Practica de Compactacion en laboratorio

20/11/2012

Compactación de suelos suelos prueba dinámica y estática (Compactación AASHTO y Porter)  Practica No 8 Laboratorio de mecánica mecánica de suelos  ASTM D1557, AASHTO AASHTO T 180 y M.MMP.1.09/06, M.MMP.1.09/06, SCT 

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JOSÉ LUIS GARCÍA SALAS

Compactación de suelos prueba dinámica y estática (Compactación AASHTO y Porter)  Practica No No 8 Laboratorio de mecánica mecánica de suelos  ASTM D1557, AASHTO AASHTO T 180 y M.MMP.1.09/06, M.MMP.1.09/06, SCT 

Objetivos 

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Las pruebas permiten determinar la curva de compactación de los materiales para terracerías y a partir de ésta inferir su masa volumétrica seca máxima y su contenido de agua óptimo. Consisten en determinar las masas volumétricas secas de un material compactado con diferentes contenidos de agua, mediante la aplicación de una misma energía de compactación en prueba dinámica y, graficando los puntos correspondientes a cada determinación, trazar la curva de compactación del material.

Introducción 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 necesario compactar compactar el terreno natural, como en el caso de cimentaciones sobre arena suelta.

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Marco teórico Se entiende por compactación la aplicación mecánica de cierta energía, o cantidad de trabajo por unidad de volumen, para lograr una reducción de los espacios entre las partículas sólidas de un suelo, con el objeto de mejorar sus características mecánicas. Al obtenerse un mejor  acomodo de las partículas sólidas y la expulsión de aire que contiene el suelo, se produce un aumento de su peso volumétrico o específico. Si a un suelo cuya humedad es baja se le van dando ciertos incrementos a su contenido de agua y se le aplica cada vez la misma energía de compactación, su peso volumétrico va aumentando, propiciado por la acción lubricante del agua, hasta que llega un momento en el que el peso volumétrico del material seco, calculado a partir del peso volumétrico del material húmedo y de la humedad, alcanza un valor máximo. Al contenido de agua con el que se obtiene el mejor acomodo de partículas y el mayor peso volumétrico o especifico del material seco, para una determinada energía de compactación, se le denomina humedad óptima y al peso volumétrico correspondiente se le designa como peso volumétrico o peso específico seco máximo. Cuando a partir de esta condición de humedad óptima y peso volumétrico seco máximo, se incrementa el agua para una mismo volumen, el agua con el aire remanente ocuparían el lugar  de algunas partículas de suelo, obteniéndose en consecuencia pesos volumétricos que van siendo menores a medida que el agua aumenta. Si en un sistema de ejes coordenados se sitúan los puntos correspondientes a cada peso volumétrico seco con su respectiva humedad y se unen con una curva, quedará representada la variación del peso volumétrico de un material para diferentes contenidos de agua y una misma energía de compactación; esta curva adopta aproximadamente la forma de una parábola, siendo mas pronunciada su curvatura en el caso de suelos arenosos que en los suelos arcillosos. El contenido de agua óptimo y el peso volumétrico seco máximo de un suelo, también varían con la energía de compactación; cuando ésta se aumenta, se obtienen mayores pesos volumétricos secos máximos con humedades óptimas menores. A su vez, la humedad óptima y el peso volumétrico seco máximo son función del tipo de suelo; los suelos gruesos, para una misma energía de compactación, tienen en general mayores pesos volumétricos y menores contenidos de agua que los suelos finos. De acuerdo con la naturaleza de los materiales y con el uso que se les pretenda dar, se han establecido procedimientos de prueba para llevar a cabo la compactación de los suelos en el laboratorio, con objeto de referenciar y evaluar la compactación que se alcanza con los procedimientos aplicados en el campo, para determinar el grado de compactación del material. Tomando en cuenta la forma de aplicar la energía al material, las pruebas de compactación que generalmente se emplean son de los siguientes tipos:

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Tipos de pruebas de compactación a) Por impactos, como son las pruebas de: Compactación dinámica AASHTO estándar, Proctor SOP, AASHTO modificada de 3 y 5 capas y los Métodos de California y de Texas. b) Por carga estática, como es la prueba de compactación Porter. c) Por amasado, como es el caso del método de compactación de Hveem. d) Por vibración, como es el método de compactación en que se utiliza una mesa vibratoria.

