“Año de la Promoción de la Industria Responsable y del Compromiso Climático”

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 - ALVARADO LEON Christian  - COLONIO ARROYO Erick Marx.  - CONDORI CUTISACA Jesús Aurelio.  - ROJAS LLANCO Henry. Henry.  - VILLAR REYNA Darío Oswaldo.

I. OBJETIVOS En nuestro afán de estudiar las propiedades físicas de una muestra de suelo, realizamos diferentes ensayos que permitan determinar dichas propiedades. En esta ocasión nos adentraremos en la COMPACTACIÓN DE SUELOS – MÉTODO PROCTOR ESTANDAR de una muestra de suelo. 

Objetivo # 1: Determinar el peso volumétrico seco máximo ( d máx) que pueda alcanzar un material, así como la humedad óptima (W ópt.) a que deberá hacerse la compactación.



Objetivo # 2: Reconocer y utilizar correctamente los materiales y el equipo necesario para realizar el Ensayo Proctor Estándar (Método B).



Objetivo # 3:  Desarrollar el método de ensayo para determinar la relación entre el contenido de humedad y el peso unitario seco de los suelos compactados en un molde de un tamaño dado con un martillo de 2.5kg (5.5 lb) que cae desde una altura de 305mm (12 ”); o sea, con una energía de compactación determinada (Requisitos del Método B).



Objetivo # 4: Obtener datos a partir de los ensayos y anotarlos en un registro ordenado de acuerdo a un método establecido (para este caso el Método B) para evitar cometer errores u omitir información relevante.



Objetivo # 5: Procesar los datos obtenidos a través de formulaciones, tablas y gráficos, de manera que permitan sacar conclusiones sobre el ensayo realizado.

II. FUNDAMENTO

TEÓRICO

2.1. GENERALIDADES:

Se denomina compactación de suelos al proceso mecánico por el cual se busca mejorar las características de resistencia, compresibilidad y esfuerzo deformación de los mismos. Este proceso implica una reducción más o menos rápida de los vacíos, como consecuencia de la cual en el suelo ocurren cambios de volúmenes de importancia, fundamentalmente ligados a pérdida de volumen de aire. La compactación está relacionada con la densidad máxima o peso volumétrico seco máximo del suelo que para producirse es necesario que la masa del suelo tenga una humedad determinada que se conoce como humedad óptima. La importancia de la compactación es obtener un suelo de tal manera estructurado que posea y mantenga un comportamiento mecánico adecuado a través de toda la vida útil de la obra. Por lo general las técnicas de compactación se aplican a rellenos artificiales, tales como cortina de presa de tierra, diques, terraplenes para caminos y ferrocarriles, muelles, pavimentos, etc. Algunas veces se hace necesario compactar el terreno natural, como en el caso de cimentaciones sobre arena suelta. Las ventajas que representa una compactación adecuada son:  

El volumen de vacío se habrá reducido a un mínimo y consecuentemente, su capacidad de absorber humedad también se habrá reducido a un mínimo. La reducción de vacíos se debe a que las partículas de menor tamaño han sido forzadas a ocupar el vacío formado por las partículas más grandes. De allí que si una masa de suelos está bien graduada, los vacíos o poros se reducirán prácticamente a cero y se establecerá un contacto firme y sólido entre sus partículas, aumentando la capacidad del suelo para soportar mayores pesos.

Los métodos usados para la compactación de los suelos dependen del tipo de los materiales con los que se trabaje en cada caso. Los suelos puramente friccionantes como la arena se compactan eficientemente por métodos vibratorios y métodos estáticos; en cambio los suelos plásticos, el procedimiento de carga estática resulta el más ventajoso. Los métodos usados para determinar la densidad máxima y humedad óptima en trabajos de mantenimiento y construcción de carreteras son los siguientes: a. Proctor Standard b. Proctor Modificado

A) B) C)

2.2. ENSAYO PROCTOR ESTANDAR ASTM D 698 – 91 (Método B): El ensaye proctor estándar se refiere a la determinación del peso por unidad de volumen de un suelo que ha sido compactado por un procedimiento definido para diferentes contenidos de humedad. El ensaye proctor estándar está limitado a los suelos que pasen totalmente el tamiz No. 4 o que como máximo tenga un retenido del 10% en ese tamiz, pero que pase dicho retenido totalmente por el tamiz de 3/8”.

