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  • 20 oct. 2010

    GUIA DE LABORATORIO Nº 4
    COMPACTACION Y CBR (CALIFORNIA BEARING RATIO)
    I. ENSAYO DE COMPACTACION
    Generalidades
    El propósito de un ensayo de compactación en laboratorio es determinar la curva de
    compactación para una determinada energía de compactación. Esta curva considera en
    abscisas el contenido de humedad y en ordenadas la densidad seca. A partir de ella...


    se podrá obtener la humedad llamada óptima que es la que corresponde a la densidad máxima.
    Con estos resultados se podrá determinar la cantidad de agua de amasado a usar cuando se
    compacta el suelo en terreno para obtener la máxima densidad seca para una determinada
    energía de compactación. Para cumplir este propósito, un ensaye de laboratorio debe
    considerar un tipo de compactación similar a la desarrollada en terreno con los equipos de
    compactación a especificar.
    El agua juega un papel importante, especialmente en los suelos finos. Hay que hacer notar
    que cuando hablamos en este párrafo de suelos finos, no estamos refiriéndonos a suelos que
    contengan más de un 50% de finos, sino a la fracción fina que controla este
    comportamiento. Esta fracción fina, que puede ser para gravas sobre un 8% y para arenas
    sobre un 12% (Holtz 1973), lleva a limitar el uso de la densidad relativa y, por lo tanto,
    obliga a su reemplazo por el ensayo de compactación.
    El agua en poca cantidad, se encuentra en forma capilar produciendo tensiones de
    compresión entre las partículas constituyentes del suelo que llevan a la formación de
    grumos difíciles de desintegrar y que terminan por dificultar la compactación. Mirado
    desde un punto de vista físico-químico, se produce una tendencia a la floculación entre las
    partículas arcillosas, lo que produce uniones entre partículas difíciles de romper. El
    aumento del contenido de humedad hace disminuir la tensión capilar – y a nivel físicoquímico
    facilita la separación de las partículas - haciendo que una misma energía de
    compactación produzca mejores resultados en el grado de consistencia del suelo,
    representado por un menor índice de vacíos y un mayor peso unitario seco. Si por otra
    parte, el agua pasa a existir en una cantidad excesiva antes de iniciar la compactación, ella
    dificultará el desplazamiento de las partículas de suelo – debido a la baja permeabilidad del
    suelo y por ende a la dificultad de su eliminación - produciendo una disminución en la
    eficiencia de la compactación. En consecuencia, existirá para un determinado suelo fino y
    para una determinada energía de compactación, una humedad óptima para la cual esta
    energía de compactación producirá un material con densidad seca máxima.
    Al compactar un suelo se persigue lo siguiente:
    (a) disminuir futuros asentamientos
    (b) aumentar la resistencia al corte
    (c) disminuir la permeabilidad
    Para asegurar una compactación adecuada deben realizarse canchas de prueba en terreno
    que permitirán definir los equipos de compactación más adecuados para esos materiales, los
    espesores de capa y número de pasadas del equipo seleccionado para cumplir con las
    especificaciones técnicas de densidad seca. El control de la obra final se realizará a través
    de determinaciones de los parámetros densidad seca y humedad de compactación de los
    rellenos colocados. Las especificaciones para la compactación en terreno exigen la
    obtención de una densidad mínima que es un porcentaje de la densidad máxima seca
    obtenida en el laboratorio. Una práctica común para numerosas obras es exigir a lo menos
    el 95% del Proctor Modificado.
    Definiciones
    En 1933, R.R. Proctor definió el ensayo conocido como Proctor Estándar, el cual consiste
    en tomar una muestra de 3 kg de suelo, pasarla por el tamiz # 4, agregarle agua cuando sea
    necesario, y compactar este suelo bien mezclado en un molde de 944 cm3 en tres capas con
    25 golpes por capa de un martillo de compactación de 24.5 N con altura de caída de 0.305
    m. Esto proporciona una energía nominal de compactación de 593.7 kJ/m3.
    Cuando el ensayo incluye el reuso del material, la muestra es removida del molde y se
    toman muestras para determinar el contenido de humedad para luego desmenuzarla hasta
    obtener grumos de tamaño máximo aproximado al tamiz # 4. Se procede entonces a agregar
    más agua, se mezcla y se procede a compactar nuevamente el suelo en el molde. Esta
    secuencia se repite un número de veces suficiente para obtener los datos que permitan
