ENSAYOS DE LABORATORIOPROCTOR MODIFICADO Y C.B.R (CALIFORNIA BEARING RATIO)

LAURA URREGONATALIE MONTOYA

IVAN BARRETOJUAN ESTEBAN MORA

ELKIN ALAPE

INFORME PRESENTADO A:MSc. Ing. Daniella Rodríguez Urrego

UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIAFACULTAD DE INGENIERIA CIVILPAVIMENTOS Y LABORATORIO

BOGOTA D.C.FEBRERO 2016

ENSAYOS DE LABORATORIOPROCTOR MODIFICADO Y C.B.R (CALIFORNIA BEARING RATIO)

1. INTRODUCCION

El ensayo de Proctor y el de C.B.R (California Bearing Ratio), son de gran importancia para la ingeniería y para nuestra formación como profesionales, aportan un invaluable conocimiento en el campo de las estructuras y los suelos pero primordialmente a la estructuración de los pavimentos, con estos ensayos podemos comprender el comportamiento de los mismos y a partir de esto basarnos en los diversos funcionamientos de los materiales y las técnicas para mejorarlos y como estos le pueden aportar a las vías, haciéndolas más aptas y útiles para las personas que las transiten.

Un suelo es un componente muy importante en la Ingeniera Civil, porque además de ser el sustrato físico sobre el cual se construyen las obras de infraestructura, proporciona una parte de la materia prima necesaria para realizar dichas obras. Existen varios tipos de suelos, cada uno con características y tratamientos diferentes, pero hay un proceso que debe aplicarse a todos de ellos y es el proceso de compactación.

La compactación es el proceso mecánico mediante el cual se reducen los vacíos en una masa de suelo, así como su volumen, para mejorar la resistencia al esfuerzo cortante, la estabilidad y compresibilidad de un terreno. La compactación se realiza mediante el uso de maquinaria específica según el tipo de suelo, aunque también puede darse de forma natural, generalmente en suelos finos, como es el caso de la consolidación, que corresponde al asentamiento que sufre un terreno durante un largo periodo de tiempo debido a las cargas aplicadas.

Para conocer las condiciones de compactación del suelo en obra es indispensable realizar el ensayo Proctor Modificado, creado por el Ingeniero Ralph R. Proctor en 1933, que permite determinar la humedad óptima de compactación y el peso unitario seco máximo que puede obtenerse al aplicar una energía determinada.

Por otro lado, debido a las características naturales del suelo y al proceso de compactación, se hace necesario conocer la resistencia al esfuerzo cortante que posee el terreno, la cual se define como la capacidad que tiene éste para soportar las cargas aplicadas sobre él. Para conocer dicha capacidad se emplea el ensayo C.B.R que fue desarrollado por la división de carreteras del Estado de California, y permite determinar la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controladas.

2. PALABRAS CLAVES

Compactación, Deformación, Densidad, Partículas, Humedad, Pavimento, Carga.

3. GLOSARIO

1Compactación: es el conjunto de procesos mecánicos y químicos (presión-disolución) que, como consecuencia del enterramiento, provocan la disminución del espesor del primitivo sedimento y la reducción de la porosidad.

2Deformación: se conoce como deformación cuando un cuerpo cambia de tamaño y de forma a través de fuerzas efectuadas sobre él.

3Densidad: se define como la división entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. 4Partículas: porción de dimensiones muy reducidas de materia. 5Humedad: el agua que impregna un cuerpo o también el agua en forma de vapor que está

presente en el aire ambiental. 6Pavimentos: se llama pavimento al conjunto de capas de material seleccionado que reciben en

forma directa las cargas del tránsito y las transmiten a los estratos inferiores en forma disipada, proporcionando una superficie de rodamiento, la cual debe funcionar eficientemente.

7Suelos: es una capa de corteza terrestre, formada por elementos de origen mineral y orgánico.

