce regularmente en una racionalización de los recursos de compactación con su consecuente impacto económico positivo. 1
CBR SEGÚN ASTM Proctor vs. RAMCODES El ensayo de CBR (por California Bearing Ratio) está estandarizado en ASTM con la designación D 1883-84. El ensayo es una prueba semi-empírica de resistencia, y consiste en penetrar progresivamente una muestra de suelo compactado con un pistón metálico estándar a una velocidad normativa. La curva esfuerzo-penetración del suelo problema es luego comparada con una curva normalizada para la piedra picada California en los niveles de deformación específicos de 0.1 y 0.2 de pulgada. El cociente de dicha comparación es referido como valor de CBR y es expresado en porcentaje. El valor máximo al que se aspira en este ensayo es 100%, donde se entiende que el suelo problema tiene la misma resistencia que la piedra picada. No obstante, ciertos suelos, en ciertas condiciones, han evidenciado valores de CBR francamente superiores a este valor. Este ensayo, desarrollado en 1925 por el Departamento de Transporte de California, reporta un índice de calidad, y no una resistencia propiamente dicha. A pesar de sus múltiples limitaciones es un ensayo muy extendido en toda América para la valoración de materiales de base, subbase y subrasantes. El ensayo permite variar factores intervinientes tales como: la humedad de mezcla del suelo, la densidad, en nivel de confinamiento (por medio de pesas circulares), la velocidad de carga, y la condición de hidratación. Las condiciones de hidratación más recurridas son: «saturada» o «bajo inmersión»; es la condición más severa y se refiere a la condición en la cual el suelo está sometido a una gran hidratación o a estar bajo nivel freático durante su tiempo de servicio en el pavimento. La probeta de suelo es sumergida en agua por 4 días, para luego ser ensayada. La otra condición se conoce como «tal como se compactó» o también llamada condición «seca», que se refiere al ensayo del la probeta sin someterla a inmersión. Este tipo de condición se utiliza, por ejemplo, cuando se sabe que el material en el pavimento no estará sometido a hidratación o se encontrará por encima del nivel freático en toda su vida útil. Es común usarlo en lugares de buen drenaje y poca pluviosidad. La elección de cual condición utilizar debe ser tomada por las partes interesadas antes de aprobarse la construcción del proyecto, y debe estar basada en un criterio objetivo. Se entiende que lo suelos susceptibles a la hidratación tendrán un CBR «saturado» inferior o muy inferior al CBR «seco». Para la realización del ensayo se utilizan pesas metálicas que son colocadas encima de la probeta para simular el efecto del peso de la carpeta, de la base, y/o de la subbase, según sea el caso. Regularmente se utiliza una pesa cuando se evalúa un material de base, dos pesas para subbases, y tres pesas para la evaluación de la subrasante. Como se sabe, el aumento del número de pesas aumenta el CBR, pues aumenta el confinamiento. Según se desprende de la norma ASTM D 1883-84, el ensayo de CBR posee dos variantes, a saber: Variante 7.1: CBR bajo contenido óptimo de agua (efecto de la densidad) Variante 7.2: CBR para un amplio rango de contenidos de agua 2
De estas dos, la primera es la más recurrida y conocida es la primera que se refiere a la elaboración de tres especimenes, o probetas, elaboradas con el suelo mezclado a humedad óptima de Proctor Modificado, y compactado con energías respectivas de, regularmente, 10, 25 y 56 golpes/capa. El CBR de diseño se obtiene realizando una gráfica donde se evalúa el efecto de la densidad en el CBR. Los puntos experimentales son ajustados por una curva en la que, entrando con el 95% de la densidad máxima seca (DMS) del Proctor Modificado, se obtiene el correspondiente valor de CBR. Esta variante es muy adecuada para suelos que no son susceptibles a la hidratación (v.g. arenas y gravas limpias). El valor de 95% fue fijado desde el principio de forma empírica, de uso y costumbre y quedó como «especificación» a pesar de ser una mera recomendación. Figura 1. Obtención del CBR de diseño según variante 7.1. La segunda variante (7.2), se ha utilizado en el pasado para la evaluación de materiales arcillosos, como es el llamado CBR de 15 puntos. Sin embargo, esta variante del ensayo permite evaluar el efecto no sólo del nivel de densificación en el CBR, sino también del contenido de agua pues se sabe que ciertos suelos, cuando están secos, presentan resistencias (CBR) más elevadas que cuando están húmedos. 3
