Introducción
La compactación de suelos es un procedimiento en el que un suelo soporta una tensión mecánica y se densifica. El suelo está formado por partículas sólidas y huecos llenos de agua o/y aire. Una explicación más detallada de la naturaleza trifásica de los suelos se ofrece en El suelo como sistema trifásico. Cuando se somete a una tensión, las partículas del suelo se redistribuyen dentro de la masa del suelo y el volumen de huecos disminuye, lo que da lugar a la densificación. La tensión mecánica puede aplicarse por amasado o mediante métodos dinámicos o estáticos. El grado de compactación se cuantifica midiendo el cambio del peso unitario seco del suelo, γd.
En el marco de las aplicaciones de ingeniería, la compactación es especialmente útil ya que da lugar a:
- Un aumento de la resistencia de los suelos
- Una disminución de la compresibilidad de los suelos
- Una disminución de la permeabilidad de los suelos
- Molde de compactación cilíndrico de 10 centímetros de diámetro equipado con una base y un collarín
- Pisón tractor de 2,5 kg o 4,5 kg según se realice la norma del ensayo modificado
- Nº 4 Tamiz
- Recta de acero
- Contenedores de humedad
- Cilindro graduado
- Mezclador
- Horno controlado
- Bandeja metálica y una cuchara
Estos factores son cruciales en estructuras y aplicaciones de ingeniería como presas de tierra, terraplenes, soporte de pavimentos o soporte de cimientos.
El grado de compactación depende de las propiedades del suelo, del tipo y la cantidad de energía aportada por el proceso de compactación y del contenido de agua del suelo. Para cada suelo, existe una cantidad óptima de humedad para la que puede experimentar su máxima compresión. En otras palabras, para un determinado esfuerzo de compactación, un suelo alcanza su máximo peso unitario seco (γd,max), a un nivel óptimo de contenido de agua (wopt).
La compresibilidad de un suelo relativamente seco aumenta a medida que se le añade agua. Es decir, para niveles de contenido de agua secos del óptimo (wopt), el agua actúa como un lubricante, permitiendo que las partículas del suelo se deslicen unas con respecto a otras, dando lugar a una configuración más densa. A partir de un determinado nivel de contenido de agua (húmedo del óptimo, w>wopt), el exceso de agua dentro del suelo provoca un aumento de la presión del agua de los poros que separa las partículas del suelo. En la figura 1 se presenta una correlación típica entre el peso unitario seco y el contenido de agua. Asimismo, cabe destacar que, como puede verse en la Figura 2, para un suelo determinado, la mayor resistencia se alcanza justo en seco del óptimo (Figura 2a), mientras que la menor conductividad hidráulica se alcanza justo en húmedo del óptimo (Figura 2b). El efecto del esfuerzo de compactación sobre el peso unitario seco máximo (γd,max), y el nivel de contenido de agua óptimo (wopt) se puede observar en la Figura 4. Al aumentar el esfuerzo de compactación, γd,max aumenta, mientras que wopt disminuye. Es decir, un menor nivel de contenido de agua es suficiente para saturar una muestra más densa.
Figura 1: Efecto del contenido de agua sobre el peso unitario seco durante la compactación de un suelo
Figura 2: Efecto del contenido de agua en la resistencia del suelo a), y b) la conductividad hidráulica
Ensayo de compactación Proctor
El ensayo de laboratorio más común para la compactación del suelo es el ensayo de compactación Proctor.
La prueba Proctor fue inventada en la década de 1930 por R. R. Proctor, un ingeniero de campo de la Oficina de Obras Hidráulicas y Suministro, en Los Ángeles, California. El proceso, que simula los procesos de compactación in situ que suelen realizarse durante la construcción de presas o terraplenes de tierra, es la prueba de laboratorio más común que se realiza para obtener la compresibilidad de los suelos.
El tipo de compactación y la energía proporcionada para un determinado volumen de suelo son estándar y, por tanto, el ensayo se centra en el cambio del contenido de humedad de una muestra para derivar el contenido de agua óptimo (wopt).