    dibujar una curva de densidad seca versus contenido de humedad con un valor máximo en
    términos de densidad seca, y suficientes puntos a ambos lados de éste. La ordenada de este
    diagrama se conoce como la densidad máxima, y el contenido de humedad al cual se
    presenta esta densidad se denomina humedad óptima.
    Durante la Segunda Guerra Mundial, los nuevos y pesados equipos de aviación pasaron a
    exigir densidades de subrasante en las aeropistas, mayores que el 100 % del Proctor
    Estándar. Se introdujo entonces el ensayo de compactación modificado (Proctor
    Modificado, ensayo modificado AASHTO, o ensayo de compactación modificado) en el
    que se utiliza una mayor energía de compactación.
    Las características básicas del ensayo son las misma del ensayo estándar de compactación.
    El ensayo de compactación modificado aplica una energía nominal de compactación al
    suelo de 2710 kJ/m3 lo que representa cerca de 5 veces la energía de compactación del
    ensayo estándar produciendo un incremento entre un 5 y un 10 % de la densidad y una
    disminución en la humedad óptima.
    Toda curva de compactación estará siempre por debajo de la curva de saturación, S = 100%
    la que puede ser graficada en la curva de compactación una vez conocido el peso específico
    de los granos, Gs. En el mismo gráfico se pueden incluir las curvas para S = 90 y 80 %.
    La curva S = 100% se obtiene calculando, para cualquier contenido de humedad w, su peso
    unitario seco:
    Equipo
    • molde de compactación con base y collar
    • martillo de compactación
    • latas para contenido de humedad
    • espátula metálica
    Procedimiento (Proctor Modificado)
    1. Cada grupo debe tomar 7 kg (peso nominal) de suelo secado al aire, desmenuzado para
    que pase a través del tamiz # 4; luego debe ser mezclado con la cantidad de agua
    necesaria para alcanzar el contenido de humedad basado en porcentaje de peso seco; la
    humedad deberá ser, para este primer ensayo, aproximadamente un 4 a 5 % menor que
    la humedad óptima estimada; debe quedar claro que el suelo y el agua en un ensayo
    deberían mezclarse con anterioridad y dejarse curar - para asegurar su distribución
    homogénea - durante 24 horas cuando se trabaja con suelos cuyos finos sean plásticos;
    sin embargo, en esta sesión de laboratorio para estudiantes, esta etapa podrá omitirse.
    2. Pesar el molde de compactación, sin incluir la base ni el collar.
    3. Medir las dimensiones internas del molde de compactación para determinar su
    volumen.
    4. Compactar el suelo en 5 capas aplicando 56 golpes sobre cada una (para molde grande);
    se debe procurar que la última capa quede por sobre la altura del molde de
    compactación; en caso que la superficie de la última capa quedara bajo la altura del
    molde, se debe repetir el ensayo; se debe evitar además que esta última capa exceda en
    altura el nivel del molde en más de 6 mm ya que al enrasar se estaría eliminando una
    parte significativa del material compactado, disminuyendo la energía de compactación
    por unidad de volumen.
    5. Retirar cuidadosamente el collar de compactación, evitar girar el collar; en caso que se
    encuentre muy apretado, retirar con espátula el suelo que se encuentra adherido a los
    bordes por sobre el nivel del molde; finalmente enrasar perfectamente la superficie de
    suelo a nivel del plano superior del molde.
    6. Pesar el molde con el suelo compactado y enrasado.
    7. Extraer el suelo del molde y tomar una muestra representativa para determinar el
    contenido de humedad.
    8. Desmenuzar el suelo compactado y mezclarlo con suelo aún no utilizado; agregar un
    2% de agua (en relación a los 7 kg) y repetir los pasos 4 a 8; realizar la cantidad de
    ensayos que el instructor indique, suficientes para obtener una cantidad de puntos que
    permita determinar la humedad óptima y la densidad máxima.
    9. Volver posteriormente al laboratorio para obtener los pesos secos de las muestras de
    humedad.
    Cálculos
    Calcular el peso unitario seco y hacer un grafico de γd versus contenido de humedad.
    Dibujar en este gráfico la curva de saturación; si no se conoce GS, suponer que la densidad
    saturada correspodiente a la humedad óptima es 5 % mayor que la densidad máxima seca;
    con este valor calcular el valor de GS; la curva de saturación en ningún caso debe
    intersectar la curva de compactación; en caso que esto suceda, incrementar en un 1 %
    adicional el valor de la densidad saturada hasta asegurar que la curva de saturación pase por
    sobre la de compactación.


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