Las ventajas que represen representa ta una compactación adecuada adecuada a) El volumen de vacío se habrá reducido a un mínimo y consecuentemente, su capacidad de absorber humedad también se habrá reducido a un mínimo. b) 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 m ás 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 Estandard. b) Proctor Modificado c) Prueba Estática

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Procedimiento Equipo y materiales 1.- Moldes Metálicos de forma cilíndrica, de 101,6 ± 0,4 y 152,4 ± 0,7 mm de diámetro interior, dependiendo de la variante de la prueba que se realice, de volúmenes V y masas Wt conocidos, provistos de una placa de base metálica a la cual se asegura el cilindro y una extensión o collarín removible con diámetro interior interior igual al del cilindro.

2.- Pisones Metálicos, con cara inferior de apisonado circular, circular, de 50,8 mm de diámetro, acoplados acoplados a una guía metálica tubular.

Tabla 1 Características de los pisones

3.- Regla Metálica, de arista cortante, de aproximadamente 25 cm de largo.

4.- Balanzas Una con capacidad mínima de 15 kg y aproximación de 5 g; otra con capacidad mínima de 2 kg y aproximación de 0,1 g.

5.- Horno Eléctrico o de gas, con capacidad suficiente para contener el material de prueba, con termostato capaz de mantener una temperatura de 105°C y aproximación de ± 5°C.

6.- Base Cúbica De concreto o de otro material de rigidez similar con dimensiones mínimas de 40 cm por lado.

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7.- Probetas Una con capacidad de 500 cm3 y graduaciones a cada 10 cm3; otra con capacidad de 1000.cm3 y graduaciones graduaciones a cada 10 cm3.

8.- Mallas ¾" y N°4 9.- Cápsulas Metálicas, con tapa.

10.- Charolas De lámina galvanizada, de forma rectangular de 40 × 70 × 10 cm.

11.- Cucharón De 20 cm de largo, 11 cm de ancho y 10 cm de altura, formando un paralelepípedo rectangular  con sólo cuatro caras, cuya cara menor lleva acoplado un mango metálico de sección circular  de 13 cm de largo.

12.- Aceite Para lubricar las paredes de los moldes.

Fig. 1 Equipo de compactación proctor

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Variantes de las pruebas Cada prueba, según su tipo, se realizará compactando el material con el pisón y en el número de capas que se indican en la Tabla 2, con una de las cuatro variantes que se refieren a continuación continuación y cuyas características características se muestran en la Tabla 3 .

Tabla 2 Pisones y número de capas para las pruebas AASHTO

Tipos de variantes Variante A, que se aplica a materiales que pasan la malla N°4 (4,75 mm) y se compactan en el molde de 101,6 mm de diámetro interior. Variante B, que se aplica a materiales que pasan la malla N°4 (4,75 mm) y se compactan en el molde de 152,4 mm de diámetro interior. interior. Variante C, que se aplica a materiales que pasan la malla ¾" (19 mm) y se compactan en el molde de 101,6 mm de diámetro interior. Variante D, que se aplica a materiales que pasan la malla ¾" (19 mm) y se compactan en molde 152,4 mm de diámetro interior.

Tabla 3 Características de las variantes de las pruebas de compactación

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Preparación de la muestra 1. Se separa por cuarteos una porción representativa de aproximadamente 4 kg para las variantes A y C, y de aproximadamente 7,5 kg, para las variantes B y D. 2. En el caso de las variantes A y B, el material se criba a través de la malla N°4 (4,75 mm), mientras que para las variantes C y D el material se criba a través de la malla ¾" (19 mm); en ambos casos se efectúa el cribado en forma manual, colocando la fracción que pasa en una charola y desechando el retenido. 3. Se homogeneiza perfectamente perfectam ente el material que constituye la porción de prueba.

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Procedimiento de los tipos de pruebas (Proctor estándar y modificado) I.

A la porción preparada, se le agrega la cantidad de agua necesaria para que una vez homogeneizada, tenga un contenido de agua inferior en 4 a 6% respecto al óptimo estimado.

II.

En el caso de que se hayan formado formado grumos durante la la incorporac incorporación ión del agua, se revuelve el material hasta disgregarlo totalmente. Se mezcla cuidadosamente la porción para homogeneizarla y se divide en tres fracciones aproximadamente iguales, en el caso de la prueba estándar y en cinco porciones para la prueba modificada.

III.

Se coloca una de las fracciones de material en el molde de prueba seleccionado de acuerdo con la variante de que se trate, con su respectiva extensión, el cual se apoya sobre el bloque de concreto para compactar el material con el pisón que corresponda, aplicando 25 golpes para el caso de las variantes A y C ó 56 golpes para las  variantes B y D, repartiendo uniformemente los golpes en la superficie de la capa.

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Para el caso de la prueba estándar se utiliza el pisón de 2,5 kg, con una altura de  caída libre de 30,5 cm y para el caso de la prueba modificada, la masa del pisón y  la caída libre serán de 4,54 kg y 45,7.cm, respectivamente. Se escarifica ligeramente la superficie de la capa compactada y se repite el procedimiento descrito para las capas subsecuentes.