El ensayo Proctor estándar incluye un molde cilíndrico de 0,95 litros de volumen en el que se coloca la masa de suelo y se compacta en 3 capas. Cada capa se comprime dejando caer 25 veces un peso de 2,5 kg desde una altura de 30 centímetros.
Una versión modificada del ensayo se introdujo después de la Segunda Guerra Mundial, en la década de 1950, cuando la maquinaria pesada podía dar lugar a una mayor compactación. En el nuevo enfoque, el molde cilíndrico sigue siendo el mismo, sin embargo, el peso de caída se aumenta a 4,5 kg y la altura de caída a 45 centímetros. Además, el suelo se compacta en 5 capas con 25 golpes por capa.
El ensayo se realiza para 5 contenidos de humedad para obtener el contenido de agua óptimo (wopt), para el cual el valor del peso unitario seco es máximo (γd,max).
Equipo de ensayo
El equipo utilizado para realizar el ensayo incluye:
Los moldes y pisones de compactación cilíndricos típicos se muestran en la Figura 3.
Figura 3: Moldes y apisonadores Proctor (ASTM/AASHTO) de Controls Group (para más información, haga clic aquí)
Procedimiento de la prueba
El procedimiento de la prueba de compactación Proctor consiste en los siguientes pasos:
- Obtener unos 3 kg de suelo.
- Pasar la tierra por el tamiz nº 4.
- Pesar la masa de tierra y el molde sin el collarín (Wm).
- Colocar la tierra en la mezcladora y añadir gradualmente agua hasta alcanzar el contenido de humedad deseado (w).
- Aplicar lubricante al cuello.
- Retirar el suelo de la mezcladora y colocarlo en el molde en 3 capas o 5 capas dependiendo del método utilizado (Proctor Estándar o Proctor Modificado). Para cada capa, iniciar el proceso de compactación con 25 golpes por capa. Las gotas se aplican manualmente o mecánicamente a un ritmo constante. La masa de suelo debe llenar el molde y extenderse hasta el cuello, pero no más de ~1 centímetro.
- Retire cuidadosamente el cuello y recorte el suelo que se extiende por encima del molde con una regla afilada.
- Pese el molde y el suelo que contiene (W).
- Extruya el suelo del molde utilizando un extrusor metálico, asegurándose de que el extrusor y el molde estén en línea.
- Medir el contenido de agua de la parte superior, media e inferior de la muestra.
- Colocar el suelo de nuevo en la mezcladora y añadir agua para conseguir un mayor contenido de agua, w.
- Cálculos
En primer lugar, se calcula el contenido de agua de compactación (w) de la muestra de suelo utilizando la media de las tres mediciones obtenidas (parte superior, media e inferior de la masa de suelo).
Posteriormente, se calcula el peso unitario seco (γd) de la siguiente manera:
donde: W = el peso del molde y la masa del suelo (kg)
Wm = el peso del molde (kg)
w = el contenido de agua del suelo (%)
V = el volumen del molde (m3, típicamente 0,033m3)
Este procedimiento debe repetirse durante 4 veces más, dado que los contenidos de agua seleccionados serán tanto más bajos como más altos del óptimo. Idealmente, los puntos seleccionados deberían estar bien distribuidos con 1-2 de ellos cerca del contenido de humedad óptimo.
Los pesos unitarios secos derivados junto con los contenidos de agua correspondientes se trazan en un diagrama junto con la curva de cero vacíos, una línea que muestra la correlación del peso unitario seco con el contenido de agua suponiendo que el suelo está saturado al 100%. No importa cuánta energía se proporcione a la muestra, es imposible compactarla más allá de esta curva. La curva de cero vacíos se calcula de la siguiente manera:
donde: GS = la gravedad específica de las partículas del suelo (típicamente, GS~2,70)
γW = el peso unitario saturado del suelo (kN/m3)
Las curvas típicas derivadas de los ensayos Proctor Estándar y Modificado, así como la curva de cero vacíos de aire se presentan en la Figura 4.
Figura 4: Curvas típicas derivadas de los ensayos Proctor Estándar y Modificado. También se muestra la curva de vacíos de aire cero