1 Tomado de atlas de patología sedimentaria.2 Tomado de ARQYS arquitectura.3 Tomado de tp laboratorio químico.4 Tomado de atlas de patología sedimentaria.5 Tomado de ARQYS arquitectura.6 Tomado de ARQYS arquitectura.7 Tomado de historia y biografías.com.

4. OBJETIVOS

3.1 Objetivo General

Conocer el comportamiento de una masa de suelo ante factores como carga y contenido de humedad, determinar el contenido de humedad optima obtenida y relacionar estos factores con el proceso de compactación y la capacidad de resistencia en el terreno.

3.2 Objetivos Específicos

Determinar mediante el ensayo Proctor Modificado el contenido de humedad exacto que debe tener un suelo para lograr una compactación adecuada, con base en la relación de densidades y humedades de cada muestra.

Identificar mediante el ensayo C.B.R la capacidad de soporte que tiene un suelo compactado con una humedad óptima.

Realizar el análisis de resultados correspondiente para cada laboratorio mediante la elaboración de tablas y gráficos que presenten los datos de manera clara y entendible, con base en las guías propuestas.

5. MARCO CONCEPTUAL

La corteza terrestre está compuesta por dos tipos de materiales que genéricamente se denominan roca y suelo, siendo el estudio del suelo el más importante dentro de la ingeniería. El libro Mecánica de Suelos en la Ingeniería Práctica define el suelo como un conglomerado de partículas unidas por fuerzas cohesivas de poca potencia, y su uso varía, dependiendo las condiciones en que se encuentra en la naturaleza, como materia prima de construcción o como base para la cimentación de estructuras. Generalmente las propiedades más importantes de un suelo son su estabilidad y resistencia al esfuerzo cortante.

Para garantizar que un suelo este lo más estable posible, se hace necesario recurrir a la compactación, que es un proceso mecánico destinado a aumentar el peso de un suelo por unidad de volumen, lo que trae como consecuencia un incremento de su resistencia al esfuerzo cortante y una disminución de su compresibilidad y permeabilidad. Algunos de los beneficios del proceso de compactación son:

Aumenta la capacidad para soportar cargas: Los vacíos producen debilidad en el suelo e incapacidad para soportar cargas pesadas. Estando apretadas todas las partículas, el suelo puede soportar cargas mayores.

Impide el hundimiento del suelo: Si una estructura se construye en un suelo sin afirmar o afirmado con desigualdad, el suelo se hunde dando lugar a que la estructura se deforme, lo que se conoce como asentamientos diferenciales.

Reduce el escurrimiento del agua: Un suelo compactado reduce la penetración de agua. El agua fluye y el drenaje puede entonces regularse.

Reduce el esponjamiento y la contracción del suelo: Si hay vacíos, el agua puede penetrar en el suelo y llenar estos vacíos. El resultado sería el esponjamiento del suelo durante la estación de lluvias y la contracción del mismo durante la estación seca.

Impide los daños de las heladas: El agua se expande y aumenta el volumen al congelarse. Esta acción a menudo causa que el pavimento se hinche, y a la vez, las paredes y losas del piso se agrieten. La compactación reduce estas cavidades de agua en el suelo.

Para que se dé el proceso de compactación es necesario aplicar algún tipo de energía sobre el suelo, esta energía puede provenir de las cargas que actúan directamente sobre el terreno, o también puede ser aplicada por medio de las maquinas compactadoras, que se utilizan en función del tipo de suelo y su accesibilidad. Los principales métodos de compactación son:

Compactación estática o por presión: La compactación se logra utilizando una máquina pesada, cuyo peso comprime las partículas del suelo sin necesidad de un movimiento vibratorio. Por ejemplo: Rodillo Estático o Rodillo Liso.

Compactación por Impacto: La compactación es producida por una placa apisonadora que golpea y se separa del suelo a alta velocidad. Por ejemplo: Un apisonador.

