Introducción
El objetivo básico de la compactación es mejorar las características del comportamiento de los suelos. Con esta técnica es posible disminuir la compresibilidad de los suelos e incrementar su estabilidad volumétrica
ante cambios en su contenido de agua, además de obtener un aumento de la resistencia, rigidez y una disminución de la permeabilidad (Abeyrathne et al., 2019; Zhang et al., 2018; Hossain y Yin, 2010; Yin, 2009). El estado de compactación
de una muestra de suelo está definido por dos variables de estado: el peso específico seco (γd) y el contenido de humedad (w). Cuando se añade agua al suelo durante la compactación, ésta actúa como agente lubricante sobre las partículas,
deslizándose una sobre la otra, quedando densamente empaquetadas. Cuando el contenido de humedad se aumenta gradualmente y se mantiene el mismo esfuerzo compactador, el peso específico
seco del suelo aumenta progresivamente hasta un máximo conocido como peso específico seco máximo (γdmáx). Más allá de este límite, cualquier aumento en el contenido de agua tiende a reducir el peso específico seco (Figura 1). El contenido de humedad en el que se alcanza el
peso específico seco máximo se denomina contenido de humedad óptimo (wopt) (Das: 2015).
Los métodos clásicos para determinar los parámetros de compactación, son los definidos por Ralph R. Proctor (1933): Ensayos Proctor Estándar y Proctor modificado (también conocidos como AASHTO estándar y AASHTO modificado, respectivamente).
En lo que se refiere al primero de estos ensayos, el manual de Métodos de Muestreo y Pruebas de Materiales del Instituto Mexicano del Transporte, M-MMP-1-09 (2006), en su sección 09 (compactación AASHTO), describe el procedimiento para
determinar mediante una curva de compactación el peso específico seco máximo y la humedad óptima. Los libros publicados por Juárez-Badillo y Rico-Rodríguez (2005), así como por Braja M. Das (2015) también describen el mencionado
procedimiento.
De manera general, el procedimiento para realizar el ensayo Proctor Estándar se puede resumir de la siguiente manera: (i) separar por cuarteos una porción representativa de aproximadamente 4 kg de suelo; (ii) a la porción de suelo seleccionado
se le agrega una cantidad de agua necesaria para que una vez homogenizado tenga un contenido de agua inferior en 4 a 6% al óptimo estimado; (iii) esta porción de suelo se compacta dentro del molde de la prueba (Figura 2) en tres
capas, aplicando a cada una 25 golpes con un pisón de 2.5 kg a una altura de caída de 30.48 cm; y (iv) terminada la compactación de las capas se determina el peso específico del material compactado y su contenido de humedad. Con este procedimiento
se consigue un punto de la curva de compactación. Es recomendable contar con al menos cuatro puntos para tener una curva bien definida (Figura 1).
Para conseguir el siguiente punto, el manual M-MMP-1-09 (2006) señala que se utilice la misma porción de suelo con el que se realizó el primer punto y que se le incorpore aproximadamente 2% de agua con respecto a la masa inicial de la porción
de prueba y se repitan los pasos (iii) y (iv) antes mencionados. Este procedimiento debe repetirse para cada punto. Es decir, la misma porción de suelo es utilizada varias veces. Las condiciones óptimas de compactación se determinan identificando
el
contenido de agua para el que se alcanza el peso específico seco máximo (γdmáx y wopt) (Figura 1).