2.3. EXISTEN 4 ALTERNATIVAS PARA LA REALIZACIÓN: Especificaciones para el Ensayo Proctor Estándar (basadas en la norma 698-91de la ASTM)

Proctor Estándar A 10.16 943.3 2.5 30.48 25 3 600 100% tamiz No.4

Diámetro del molde (cm) Volumen del molde (cm³) Peso del martillo o pisón (Kg) Altura de caída del martillo (cm) Número de golpes del pisón por cada capa Número de capas de compactación Energía de compactación (KN-m/m³) Suelo por usarse Pasa por

Métodos B 10.16 943.3 2.5 30.48 25 3 600 100% tamiz

C 15.24 2124 2.5 30.48 56 3 600 El 100%

3/8”

tamiz 3/4”

Peso de la Muestra por ensayo. 3 Kgs. 3 Kgs. 5 Kgs.

MÉTODO A B C

En la prueba Proctor Estándar (Método B), el suelo es compactado en un molde que tiene un volumen de 943.3 cm3. El diámetro del molde es de 101. 6 mm. Durante la prueba de laboratorio, el molde se une a una placa de base en el fondo y a una extensión en la parte superior. El suelo se mezcla con cantidades variables de agua y luego se compacta en tres capas iguales por medio de un pisón que transmite 25 golpes a cada capa. El pisón

pesa 24.4 N Y tiene una altura de caída de 304.8 mm. 2.4. PESO ESPECÍFICO HÚMEDO: Para cada prueba, el peso específico húmedo de compactación “” se calcula como: 

 

Dónde: W = peso del suelo compactado en el molde. V (m) = volumen del molde (= 943.3 cm3)

Para cada prueba, el contenido de agua del suelo compactado se determina en el laboratorio. Con un contenido de agua conocido, el peso específico seco d se calcula con la ecuación:  





Dónde: w(%)=porcentaje de contenido de agua.

 

Los valores de d determinados con la ecuación se grafican contra los correspondientes contenidos de agua para obtener el peso específico seco máximo y el contenido de agua óptimo para el suelo. 2.5. CURVA DE SATURACIÓN:

La figura muestra una tal compactación para suelo de arcilla limosa. La figura muestra también la variación de zav con el contenido de agua y su posición relativa con respecto a la curva de compactación. Bajo ninguna circunstancia, alguna parte de la curva de compactación debe encontrarse a la derecha de la curva de cero vacíos de aire. 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 igual a lOO%. Así entonces, el peso específico seco máximo a un contenido de agua dado, con cero vacíos de aire se expresa como:   Dónde:   zav = peso específico con cero vacíos de aire   w = peso específico del agua e = relación de vacíos Gs = densidad de sólidos del suelo Para 100 % de saturación, e = w.Gs, por lo que  



       

Dónde: w = contenido de agua. Para obtener la variación de   zav con el contenido de agua, use el siguiente procedimiento: 1. Determine la densidad de sólidos del suelo. 2. Determine el peso específico del agua ( w). 3. Suponga varios valores de w, tales como 5%, 10%, 15%, etc. 4. Use la ecuación de la saturación para calcular zav para varios valores de w.

III. MATERIALES, EQUIPOS Y/O HERRAMIENTAS 3.1. MATERIALES: A. Muestra de Suelo.

Que pase el tamiz 3/8”(9.5mm), según el Ensayo Proctor Estándar / Método B.

E. Probeta: Probetas graduadas de 500 cm 3.

3.2 HERRAMIENTAS: A. Tamiz 3/8”. Corresponde a una abertura nominal de 9.5 mm y se usa para seleccionar el material a ensayar.

F. Pizón metálico (martillo Proctor): Un pisón metálico (martillo proctor) de 5.5 lbs. de peso (2.5 Kgs.) de 5 cm (2”) de diámetro.

B. Taras y Charolas metálicas. Se pueden usar vasijas o pailas metálicas poco profundas para mezclado y palas o espátulas. Se pueden usar vasijas o pailas metálicas poco profundas para mezclado y palas o espátulas.

G. Molde para compactación Estándar. Constituido por un cilindro metálico de 4” de diámetro interior por 4 ½” de altura y una extensión de 2 ½” de altura y de 4” de diámetro

interior. C. Horno eléctrico. Un horno que mantenga una temperatura constante entre 100 – 110º C.

D. Dos balanzas. Una balanza de 29 Kg de capacidad y 1.0 gr. de sensibilidad. Una balanza de 500 gr., de capacidad y de 0.01 gr., de sensibilidad.