Compactación por vibración: La compactación se logra aplicando al suelo vibraciones de alta frecuencia. Por ejemplo: Rodillo Vibratorio.

Compactación por amasado: La compactación se logra aplicando al suelo altas presiones distribuidas en áreas más pequeñas que los rodillos lisos. Por ejemplo: Rodillo Pata de Cabra.

INVESTIGACIONES A NIVEL MUNDIAL

Procedimiento de compactación: “Las partículas sólidas son empaquetadas lo más cercanas posibles por medios mecánicos aumentando su densidad seca, poca o no la reducción de vacíos, estos no pueden eliminarse completamente, pero se reducen lo mayor posible.• A bajo contenido de agua el grano de suelo es rodeado por una delgada película de agua• El agua adicional permite juntar los granos más fácilmente• El aire es desplazado y la densidad seca es incrementado• La adición de agua permite expulsar el aire durante la compactación.8”

SUELOS COMPACTADOS EN LA TEORÍA Y EN LA PRÁCTICA

“El artículo aborda el comportamiento de los suelos compactados atendiendo especialmente a su comportamiento volumétrico frente a cambios de humedad. Se describen inicialmente los resultados de varios programas de ensayos destinados a proporcionar una información fundamental acerca del efecto de las variables de compactación sobre la estabilidad volumétrica de los suelos compactados. Se introduce

8 ING. LUIS CHANG CHANG (centro peruano japonés de investigaciones sísmicas y mitigación de desastres).

después un modelo constitutivo elastoplástico que permite dar un marco conceptual coherente a los conceptos clásicos de compactación. Se han relacionado las constantes y parámetros de estado del modelo con las variables de compactación utilizadas en la práctica. La aplicabilidad de estos desarrollos se ilustra en dos ejemplos relacionados con el comportamiento de terraplenes. En el primer caso se describe el efecto de lluvias intensas sobre un terraplén de suelo residual de granito. El modelo de cálculo desarrollado proporciona una explicación a los fenómenos observados y permite conocer la evolución esperable del terraplén en el futuro. En el segundo caso se presenta una simulación del efecto del clima sobre un terraplén cimentado sobre suelos limo-arcillosos colapsables del valle del Ebro.9”

Si se quiere realizar el proceso de compactación en campo, se lanza sobre el suelo natural existente, generalmente en capas sucesivas, un terreno con granulometría específica al que posteriormente se le modifica su humedad por medio de aeración o de adición de agua, y finalmente se le transmite energía de compactación por medio de golpes o de presión. También es posible conocer el comportamiento del terreno ante la compactación por medio de ensayos de laboratorio, siendo los más comunes el ensayo Proctor Estándar y el ensayo Proctor Modificado.

EL ENSAYO PROCTOR MODIFICADO

El ensayo Proctor Modificado fue creado por el Ingeniero Ralph R. Proctor en 1933 y pretende determinar los parámetros óptimos de compactación, esto quiere decir que busca determinar cuál es la humedad que se requiere, con una energía de compactación dada, para obtener la densidad seca máxima que se puede conseguir para un determinado suelo. Se define como densidad seca máxima aquella que se consigue para la humedad óptima.

El ensayo está basado en la compactación de un suelo, mediante el cual se elige una muestra de un suelo.

10Existen 4 métodos diferentes para realizarlo según el tipo de suelo que se tome, ya que por el tipo de agregados que contenga, varía el procedimiento.

Método A material de suelo que pase tamiz de 4.75 mm (No 4) - secciones 3 y 4 Método B material de suelo que pase tamiz de 4.75 mm (No 4) - secciones 5 y 6 Método C material de suelo que pase tamiz de 19.0 mm (3/4”) - secciones 7 y 8 Método D material de suelo que pase tamiz de 19.0 mm (3/4”) - secciones 9 y 10

Luego de esto según el tamizado que cumpla el suelo se procede con el ensayo, se debe tener en cuenta que, si la muestra se adquiere directamente húmeda, se deja secar al aire libre o por medio de horno que no pase los 60°C.