Existen diversos factores que influyen en el proceso de compactación, por ejemplo, Sivakumar y Wheeler (2000) estudiaron la influencia de la presión de compactación, el contenido de
agua y del tipo de compactación en el comportamiento mecánico e hidráulico de una arcilla caolinita Blanca. Otros investigadores han estudiado el efecto del tipo de suelo (Mora-Ortiz et al., 2014; Izquierdo et al., 2011; Rico-Rodríguez
y del Castillo, 1992), el contenido de agua ( Jiang et al., 2015; Duong et al., 2013), la temperatura ambiente durante el ensayo y el nivel de energía aplicada (Heitor et al., 2015; Mendoza: 1992). Sin embargo, en la bibliografía
consultada no se mencionan los posibles efectos que tiene el utilizar una misma porción de suelo para todo el ensayo
Proctor estándar.
compactación se utiliza una porción de suelo. Con lo anterior es posible reducir considerablemente los tiempos de ejecución del ensayo. Con la utilización de esta variante en el procedimiento del ensayo Proctor, surge una interrogante, ¿habrá
algún cambio en el resultado del ensayo
Proctor estándar si en lugar de usar una sola porción de suelo como indica el manual M-MMP-1-09 (2006) para determinar los parámetros de compactación se utilizan porciones independientes para cada punto de la curva de compactación?
Esta investigación pretende aportar información acerca de la variación de los resultados obtenidos entre estas dos formas de realizar la prueba Proctor
estándar.
METODOLOGÍA
Para llevar a cabo esta investigación se utilizaron dos diferentes tipos de suelos, los cuales se obtuvieron mediante el método PCA (pozo a cielo abierto) a una profundidad de 1.5 m. A continuación, se muestra su información básica:
Suelo 1. Este suelo se obtuvo a un costado de la carretera Federal Villahermosa-Teapa en el entronque con la carretera estatal Playas del Rosario-Teapa, a la altura del km 020+285 (Figura 3). El material extraído es de color rojo y no presenta
contenido de materia orgánica. Las características básicas del suelo se muestran en la Tabla 1.
Suelo 2. Este suelo se extrajo a un costado de la carretera Federal Dos Bocas-Reforma, mejor conocido como vía corta en el municipio de Comalcalco, Tabasco, a la altura del Restaurante familiar Oasis (Figura 3). El material extraído es de
un color café claro y no hay presencia de materia orgánica. Sus características básicas se muestran en la Tabla 1.
Para determinar si existe una variación de los resultados entre los dos procedimientos de la prueba
Proctor estándar, se siguió el procedimiento que a continuación se describe:
En primer lugar, se obtuvieron los parámetros óptimos de compactación (γdmáx y wopt) para ambos suelos siguiendo el procedimiento convencional que marca el Manual del Instituto Mexicano del Transporte (M-MMP-1-09: 2006), es decir, utilizando
una sola porción de 4.5 kg de suelo para todo el ensayo (Figura 4). Estos resultados tuvieron la función de valores de referencia.
Todos los ensayos Proctor estándar en esta investigación se realizaron por triplicado y se ajustaron mediante una línea polinómica. Los ensayos se realizaron en un laboratorio con temperatura controlada (24oC) vigilando que cada aspecto
de su ejecución (incrementos de agua durante el ensayo, posición del pisón, distribución de los golpes, etc.) fuese el mismo para todos y acorde a los señalamientos del manual M-MMP-1-09 (2006). Los parámetros óptimos de compactación se
determinaron de acuerdo con el método tradicional propuesto por Proctor (1933): identificando el contenido de
agua para el que se alcanza el peso específico seco máximo.
- Con los parámetros de compactación de referencia obtenidos, el siguiente paso fue repetir los ensayos Proctor estándar en ambos suelos, siguiendo el procedimiento que marca el Manual del Instituto Mexicano del Transporte (M-MMP-1-09:
2006), pero con la variante de utilizar una porción de 4.5 kg de suelo para cada punto de la curva de compactación (Figura 5), es decir, cada porción de suelo solo se compactó una vez para obtener un punto de la curva de compactación.
Cada una de estas porciones se obtuvo mediante cuarteo. A cada porción se le agregó un porcentaje de agua, con respecto a la masa inicial de la porción de prueba, y se le dejó reposar en recipientes cerrados herméticamente durante
24 horas antes de compactarla.