J. Regla Metálica. Una guía metálica de forma tubular de 35 cm de largo aproximadamente y una regla metálica con arista cortante de 25 cm de largo.

IV. PROCEDIMIENTO 4.1. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA:

  

Secar al aire una muestra de unos 12 kg. de peso y retirar de ella todo el material mayor que el tamiz 3/8 ”. Se recomienda colocar diversas porciones de suelo en recipientes cerrados con aproximadamente el contenido creciente de agua para la prueba en iguales incrementos, dejándolos por lo menos una noche. De no ser posible la metodología anterior se podrá incrementar la humedad de las muestras antes de compactar con contenidos crecientes de agua, si el suelo lo permite (suelos con resistencias bajas en estado seco). Con ambos procedimientos se busca homogeneizar la humedad en la muestra al momento de la compactación.

4.2. PROCEDIMIENTO. Se obtiene por cuarteo una muestra representativa, previamente secada al sol y que según el método (Método B) a usarse es de 3 kilogramos por ensayo. 1. De la muestra de 3kg se esparce agua en cantidad tal que sea 2% del peso de la muestra. 2. Se revuelve completamente el material tratando que el agua agregada se distribuya uniformemente. 3. Pese el molde cilíndrico y anote su peso. 4. La muestra preparada se coloca en el molde cilíndrico en tres (3) capas, llenándose en cada capa aproximadamente 1/3 de su altura y se compacta cada capa de la forma siguiente: * Se coloca el pistón de compactar con su guía, dentro del molde; se eleva el pistón hasta que alcance la parte superior y se suelta permitiendo que tenga una caída libre de 30 cms., se cambia de posición la guía, se levanta y se deja caer nuevamente el pistón. Se repite el procedimiento cambiando de lugar la guía de manera que con 25 golpes se cubra la superficie. Esta operación de compactación se repite en las tres capas del material. 5. Al terminar la compactación de las tres capas, se quita la extensión y con la regla metálica se enraza la muestra al nivel superior del cilindro. 6. Se limpia exteriormente el cilindro y se pesa con la muestra compactada anotando su peso. (Peso del material + cilindro). 7. Con ayuda del extractor de muestra se saca el material del molde y de la parte central del espécimen se toman aproximadamente 100 gr., y se pesa en la balanza de 0.1 gr., de sensibiliza anotando su peso. (Peso húmedo). 8. Deposite el material en el horno a una temperatura de 100 a 110º C por un período de 24 horas, transcurrido este período determínese el peso seco del material. 9. Para el segundo ensayo se tiene una muestra de 3kg, se esparce agua en cantidad tal que sea 4% del peso de la muestra. 10. Repita los pasos del 2 al 9 hasta obtener un número de resultados que permitan trazar una curva cuya cúspide corresponderá a la máxima densidad para una humedad óptima. 11. Para el tercer ensayo y cuarto ensayo se agrega agua una cantidad de 6% y 8% de agua respectivamente a una muestra de 3kg. 12. El cálculo se realiza de la siguiente manera:   h

Wm 

  d  

Vc

Wme 

  h 1  W 

 We

Vc

Dónde: = h d = Wm = We = Vc = W = Wme =

Peso volumétrico húmedo. Peso volumétrico seco. Peso de la muestra compactada. Peso del molde cilíndrico Volumen del cilindro Contenido de humedad al tanto por uno Peso de muestra compactada + Peso del Cilindro

13. También se puede calcular el peso volumétrico de la curva de Saturación (  dz).   dz  

ENSAYO Dónde: dz = Ss = w =

Ss 1  WSs

1

 

2

3

4

Peso volumétrico del suelo saturado. Peso específico de los sólidos. Peso específico del agua.

ENSAYO Volumen del cilindro Peso del molde cilíndrico Peso del material + molde cilíndrico Peso del material Tara No. Peso Tara Peso Seco + Tara Peso Húmedo + Tara % de Humedad Peso Volumétrico Húmedo ( h) Peso Volumétrico Seco ( d) Peso Volumétrico Saturado ( dz)

1

2

3

4

4.3. TABLA DE DATOS: Con los datos de pesos volumétricos seco en las ordenadas y contenidos de humedad en las abscisas, se gráfica la curva de compactación y de ahí se obtiene el peso volumétrico máximo (dmáx) y la humedad óptima los cuales corresponden al punto más alto de la curva de compactación. Estos valores máximos y óptimos son los que se reproducirán en el campo al compactar un terraplén.