Se toma una muestra y se procede a pesarla, se mezcla la muestra de una manera uniforme agregando poco a poco un porcentaje de agua de hasta un 4% por debajo del contenido óptimo de humedad, luego de agregar el porcentaje de humedad se pesa nuevamente la muestra, se coloca la muestra en un molde que tiene un diámetro aproximado de 101.6mm, y una altura aproximada de 125mm, en el cual se procede a colocar en 3 capaz diferentes la muestra a ensayar, a cada una de las capaz se le dan 25 golpes de manera uniforme con un martillo de una altura aproximada de caída de 12”, el molde con las 3 capaz de material debe permanecer en una zona uniforme y estable.

9 Eduardo Alonso Catedrático de Ingeniería del Terreno. Departamento de Ingeniería del Terreno, Cartográfica y Geofísica. UPC. Barcelona10 Tomado de norma INV-141

Luego de compactar las 3 capaz, se desatornilla la parte superior del molde de enraza o se nivela la muestra completamente, se desmolda y procedemos a tomar una pequeña muestra del suelo anteriormente compactado, preferiblemente del centro, la colocamos en un molde más pequeño, la pesamos y finalmente la llevamos al horno a secar a 5°C, por un tiempo mínimo de 12 horas. Se repite el procedimiento agregando de 1 a 2 puntos de porcentaje de agua al suelo ensayado.

Una vez realizado este procedimiento se toma una porción representativa de la muestra que será llevada al horno, y una vez retirada de allí se determina el peso unitario seco resultante. Se repite el procedimiento para diferentes muestras con porcentajes de agua específicos, con el fin de establecer la relación entre el contenido de humedad y el peso unitario seco.

Con estos parámetros, porcentaje de humedad y densidad seca, se colocan los valores hallados en un gráfico cartesiano donde la abscisa corresponde a la humedad y la ordenada a la densidad seca, para poder diseñar una curva e identificar el punto máximo que corresponderá a la densidad seca máxima y la humedad óptima para esa muestra de suelo. La curva de compactación también nos aporta un valioso informativo sobre la cantidad de energía empleada en el proceso de compactación, ya que mientras más alta sea la curva, mayor es la cantidad de energía invertida en el proceso.

Por otro lado, como se mencionó anteriormente, otra de las propiedades más importantes de los suelos es la resistencia al esfuerzo cortante o la capacidad que tiene un terreno para soportar las cargas que son aplicadas sobre él. Esta propiedad se relaciona directamente con la compactación, pues a mayor compactación, mayor resistencia tendrá el suelo.

La resistencia de un suelo varía con su densidad, su contenido de agua cuando se compacta y el que tiene en el momento de ser ensayado. Por lo tanto, para reproducir las condiciones de la obra en el laboratorio, estos factores deben controlarse al preparar y penetrar las muestras. La resistencia al esfuerzo cortante puede ser determinada en laboratorio por medio del ensayo C.B.R o Relación de Soporte de California, que mide la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad cuidadosamente controladas y tiene aplicación principalmente en el diseño de pavimentos flexibles.

El ensayo consiste en tomar tres muestras de suelo a las cuales se les agrega un porcentaje de agua determinado, y posteriormente se ubican en tres moldes de dimensiones conocidas. Cada muestra se debe compactar en cinco capas, con 10, 25 y 56 golpes respectivamente para luego ser llevadas a la máquina de

penetración. Una vez concluida esta parte, y tomando lectura de la carga soportada por cada muestra, se analiza la relación entre la distancia de penetración y el esfuerzo realizado.

Finalmente, la importancia de los ensayos de compactación en laboratorio radica en que proporcionan las bases para determinar el porcentaje de compactación y contenido de agua que se necesitan para obtener las especificaciones de Ingeniería requeridas, además del control de la construcción asegurando la obtención de la compactación necesaria y los contenidos apropiados de agua.