Figura 2. Obtención del CBR de diseño según variante 7.2 (mismo suelo que en Fig 1). De cualquier manera, vale la pena recordar aquí el objetivo de los ensayos Proctor y CBR. Estos ensayos permiten establecer referencias de densificación (Proctor) y resistencia (CBR) para la evaluación del efecto del mejoramiento de un suelo por el método de compactación tradicional (compactación con rodillos lisos y/o vibratorios, y «patas de cabra»). Generalmente, el objetivo del mejoramiento de suelos es volverlo más resistente. RAMCODES: EXPERIMENTOS FACTORIALES Y MAPAS La variante 7.2 presenta una opción de análisis con el CBR para suelos cuya resistencia aumenta con la densificación, pero que también son susceptibles a la hidratación (caso de suelos con finos plásticos). De la experiencia en la construcción de carreteras y rellenos se desprende que la mayoría de los materiales de subrasante y disponibles en préstamos son suelos susceptibles a la hidratación, como es el caso de gravas y arenas limosas y/o arcillosas, limos y arcillas. RAMCODES (Sánchez-Leal, F.J., 1998-2007) es una metodología racional para el análisis de densificación y resistencia de geomateriales compactados, y tiene aplicaciones en suelos, mezclas asfálticas, mezclas de concreto Pórtland. Mediante el diseño estadístico de experimentos, los conceptos de la Mecánica de Suelos No Saturados, y las relaciones peso-volumen, se analizan los resultados de ensayos para encontrar las condiciones en las que la resistencia del material se maximiza. La aplicación de RAMCODES a suelos utiliza la variante 7.2 del ensayo de CBR, normalizado por ASTM, para diseñar un experimento factorial, es decir, un experimento donde se varían la densidad y el contenido de agua de mezclado a la misma vez, con la finalidad de evaluar la influencia que esta interacción de variables tiene en la respuesta, en este caso, la resistencia (CBR). Cada combinación de 4
humedad y densidad en el experimento se denomina «tratamiento»; el objetivo es «mapear» una región amplia de densidades y humedades en búsqueda de la optimización de la resistencia. Figura 3. Experimento factorial en un suelo compactado. Cada punto representa un «tratamiento». La evaluación de los resultados se realiza por medio de softwares de graficación (Origin, Surfer, AutoCAD, etc.), que permiten trazar gráficos con curvas de nivel que expresan la variación del CBR con la humedad y la densidad, a la vez. A estos gráficos se les conoce como «mapas», y con ellos se pueden definir regiones de aceptación de la compactación de campo, basadas en los requerimientos de CBR según el diseño de la estructura de pavimento. La realización de mapas de resistencia en múltiples suelos permite establecer que existen tres tipos de tendencias, a saber: Mapas para suelos limpios: típicamente tienen las curvas de nivel prácticamente horizontales. Este tipo de suelo no es susceptible al humedecimiento; en ellos se cumple la máxima «a mayor densidad, mayor resistencia». Para este tipo de suelo la variante 7.1 del CBR ASTM es la más indicada pues el agua no tiene influencia en la resistencia. Mapas para suelos puramente cohesivos: típicamente tienen curvas de nivel prácticamente verticales. Tal es el caso de arcillas y limos plásticos. Este tipo de material es francamente susceptible al humedecimiento. Para estos suelos, la densificación prácticamente no tiene ninguna influencia en la resistencia. La variante 7.2 aplica para este tipo de suelos; la variante 7.1 no tendría ningún sentido. Mapas para suelos mixtos: comprenden la gran mayoría de los materiales pues tanto la densidad como la humedad tienen gran influencia en la resistencia. En estos 5
suelos, mientras más seco y denso está el material, mayor es la resistencia. Sin embargo, es posible encontrar regiones donde el material esté más seco y no requiera tanta densificación para alcanzar una elevada resistencia. Esta circunstancia es aprovechada en estos materiales para optimizar el proceso de compactación en campo dando menos pasadas y humedeciendo menos el material, lo que se traduce en un impacto significativo en la economía del proceso. Para sacar el máximo provecho de estos materiales se requiere la variante 7.2. Figura 4. Mapa de resistencias para suelo limpio (observe curvas de contorno prácticamente horizontales). Figura 5. Mapa de resistencias para suelo puramente cohesivo (observe curvas de contorno prácticamente verticales). 6
