Curva de compactación

El gran aporte de R. Proctor el año 1933, cuando comienza a publicar sus trabajos sobre la compactación de suelos, ideados para presas de tierra, fue fundamentalmente el sistematizar y estandarizar un procedimiento que permitiera analizar la influencia de cada uno de los factores que participan en la eficacia de cualquier proceso de compactación y que, además, dicho procedimiento reprodujera los procesos de compactación de terreno en el laboratorio, en la forma más representativa posible.

A partir de ese instante, el laboratorio pasa a ocupar un lugar importante en la Mecánica de Suelos aplicada a la Ingeniería Vial, hasta el punto de creer que no se concibe un trabajo de compactación sin la participación de ensayos de laboratorio, sobre todo, si se considera que el proceso de compactación implica altos costos y considerando, además, que esta participación del laboratorio en el propio proyecto se ve complementada con el importante papel a cumplir en el control de calidad.

Sin embargo, la compactación como técnica de construcción y tarea geotécnica viene desde épocas muy remotas, teniéndose noticias hoy día de numerosos ejemplos de métodos de apisonado empleados en la antigüedad.

En los tiempos actuales, a pesar de los adelantos en el campo de la Ingeniería y de que se dispone de numerosos medios para mejorar la calidad de un suelo natural y, sobre todo, de un relleno, la compactación continúa siendo uno de los métodos más eficientes de mejoramiento de suelos y el de aplicación más universal.

Proctor visualizó la correlación entre los resultados de un proceso de compactación y el aumento del peso volumétrico seco del material compactado. A partir de lo cual se estableció como costumbre juzgar los resultados del proceso de compactación, sobre la base de la variación del peso volumétrico seco alcanzado.

Relacionando estos dos aspectos (peso volumétrico seco y contenido de agua), se pudo representar por medio de una gráfica los cambios que se producían en el peso volumétrico seco al compactar el suelo con distintos contenidos de humedad, empleándose para ello varias muestras de un mismo tipo de suelo, cada una de las cuales proporcionó un punto de la curva γd v/s %w.

Esta representación gráfica recibe el nombre de curva de compactación (figura 7.1), pero no constituye el único medio gráfico para representar los resultados de un proceso de compactación.

El punto máximo de la curva se denomina peso volumétrico seco máximo y la humedad con que se alcanza este punto se define como humedad óptima, la que representa el contenido de agua con el cual el procedimiento de compactación empleado produce la máxima eficiencia, en los casos en que se base por el peso volumétrico seco alcanzado.

El suelo pasa por cuatro estados. Aproximadamente, hasta el punto A del dibujo, corresponde el estado de hidratación, en el cual toda el agua está en forma de una película de agua adsorbida, firmemente adherida a las partículas sólidas y prácticamente no contribuye a mejorar la trabajabilidad de ellas. El segundo estado, aproximadamente el tramo de A a B, corresponde al de lubricación, en el cual la película de agua permite un mejor acomodo de las partículas de suelo, ayudando al proceso de compactación.

El estado de hidratación y el de lubricación, situados al lado izquierdo de la densidad máxima, constituyen la rama seca de la curva. En ambos estados el aire de la fase fluida es libre y por lo tanto puede drenar rápidamente durante la compactación.

El tercer estado, aproximadamente el tramo desde B hasta C corresponde al de expansión, una mayor cantidad de agua tiende a separar las partículas sólidas. El aire se encuentra ocluido y el agua no tiene posibilidad de drenar, manteniéndose en un volumen constante, lo cual queda en evidencia por un paralelismo de la curva de compactación con la línea de saturación.

El cuarto estado es el de saturación, en el cual es mayor la proporción de agua en la fase fluida (Sr = 100%) y la pequeña cantidad de aire ocluida entra en disolución con una

presión relativamente pequeña, acercándose la curva a la línea de saturación.

B

A

C

D

Figura 7.1

Esta curva se puede construir a partir de parejas de valores (γd; %w). Para ello, se debe

conocer previamente la densidad húmeda de cada muestra de un mismo tipo de suelo, luego de aplicar el proceso de compactación con diferentes contenido de humedad. De este modo, la curva se obtiene a partir de los valores anteriores aplicando la fórmula:

w

=

₊

1

γ

γ

γd: Densidad seca de la muestra de suelo

γm: Densidad húmeda de la muestra de suelo

Cada suelo tiene su propia curva de compactación, que es una característica del material y distinta a la de otros suelos (figura 7.2).

Figura 7.2

Para un valor dado del contenido de humedad, la densidad seca máxima a la que teóricamente puede llegar el suelo corresponde a la de saturación completa, es decir, cuando el contenido de aire se reduce a cero. Sin embargo, en la práctica no es posible llegar a la saturación completa mediante una simple compactación, ya que una pequeña cantidad de aire permanece siempre en los vacíos. Por consiguiente, si la línea teórica de cero contenido de aire o línea de saturación se superpone sobre el gráfico de los resultados experimentales, la curva de compactación en laboratorio deberá estar en su totalidad a la izquierda de la línea de cero contenido de aire, como se muestra en la figura 7.1 7.2. La relación teórica entre la densidad seca, el contenido de humedad y el contenido de aire está dada por la siguiente expresión:

w s s d G w G

_γ

γ

Muchas de las curvas de compactación que se obtienen en laboratorio, han sido realizadas a muestras de suelo compactadas por capas dentro de un molde, a las cuales se les ha dado un determinado número de golpes por cada capa por medio de un pisón normalizado y con una energía de compactación definida. Cuando esta prueba se realiza sobre una arena sin partículas de arcilla, la curva de compactación adquiere la forma que aparece en la figura 7.3.

Figura 7.3

En los suelos arcillosos compactados las propiedades mejoradas no dependen sólo del contenido de humedad y de la energía aplicada, sino también del método de compactación. Se ha demostrado que para una energía de compactación constante, las partículas de arcilla tienden a aumentar progresivamente su orientación a medida que se aumenta el contenido de humedad durante la compactación. De este modo, las arcillas compactadas por la rama seca (lado izquierdo de la humedad óptima) tienen una estructura floculada, en tanto que aquellas que se compactan por la rama húmeda (lado derecho de la humedad óptima) tienen una estructura más dispersa. Para energías de compactación muy altas se observa un aumento del grado de dispersión, auque el contenido de agua esté por el lado seco del contenido de humedad óptimo.

Como consecuencia de lo anterior, el comportamiento de las arcillas compactadas es bastante complejo. Sin embargo, pueden observarse algunas tendencias generales, como que las muestras de suelo compactadas por el lado seco tienen una resistencia superior a la de aquellas compactadas por el lado húmedo. También se puede observar que, para presiones de consolidación bajas, las muestras compactadas por el lado seco tienen una menor compresibilidad que las compactadas por el lado húmedo, en tanto que para altas presiones de consolidación se observa la tendencia contraria. Con respecto al potencial de expansión, éste es mayor en las arcillas compactadas por el lado seco y la contracción es más pronunciada en las arcillas compactadas por el lado húmedo.

Puesto que el principal objetivo de la compactación es mejorar las propiedades de un suelo, estos factores deben tenerse en cuenta cuando se deciden las condiciones bajo las cuales se compactará un material en terreno.