6. ANALISIS Y RESULTADOS

5.1 Ensayo Proctor Modificado: Se tomaron 4 muestras de 6.000 g de material, a las cuales se les añadió diferentes porcentajes de agua (4%,6%,8% y 10%) y se colocaron cada una en un molde, habiendo tomado previamente las dimensiones de este, para luego ser compactadas con 56 golpes. Se pesó este suelo húmedo más el molde, se tomó una muestra representativa de suelo en un recipiente y se pesó, para luego llevarlo al horno y pesarlo después de 24 horas. Con estos pesos y dimensiones se calculó la densidad húmeda, el contenido de agua y la densidad del suelo seco, para posteriormente graficar la Curva de Contenido de Agua VS Densidad Seca.

En esta gráfica podemos ver que la curva de compactación y de esta forma, se toma la mayor densidad seca que equivale a un valor aproximado de 2,073 g/cm3 y su humedad óptima correspondiente que estaría en un valor aproximado de 9,802%.

5.2. Ensayo C.B.R: Se tomaron 3 muestras de 6.000 g de material, a las cuales se les añadió el 7,8% de humedad óptima y se colocaron en tres moldes, habiendo tomado previamente las dimensiones de estos, para luego ser compactadas con 10, 25 y 56 golpes. Se pesó este suelo húmedo más el molde, se colocó cada una de las muestras en la prensa de carga C.B.R que se utiliza para forzar la penetración del pistón en la muestra compactada C.B.R y luego se tomó una muestra representativa de suelo en un recipiente y se pesó, para luego llevarlo al horno y pesarlo después 24 horas.

Densidad Máxima Seca

Humedad Óptima

Con las cargas tomadas de la prensa de carga C.B.R, se calculó el área del pistón que ejercía la carga sobre la muestra de suelo, para luego calcular la presión correspondiente en MPa dependiendo de la penetración en mm. Se graficó la Curva de Presiones de Penetración para 10, 25 y 56 golpes.

Se puede observar que la Curva de Presiones de Penetración no presento mayores puntos de deflexión por lo tanto no hubo necesidad de realizar la pertinente corrección.

Se calculó el C.B.R con las presiones en MPa calculadas anteriormente teniendo en cuenta la muestra patrón.

CBR=Cargaunitariadel ensayoCargaunitaria patrón

∗100

Se promedió el C.B.R calculado para los 10, 25 y 56 golpes con cada una de las penetraciones, se calculó la densidad húmeda, el contenido de agua y la densidad del suelo seco con los pesos y dimensiones tomados inicialmente y finalmente se graficó la Curva Densidad Seca VS C.B.R.

Se puede observar que la Curva de Densidad Seca VS C.B.R no muestra una línea recta de crecimiento debido a que la muestra de 25 golpes obtuvo una menor densidad seca que la de 10 y 56 golpes, lo que quiere decir que esta muestra tiene un cierto margen de error a la hora de la realización del laboratorio, porque al dar una mayor compactación se obtiene una mayor densidad seca y, en consecuencia, aumenta la resistencia mecánica del suelo.

7. CONCLUSIONES

La compactación es sin duda uno de los procesos más importantes para la estabilización de cualquier tipo de suelo, por esta razón es imprescindible realizar los ensayos de laboratorio de manera correcta y evitar cualquier error que pueda generar un vacío importante en la lectura de datos, tal como pasó en la práctica realizada.

Se pudo observar que la gráfica Contenido de Agua VS. Densidad Seca, que finalmente arrojó que la mayor densidad seca equivale a un valor aproximado de 2,073 g/cm3 y su humedad óptima correspondiente que estaría en un valor aproximado de 9,802%.