- Por último, se compararon los resultados obtenidos con ambos procedimientos del ensayo
Proctor estándar y se realizaron comentarios y conclusiones.
RESULTADOS
La Figura 6, muestra los resultados de los ensayos de compactación Proctor estándar, realizados sobre el suelo 1: a) ensayo convencional con una sola porción de suelo; b) ensayo Proctor que utiliza varias porciones de suelo; y c) comparación
de las curvas de compactación obtenidas con ambos procedimientos.
En la Figura 6(a) se observan las tres repeticiones del ensayo Proctor convencional realizado al suelo 1, cada uno de los tres ensayos se realizó de la misma manera. En cada ensayo se obtuvieron cinco puntos de la curva de compactación. Se
observa que el punto uno en los tres ensayos tiene aproximadamente el mismo contenido de humedad (w ≈ 28.3%) y el mismo peso específico seco (γd = 1.57 t/m3). Sin embargo, a partir del punto dos hay ligeras variaciones entre los
mismos puntos de cada ensayo, por ejemplo, si se comparan entre sí el punto tres de los tres ensayos se observa una diferencia máxima del 1% en el contenido de humedad, por su parte, comparando el punto cinco en los tres ensayos la diferencia
máxima del peso específico seco entre ellos es del 2%. Se observa que la diferencia entre los mismos puntos de cada ensayo se acentúa conforme el contenido de agua se incrementa. Estas diferencias se presentaron a pesar de
ejecutar la prueba Proctor estándar convencional con el mismo procedimiento, en las mismas condiciones y con los mismos incrementos de agua para cada punto (M-MMP-1-09: 2006). Lo anterior, es evidencia de que las variaciones en
humedad y peso específico entre los mismos puntos de los tres ensayos están ligadas a la distribución del agua en la única porción de suelo que se usó para cada ensayo, y es que después de cada incremento de agua no se da ningún tiempo
de reposo para que ésta se distribuya homogéneamente en la masa de suelo. Esta falta de tiempo repercute en la distribución uniforme del agua en la muestra, produciendo las variaciones que se presentan en la Figura.6(a).
Por su parte, la Figura 6(b) muestra las tres repeticiones del ensayo Proctor sobre el suelo 1 pero utilizando una porción de suelo para cada punto de la curva de compactación. Es posible observar una mayor correspondencia entre los valores
de w y γd para los mismos puntos de las tres repeticiones. Se observa que todos los pesos específicos secos son iguales entre sí para los mismos puntos de los tres ensayos. Sin embargo, en el contenido de humedad se registraron diferencias
menores al 1% entre los mismos puntos de cada ensayo. Esta uniformidad en los valores del γd para los mismos puntos de los tres ensayos se debe al proceso de preparación de cada porción de suelo. Como se explicó anteriormente, en esta
variante del ensayo Proctor estándar se utiliza una porción de suelo para cada punto de la curva de compactación. Cada porción recibe un contenido de humedad diferente y se deja reposar por 24 horas en recipientes sellados herméticamente
(Figura 5) antes de compactar. El periodo de reposo para cada porción de suelo asegura que la humedad se homogenice en toda la muestra.
En la Figura 6(c) se comparan las curvas de compactación obtenidas con ambos procedimientos del ensayo Proctor estándar sobre el suelo 1, mientras que la Tabla 2 muestra los valores del peso específico seco máximo (γdmáx) y la
humedad óptima (wopt) de compactación determinadas con los ambos procedimientos.
Los resultados muestran que el procedimiento convencional generó pesos específicos secos mayores a humedades óptimas menores, con respecto a la variante que utiliza varias porciones de suelo. La diferencia entre los γdmáx fue de 1.5%, mientras
que para las wopt fue de 1%.