V. C ÁLCULOS UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL LABORATORIO DE MECÁNICA DE SUELOS: ENSAYO DE COMPACTACIÓN PROCTOR ESTANDAR – MÉTODO B

1. VOLUMEN DE MOLDE (cm 3) 2. PESO DEL MOLDE (gr) 3. PESO DEL MOLDE + MUESTRA HUMEDA (gr) 4. PESO DE LA MUESTRA HUMEDA (gr) 5. DENSIDAD HUMEDA ( h) (kg/m3) 6. DENSIDAD SECA ( d) ( kg/m3)

944

944

944

944

3847

3847

3847

3847

5673

5739

5762

5849

1826

1892

1915

2002

1934.3

2004.2

2028.6

2120.8

1884.50

1921.62

1923.8

1884.29

LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS

UNCP LMS

TABLA N° 1 ENSAYO DE COMPACTACIÓN

TABLA N° 2 CONTENIDO DE HUMEDAD ENSAYO

1

2

3

4

N° DE TARA

49

12

11

12

1. PESO DE LA TARA (gr)

67.6

44.3

40.7

44.3

2. PESO DE LA TARA + SUELO HUMEDO (gr)

332.8

277.4

342.7

320.0

3. PESO DE LA TARA + SUELO SECO (gr)

327.4

267.5

321.3

294.4

5.4

9.9

21.4

25.6

5. PESO DE MUESTRA SECA (gr)

259.8

223.2

280.6

250.1

6. CONTENIDO DE HUMEDAD (W%)

2.08

4.44

7.63

10.24

4. PESO DEL AGUA (gr)

TABLA N° 3 DATOS PARA LA CURVA DE CEROS VACÍOS (Ss=2.36) ENSAYO

1

2

3

4

CONTENIDO DE HUMEDAD (W%)

9

10

11

12

1953.35

1909.39

1873.61

1839.15

PESO ESPECÍFICO CON CERO VACÍOS DE AIRE ( zav)

ENSAYO

DE

C O M PAC TA C I Ó N

DATOS PARA CURVA DE COMPACTACIÓN Humedad Real de Compactación (%) Densidad Seca (Kg/m3)

2.08

4.44

7.63

10.24

1884.50

1921.62

1923.8

1884.29

Poly. (Curva de  compactación) Poly. (Curva de los  ceros vacíos)

RESULTADOS: 

DENSIDAD MAXIMA SECA = 1931.2 Kg/m 3



HUMEDAD OPTIMA = 6.3%

GRÁFICA: DENSIDAD ESPECÍFICA SECA VS EL CONTENIDO DE HUMEDAD

VI. CONCLUSIONES 

En cuanto a los resultados obtenidos, podemos decir que el suelo alcanza su máxima compacidad con un contenido de humedad óptima de un 6.3%, llegando a una densidad seca máxima de 1931.2 kg/m3. De acuerdo a estos valores se puede inferir que el suelo es adecuado para ser usado en terraplenes o rellenos que deban soportar carga, lo cual se corresponde con la experiencia, ya que el suelo utilizado para el ensayo era arena.



Se puede concluir que se llegó a utilizar y reconocer el equipo para el Ensayo de Compactación Estándar (Método B) y que para este ensayo nos basamos en la norma ASTM 698 - 91, Mecánica de suelos – Relaciones humedad/densidad: Métodos de compactación (Estándar) con pisón de 24.4 kg y 304.8 mm

de caída (Método B), que establece un procedimiento para determinar la relación entre la humedad y la densidad de un suelo compactado en un molde normalizado. 

En el Laboratorio de Mecánica de Suelos hemos aprendido a realizar el procedimiento para llevar a cabo el ensayo y poder así saber que compactación máxima permite el suelo en estudio y cuál es la humedad óptima para lograr la máxima compacidad. Se desarrolló el Ensayo Proctor Estándar / Método B de la siguiente manera.- Se coloca un suelo a un contenido de agua seleccionada en tres capas de un molde de dimensiones particulares, con cada capa compactada con 25 golpes de un pisón de 24.4 N (5.5-lbf.) que cae desde una distancia de 304.8 mm. (12pulg.), sometiendo al suelo a un esfuerzo de compactación total de aproximadamente 600 kN m/m3 (12400 pie-lbf /pie3). Se determina el peso unitario seco resultante. El procedimiento se repite con un número suficiente de contenido de agua para establecer una relación del peso unitario seco y el contenido de agua del suelo. Este dato, cuando se plotea, representa una relación curvilínea conocida como curva de compactación.