IV.

Terminada la compactación de todas las capas, se retira la extensión del molde y se verifica que el material no sobresalga del cilindro en un espesor promedio de 1,5 cm como máximo; de lo contrario la prueba se repetirá utilizando de preferencia una nueva porción de prueba con masa ligeramente menor que la inicial. En el caso de que no exceda dicho espesor, se enrasa cuidadosamente el espécimen con la regla metálica.

V.

A continuación, se determina la masa del cilindro con el material de prueba y se registra como Wi , en g, anotándola en una hoja de registro.

VI.

Se saca el espécimen del cilindro, se corta longitudinalmente longitudinalmen te y de su parte parte central se obtiene una porción representativa para determinar su contenido de agua ω.

VII.

Se incorporan las fracciones del espécimen al material que sobró al enrasarlo, en su caso, se disgregan los grumos, se agrega aproximadamente 2% de agua con respecto a la masa inicial de la porción de prueba y se repiten los pasos descritos.

VIII.

Incrementando sucesivamente su contenido de agua, hasta que dicho contenido sea tal que el último espécimen elaborado presente una disminución apreciable en su masa con

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respecto al anterior. Para definir convenientemente la variación de la masa volumétrica de los especímenes elaborados respecto a sus contenidos de agua, se requiere compactar cuatro o cinco especímenes, que en la segunda determinación la masa del cilindro con el espécimen húmedo, sea mayor que en la primera y que en la penúltima determinación sea mayor que en la última.

Cálculos Para el Límite Líquido 1. Se anota la masa volumétrica volumétric a del material húmedo de cada espécimen; para calcularla se emplea la siguiente expresión:

2. Se calcula la masa volumétrica seca de cada espécimen, empleando la siguiente expresión:

3. En una gráfica en la que en el eje de las ordenadas se indican las masas volumétricas secas γd  y en el de las abscisas los contenidos de agua ω, se dibujan los puntos correspondientes a cada espécimen, los que se unen con una línea continua de forma aproximadamente parabólica denominada curva de compactación , la que

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determina la variación de la masa volumétrica seca del material para diferentes contenidos de agua y una misma energía de compactación. 4. Se determinan y reportan la masa volumétrica volumétric a máxima seca del material, γ dmáx , en kg/m3 y su contenido de agua óptimo, ωo , en %, que se obtienen en forma gráfica de la curva de compactación: La ordenada en el punto más alto de dicha curva representa la masa volumétrica seca máxima γ dmáx  y la abscisa de ese punto, el contenido de agua óptimo, ωo .

Precauciones Para evitar errores durante la ejecución de las pruebas, se observan las siguientes precauciones: 

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Que las pruebas se realicen en un lugar cerrado, con ventilación indirecta, limpio y libre de corrientes de aire y de partículas que provoquen la contaminación de las muestras de material. Que la muestra utilizada para la prueba de compactación, se seque solamente lo necesario para poder disgregarla. Que durante la compactación, los golpes del pisón se repartan uniformemente en toda la superficie del espécimen, aplicando los golpes sucesivos en puntos diametralmente opuestos, manteniendo la guía en posición vertical, cuidando que la caída del pisón sea libre y que la superficie del mismo se mantenga limpia. Que la curva de compactación se obtenga siempre con contenidos de agua crecientes y no secando la muestra durante la ejecución de la prueba. Que el contenido de agua del primer espécimen sea inferior al óptimo y que cada una de las ramas de la curva mencionada se defina como mínimo con dos puntos.

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Prueba Porter (Prueba de compactación por carga estática)

Equipo y material 1. Molde de compactación de 2.45 lts. y su extensión 2. Charola rectangular de 40X60 cms. 3. Prensa con 30 tons. de capacidad 4. Placa de carga, con área ligeramente menor a la del molde 5. Estufa 6. Balanza con aproximación a 0.1 gr. 7. Probeta con capacidad de 500 500 ml. 8. Malla de 1” 9. Varilla punta de bala de ¾” de diámetro 10. Vaso de aluminio 11. Calibrador con vernier  12. Agua 13. Cucharón

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Procedimiento 1. Se pesan pesan 4.5 Kg. de suelo seco al sol, que haya pasado la malla de 1” se vacían a una charola rectangular y se le aplica la cantidad de agua que se considere que es óptima, se uniformiza en la muestra. Es recomendable que el agua que se va a aplicar al suelo, sea medida en una probeta, para tener una referencia de incremento de agua. 2. Se pesan 500 grs. de suelo húmedo (Wh) (Wh) y se someten a secado en la la estufa; esto con el fin de determinar el contenido de agua. 3. Se pesan 4 Kg. del suelo húmedo, los cuales se introducen al molde de compactación en 3 capas, dándole 25 golpes a cada capa con la varilla punta de bala. 4. Se centra el molde con la la muestra en la prensa, se le aplica al suelo una presión de 140.6 kg/cm2; para esto, se debe multiplicar ésta presión por el área del molde, dando como resultado una carga (P) = 27,000 Kg. aproximadamente. 5. Esta carga se aplica de la siguiente manera:  

De 0 a 27 tons. deben transcurrir 5 minutos. Sostener en 27 tons. por un minuto y se descarga en otro minuto.