En la Figura 7(a) se observan las tres repeticiones del ensayo Proctor convencional realizado al suelo 2, cada uno de los tres ensayos se realizó de la misma manera. En cada ensayo se obtuvieron cuatro puntos de la curva de compactación. Al
igual que en el caso anterior, se observa que el punto uno en los tres ensayos tiene el mismo peso específico seco (γd = 1.73 t/m3) con ligeras variaciones en el contenido de humedad (1.31% de diferencia máxima entre los puntos).
Al igual que en el suelo 1, se advierte que, comparando los mismos puntos en los tres ensayos, a partir del punto dos existen variaciones en los valores del peso específico seco y en el contenido de humedad. Estás variaciones se acentúan
con el incremento en el contenido de agua. Las máximas diferencias se presentan en los puntos dos y cuatro, con magnitudes máximas del 2% en el contenido de humedad y del 1% en el peso específico seco.
La Figura 7(b) muestra las tres repeticiones con el suelo 2 de la variante del ensayo
Proctor estándar que utiliza varias porciones de suelo. Nuevamente se observa una mayor correspondencia entre los valores de w y γd para los mismos puntos de las tres repeticiones. Se advierte que todos los pesos específicos secos
son iguales entre sí para cada punto de los tres ensayos. El
contenido de agua entre los mismos puntos de los tres ensayos varía en menos del 1%. Así como en el caso del suelo 1, se observa que la variante del ensayo Proctor muestra resultados más homogéneos entre los mismos puntos de los
tres ensayos. Lo anterior se debe al proceso de preparación de la muestra, que, como se explicó anteriormente, permite una homogenización de la humedad dentro de la porción de suelo.
En la Figura 7(c) se comparan las curvas de compactación obtenidas con ambos procedimientos del ensayo Proctor estándar sobre el suelo 2. La Tabla 2 muestra los valores óptimos de compactación (γdmáx, wopt) determinados con los ambos
procedimientos.
Comparando ambas curvas de compactación, se observa que el procedimiento convencional generó pesos específicos secos mayores a humedades óptimas menores, con respecto a la variante que utiliza varias porciones de suelo. La diferencia entre
los γdmáx fue de 0.51%, mientras que para las wopt fue de 1.3%.
CONCLUSIONES
Los resultados experimentales demostraron que, al menos para los suelos en estudio, realizar el ensayo Proctor Estándar con la variante de utilizar una porción de suelo para cada punto de la curva de compactación, genera pesos específicos
secos máximos ligeramente menores con contenidos de agua óptimos, levemente mayores a los que se obtendrían con el ensayo Proctor
Estándar convencional. Es interesante notar que si bien las diferencias entre los parámetros óptimos de compactación obtenidos con ambos procedimientos (Tabla 2) son pequeñas, también muestran un comportamiento constante. Es decir,
siempre los ensayos Proctor realizados con varias porciones de suelo generaron un γdmáx menor al que se obtuvo con el procedimiento convencional.
Durante la ejecución de ambos procedimientos del ensayo Proctor se pudo constatar que la variante que utiliza varias porciones de suelo se realiza más rápido que con el procedimiento convencional, debido a que no es necesario realizar incrementos
de agua sobre una misma porción de suelo ni tampoco es necesario mezclar hasta homogenizar, ya que se cuenta con las porciones de suelo humedecidas previamente y, con un reposo de 24 horas, se garantiza la homogeneidad de la humedad. El
tiempo que se ahorra en la ejecución de la prueba está en función del operador, pero sin duda, el ahorro de tiempo es un factor muy importante en el ámbito profesional. En adición, la diferencia entre las magnitudes de los pesos específicos
secos máximos obtenidos con ambos procedimientos podría perder importancia desde el punto de vista práctico, ya que esta diferencia es menor al 1.5% en magnitud.
Es necesario realizar estudios más extensos sobre este tema, una segunda fase de esta investigación será ensayar otros tipos de suelos con diferentes contenidos de arena, más repeticiones de los ensayos, diferentes energías de compactación
y con otros métodos de compactación, como por ejemplo el Harvard miniatura.
REFERENCIAS
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