Podemos ver en la gráfica Contenido de Agua VS. Densidad Seca, que la energía de compactación produce una relación inversamente proporcional entre la densidad seca y la humedad óptima, esto quiere decir que entre mayor sea la densidad seca, menor será la humedad óptima de la muestra.

La curva de Presiones de Penetración no presentó mayores puntos de deflexión por lo tanto no hubo necesidad de realizar la pertinente corrección.

En la gráfica de Densidad Seca VS C.B.R no se observa una línea recta de crecimiento; ya que la muestra de 25 golpes obtuvo una menor densidad seca que la de 10 y 56 golpes, lo que quiere decir que esta muestra tiene un cierto margen de error a la hora de la realización del laboratorio, porque al dar una mayor compactación se obtiene una mayor densidad seca y aumenta la resistencia mecánica del suelo.

En los resultados se observa que la muestra que fue compactada con 56 golpes es el mejor resultado; ya que redujo la relación de vacíos que existe en la muestra, aumento la densidad, y por lo tanto el suelo se comporta de una manera homogénea y resistente.

Según los resultados obtenidos de los cálculos del C.B.R determinados con la muestra patrón y basándonos en la tabla de la clasificación del suelo, se puede concluir que la muestra de 10 golpes con un C.B.R de 14,328% es un suelo bueno para el uso de sub-rasante, la muestras de 25 golpes con C.B.R de 26.189% es un excelente material para sub-rasante y la muestra 56 golpes con un C.B.R de 116,774 % es un tipo suelo excelente para el uso de base.

8. REFERENCIAS

NADEO, Julio Roberto. LEONI, Augusto José. Introducción a algunas propiedades fundamentales de los suelos. [en línea].Disponible en: http://www.ing.unlp.edu.ar/constr/g1/Propiedades%20caracteristicas%20de%20los%20suelos.pdf

Compactación de Suelos. Universidad Católica de Valparaíso. [en línea]. Disponible en: http://icc.ucv.cl/geotecnia/03_docencia/03_clases_catedra/clases_catedra_ms2/ms2/compactacion_suelos.pdf

ESPINOZA, Jorge. FLORES BURGOS, Miguel. GRADIZ, Hugo. URTECHO, Alex. URTECHO, Andrés. Práctica de Proctor Modificado. [en línea]. Disponible en: http://es.slideshare.net/hugogradiz/proctor-modificado-24543391

Ensayo de Compactación Proctor Modificado. [en línea].Disponible en: http://www.unalmed.edu.co/~geotecni/GG-17.pdf

Apuntes sobre la diferencia entre Proctor Estándar y Modificado. [en línea].Disponible en: http://civilgeeks.com/2015/07/23/apuntes-sobre-la-diferencia-entre-proctor-estandar-y-modificado/

BARRERA RINCON, Daniel. ROCHA GARNICA, Jhonathan Andrés. FLOREZ GALINDO, Paola Fernanda. Ensayo de Compactación Proctor Modificado. [en línea].Disponible en: http://www.academia.edu/6929063/Ensayo_de_compactaci%C3%B3n_proctor_modificado

Ensayo C.B.R (California Bearing Ratio). [en línea]. Disponible en: http://noticias.espe.edu.ec/hfbonifaz/files/2012/09/ENSAYO-CBR.pdfCompactación de Suelos en Laboratorio Utilizando una Energía Modificada: (56 000 pie-lb/pie3 [2 700 kn-m/m3]). Proctor Modificado. [en línea].Disponible en: http://www.lms.uni.edu.pe/Proctor%20Modificado.pdf

Determinación de la Capacidad de Soporte C.B.R del Suelo. [en línea].Disponible en: http://icc.ucv.cl/geotecnia/03_docencia/02_laboratorio/manual_laboratorio/cbr.pdf

Cartilla Laboratorio Pavimentos. [en línea].Disponible en: https://www.dropbox.com/home/PAVIMENTOS%20Y%20LABO%20II-2015?preview=Guia+laboratorio+de+Pavimentos.pdf