COMPARACIÓN 7.1 VS 7.2 Con lo explicado anteriormente se puede realizar un cuadro comparativo de ambas variantes ASTM para obtener el CBR de un suelo compactado. Se recuerda que la versión 7.1 es la más conocida, donde se elaboran tres briquetas con humedad óptima, y se asocia el CBR de diseño al 95% de la DMS del Proctor Modificado. La variante 7.2 permite elaborar experimentos factoriales al estilo RAMCODES con el fin de obtener mapas de variación del CBR con la humedad y la densidad. Esta variante permite optimizar los recursos para la compactación y sacar el máximo provecho del material. La comparación en el cuadro siguiente (ver Tabla) sólo tiene sentido si el objetivo del mejoramiento del suelo es el aumento de su resistencia. Si el objetivo es aumentar su densidad u otro factor, entonces se requiere otro tipo de análisis. CONCLUSIONES Se ha revisado el ensayo de CBR a la luz de la normativa ASTM D 1883-84. El ensayo comprende dos variantes, a saber 7.1 y 7.2, de las cuales la primera es la más conocida, en la que se elaboran 3 especimenes con humedad óptima y diferentes niveles de densidad. El CBR de diseño está referido al 95% de la DMS del Proctor Modificado. La variante 7.2 permite la aplicación de experimentos factoriales para varios niveles de humedad y densidad, a fin de mapear el máximo de resistencia del suelo compactado. La aplicación de esta última variante se traduce regularmente en una racionalización de los recursos de compactación con su consecuente impacto económico positivo. Se realizó un análisis comparativo mediante una tabla donde aparece hasta 10 aspectos de importancia en el diseño de un suelo compactado. El propósito de este pequeño artículo es informar al los profesionales relacionados con la construcción de carreteras sobre el ensayo CBR y sus variantes según la normativa ASTM. La decisión de sobre cuál variante usar en cada caso se basará en el criterio ingenieril de los profesionales involucrados en la obra. Tabla. Comparación entre variantes del CBR ASTM D 1883. Aspecto Variante 7.1 (CBR tres Variante 7.2 (CBR al estilo puntos) RAMCODES) 1.- Diseño de suelo compactado Diseña un suelo compactado. Si el suelo es limpio (GW, GP, SW, SP), el diseño es apropiado. Si el suelo es distinto a estas clasificaciones, el diseño bien podría ser muy conservador. 2.- Emula condición de Sí Sí hidratación. 3.- Emula condición de Sí Sí sobrecarga 4.- Número mínimo de 3 15 especimenes necesarios para el diseño 5.- Tipo de experimento De variación de un solo Factorial Diseña cualquier tipo de suelo compactado. Permite aprovechar al máximo la resistencia de un material mediante un análisis racional; optimiza el uso de los recursos de construcción. 7
factor 6.- Costo de un ensayo Aproximadamente igual que 7.2 Aproximadamente igual que 7.1 7.- Tiempo de respuesta del 2 a 5 días (dependiendo de 3-6 días (dependiendo de la ensayo la condición de hidratación condición de hidratación seleccionada) seleccionada) 8.- Software necesario Excel, Lotus Origin, Surfer, AutoCAD 9.- Producto para llevar el Curva Proctor Mapa de resistencia con control de compactación región de aceptación 10.- Premisa «a mayor densidad, mayor «cada suelo tiene una resistencia» relación humedad-densidadresistencia muy particular y compleja que requiere ser estudiada» (Turnbull & Foster, 1956) Figura 6. Región de aceptación para suelo diseñado según variante 7.2 (suelo mixto) 8
REFERENCIAS ASTM D 1883 Standard Test Method for CBR (California Bearing Ratio) of Laboratory-Compacted Soils Sánchez-Leal, F.J. (2002a). Correlation of Maximum Density and Optimum Water Content with Index Properties. Unsaturated Soils, Jucá de Campos &Marinho (eds). Swets &Zeitlinger, Lisse, ISBN 90 5809371 9. Volume 2. pp.647-652. Recife, Brazil. Sánchez-Leal, F.J. (2002b). Interpretation of CBR-test Results under the Shear- Strength Concept of Unsaturated Soil Mechanics. Unsaturated Soils, Jucá de Campos &Marinho (eds). Swets &Zeitlinger, Lisse, ISBN 90 5809371 9. Volume 2. pp.663-668. Recife, Brazil. Sánchez-Leal, F.J. (2003a). RAMCODES: A New Approach to Soil Compaction Quality Control. Proceedings of the 12th Panamerican Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering. Culligan, Einstein and Whittle, eds., Volume 2. pp. 1739-1744. Massachusetts Institute of Technology, Boston, MA, June 22-26. Sánchez-Leal, F.J. (2007) A gradation chart for asphalt mixes: Development. ASCE Journal of Materials in Civil Engineering. Volume 19. No. 2. pag. 185-197. Turnbull, W.J. & Foster, C.R. (1956) Stabilization of materials by compaction. Journal of Soil Mechanics and Foundation Division, ASCE SM2 (April): 934-1, 934-23. 9