6. Al aplicar ésta carga, se observa si la placa que sirve de base del molde se humedeció ligeramente, si así ocurrió, esto indica que el suelo tiene la humedad óptima y la prueba se da por terminada, por lo que se procede a hacer mediciones de volumen compactado y efectuar los cálculos. De quedar una placa inferior seca, se pesan otros 4.5 Kg.. de suelo y se repite el proceso, pero ahora con un 2% mas de agua con respecto a la referencia, haciendo todo el proceso antes descrito, hasta que se humedezca la placa inferior. También puede suceder que al compactar el material, expulse agua por los lados, si esto sucede, tómese otra muestra de 4.5 Kg y aplíquese un 2% menos de agua con respecto a la cantidad inicial de referencia. 7. Cuando la prueba se ejecutó bien, se retira el collarín del molde y se mide la diferencia de altura del molde (L1) y el espécimen, haciendo 4 lecturas, debido a que no resulta una superficie a nivel, con éstas se obtiene un promedio y se les llama ( L3).

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Cálculos a) Se obtiene el peso volumétrico húmedo ( γm):

b) Se obtiene el contenido de humedad óptimo en porcentaje, se retira la muestra de la estufa, se deja enfriar a la temperatura ambiente y se pesa, obteniendo el peso seco del suelo (Ws).

c) Se obtiene el peso volumétrico seco máximo (γ dmáx)

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Conclusiones Se determino el peso volumétrico seco máximo y la humedad optima, para un suelo por medio de las siguientes siguientes pruebas:

1. Proctor estándar Variante A 

2. Proctor modificada Variante A 

El tipo de material ensayado fue un limo-arcilloso limo-ar cilloso color café claro, con pequeños fragmentos de grava de tamaño no 8.

Los resultados obtenidos de la prueba de compactación proctor estándar y modificada son los siguientes: En la tabla se muestran los datos del equipo utilizado y los resultados obtenidos a partir de la grafica de compactación, en la que se graficaron los puntos para determinar el peso volumétrico seco máximo.

Resultados de la prueba proctor estándar (Variante tipo A)

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Resultados de la prueba proctor modificada (Variante tipo A)

Para comparar los resultados obtenidos según la prueba realizada para el material son los siguientes:

A. Proctor estándar Variante A 3  Peso volumétrico seco máximo= 1509 kg/m  Humedad optima= 24% 

B. Proctor modificada Variante A 3  Peso volumétrico seco máximo= 1553 kg/m  Humedad optima= 24.5% 

Se observa que la variación del peso volumétrico seco máximo y la humedad varían muy poco, esto se debe a que la energía de compactación es diferente.

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Se determino también el peso volumétrico seco máximo y la humedad optima, para un suelo granular de basalto triturado por medio de la prueba de compactación estática (porter).

Los resultados obtenidos de la prueba de compactación proctor estándar y modificada son los siguientes:

A. Proctor estándar  

Peso volumétrico seco máximo= 2208 kg/m 3 Humedad optima= 4.4%

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Bibliografía y referencias. 

MMP. Métodos de muestreo y pruebas de materiales

Suelos y materiales para terracerías

M.MMP.1.09/06 

Compactcion AASHTO.

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Determinación de peso volumétrico seco máximo y humedad optima para suelos (ASTM D1557, AASHTO T180)

Libro 6 Normas para muestreo y pruebas de materiales equipos y sistemas (SCT 1986) Parte 6.01 Carreteras y aeropistas  Titulo 6.01.01 Material para terracerías  Libro Mecánica de suelos “ Autor: Juárez Autor: Juárez Badillo- Rico Rodríguez”  Rico Rodríguez” 

Fundamentos de la mecánica de suelos Tomo 1 

Libro Fundamentos de ingeniería geotécnica “ Autor: Braja Autor: Braja M. Das” 

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Manual de laboratorio de suelos en ingeniería civil “Autor: Joseph E. Bowles

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Pruebas de laboratorio para determinar propiedades de los suelos IIUNAM-CFE

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