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:
EquipoEl 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:
• 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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