Con los datos obtenidos a partir del ensayo proporcionan una curva de compactación, en la cual el pico más alto dicta el contenido de humedad óptima a la cual el suelo llega a la densidad seca máxima. Por medio de los ensayos sé ha podido determinar que por lo general la compactación es más eficaz en los materiales bien gradados que contienen una cantidad de finos que en los materiales de gradación uniforme que carecen de finos.



Después de realizado este trabajo práctico podemos concluir que el ensayo Proctor es muy importante en la ingeniería de suelos, y sobre todo en el diseño y construcción de rellenos y terraplenes. La prueba de compactación Proctor Estándar es muy sencilla y rápida de realizar, lo único que puede retrasar un poco dicha prueba es la obtención del contenido de humedad. En lo que se refiere al procedimiento no presenta mayor problema debido a que es repetitiva además de que no requiere equipo de gran tamaño o difícil de maniobrar.



Con esta prueba se obtiene la humedad óptima de compactación así como, el peso específico seco máximo, con la finalidad de obtener una muy buena compactación en campo si se reproducen las condiciones en las que se realiza la práctica en el laboratorio; ofrece resultados confiables que si realmente se cumplen en campo se pueden obtener resultados satisfactorios.

VII. RECOMENDACIONES 

Se deberá tener especial cuidado al retirar la extensión del molde de modo de no despegar la última capa compactada.



Es conveniente engrasar las paredes internas del molde y extensión para facilitar las operaciones de extracción y alterar así lo menos posible las muestras compactadas.



Para el cálculo de la humedad no es necesario llevar la probeta entera a estufa, bastaría una porción de ella, si los pesa filtros no fuesen de gran dimensión.



Se debe usar los EQUIPOS DE PROTECCION PERSONAL (EPP) tales como: Botas con punta de acero: Evita los golpes en los pies del mismo equipo. Guantes de cuero: Evita los cortes y golpes.

Lentes de seguridad: Evita el ingreso de partículas de muestra y polvo. Faja Lumbar: Evita lesiones y desgarres en la espalda. 

Seleccione un molde de compactación apropiado que se va a utilizar de acuerdo con el procedimiento (A, B, o C). Determine y registre su masa con aproximación a 1 g. Ensamble el molde, base y collar de extensión. Revise el alineamiento de la pared interior y del molde y del collar de extensión del molde. Haga ajustes si es necesario.



Revise que el ensamblado del pisón trabaje en buenas condiciones y que sus partes no estén flojas o gastadas. Realice cualquier ajuste o reparación necesaria, si es así, el pisón deberá recalibrarse.



Calibre los siguientes aparatos antes del uso inicial, después de reparaciones u otras acciones que puedan afectar los resultados del ensayo, en intervalos que no excedan de 1000 muestras ensayadas, o anualmente, cualquiera que ocurra primero: Balanza: Evalúe de acuerdo a la especificación ASTM D 4753. Moldes: Determine el volumen. Pisón manual: Verifique la distancia de la caída libre, masa del pisón, y la cara del pisón. Pisón Mecánico: Calibre y ajuste el pisón mecánico de acuerdo al método de ensayo ASTM D 2168. Además, la holgura entre el pisón y la superficie interior del molde debe ser verificada de acuerdo a la necesidad del ensayo.

VIII. ANEXOS 8.1. FOTOGRAFÍAS:

Fotografía Nº1: Utilizando el tamiz Nº4 para tamizar nuestra muestra de suelo y trabajar con la muestra que pasa dicho tamiz.

Fotografía Nº2: Mezclamos cada 3kg. De los 12 kg de muestra que tenemos para los cuatro ensayos con los siguientes porcentajes de agua 2%,4%,6% y 8% .

Fotografía Nº3: en el molde vertimos la muestra húmeda hasta formar una capa y luego con el Pizón compactamos 25 golpes y luego vertimos otra capa más en el molde para luego compactar con el Pizón una última ca a más.

Fotografía Nº4: ya terminado la compactación se saca la tapa de encima del molde y se nivela la muestra. Luego se pesa todo el molde con la muestra.

Fotografía Nº5: extraemos la muestra del medio para luego ponerlo en la tara. Y así para cada uno de los cuatro ensayos.

Fotografía Nº6: pesando las 4 taras en la balanza electrónica con la muestra extraída del medio de molde previo pesado de cada una de ellas vacías.

XI. BIBLIOGRAFÍA