[Ide@s CONCYTEG 5(62): Agosto, 2010]
Pérez y Garnica
Algunas cons consider iderac ac iones sobre el cont c ontr rol de c alidad de materiales materiales compac compac tado ados s en car ca rreter eteras as
Algunas consideraciones sobre el control de calidad de materiales compactados en carreteras
Natalia Pérez García 1 Paul Garnica Anguas 2
Resumen Durante la construcción de carreteras, una gran parte de los trabajos están constituidos por la compactación de los materiales que forman cada una de las capas del pavimento. El comportamiento de la estructura una vez que se pone en servicio dependerá de varios factores, sin embargo, uno de ellos es el control de calidad que se haya realizado durante el proceso constructivo. Una de las técnicas más utilizadas para llevar a cabo dicho control (hasta nuestros días) es el uso de calas volumétricas, sin embargo, en años recientes se ha propuesto el uso de otros equipos para control de calidad los cuales proporcionan resultados más rápidos. Uno de estos equipos es el medidor de rigidez ( geogauge), el cual mide tanto la rigidez como el módulo de los materiales en un tiempo muy corto.
Este artículo muestra los valores de rigidez para una arcilla de alta compresibilidad obtenidos con geogauge. Los resultados demuestran que la rigidez depende en gran medida del contenido de agua, sin embargo, la dependencia del peso volumétrico es menos marcada. Por
1 Maestría en Mecánica de Suelos por la Universidad Autónoma
de Querétaro y Doctorado en Ing. Civil con especialidad en Mecánica de Suelos en la Arizona State University.
[email protected] 2 Ingeniero Civil de la Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM. Doctor en Geomecánica Geomecánica por parte de la Universidad Joseph Fourier en
[email protected] Francia.
[email protected]
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lo tanto, es de esperarse que el comportamiento del material no esté regido por el peso volumétrico seco del material, parámetro que se controla generalmente para decidir sobre la calidad del material compactado.
a diferentes grados dependiendo en qué capa se
Palabras clave: Geogauge, carreteras, peso volumétrico seco máximo, compactación, control de calidad, contenido de agua óptimo.
de subrasante) (figura 1). La compactación de suelos
colocará (por ejemplo, el material de base requiere de un mayor grado de compactación que el material es una de las técnicas que se ha utilizado desde tiempos
muy
antiguos
para
mejorar
el
comportamiento de los materiales, es decir,
Abstract During the construction of highways a great amount of the work is comprised by compaction of materials that constitute the layers of the structure. The behavior of such structure once it is on service will depend on several factors, however, one is the quality control carried out during construction. One of the techniques to perform quality control is the sand cone test, however some researchers put forward new equipments to carry out quality control to expedite this task. One of these equipments is the geogauge which measures stiffness and modulus in a short period of time.
incrementar su resistencia, reducir la permeabilidad y compresibilidad, etc. Figura 1. (a) Capas de material compactado para un pavimento; (b) y (c) Proceso de compactación
This paper shows the stiffness values for a clay of high plasticity obtained with geogauge. The results demonstrate that the stiffness depends greatly on water content, however the dry unit weight has less influence in its behavior. Thus, the behavior of a material does not depend solely on dry unit weight which is the parameter often taken as the control. Keywords: Geogauge, highways, dry unit weight, compaction, quality control, optimum water content.
Los materiales para carreteras se compactan a grados especificados en las normas de la Secretaría de
Introducción
En varias obras de ingeniería es común llevar a
Comunicaciones y Transportes, por ejemplo, los materiales de subrasante deberán compactarse a 100 2 % del peso volumétrico seco máximo con
±
respecto a la prueba AASHTO estándar y a
cabo compactación de materiales. Un ejemplo son
contenido de agua óptimo; los materiales de base y
las carreteras en donde la estructura se forma con
sub-base requerirán de grados de compactación de
materiales de diferentes graduaciones y compactados 846
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100 % como mínimo, sin embargo, en este caso será
volumétrico seco obtenido en campo con respecto al
con respecto a la prueba AASHTO modificada.
obtenido en laboratorio. El resultado se compara con lo especificado para el material en cuestión. Si el
Es importante señalar que el comportamiento a largo
constructor alcanza los valores especificados, se
plazo de la estructura dependerá en gran medida del
continúa con la compactación de las siguientes
control de calidad que se lleve a cabo durante la
capas, de otra forma, el material tendrá que
construcción. Dicho control se puede llevar a cabo
mejorarse hasta alcanzar los valores convenidos.
utilizando varias técnicas. Entre las más conocidas se encuentran el de “las calas volumétricas” y el densímetro nuclear. Este artículo presenta algunos
Figura 2. Evaluación del peso volumétrico por medio de calas volumétricas
aspectos recientes sobre el equipo “ geogauge” que es una propuesta para llevar a cabo el control de calidad de materiales compactados en una forma más rápida.
Técnicas de control de calidad Calas volumétricas Las calas volumétricas consisten en realizar un orificio en el material compactado, extraer el
Es importante recalcar que la técnica antes
material y colocarlo en contenedores herméticos para
mencionada es una de las más utilizadas debido a su
evitar que pierda agua (figura 2). Una vez que se ha
bajo costo, sin embargo, tiene la desventaja de que
extraído el material, el orificio se rellena con arena
los grados de compactación se determinan 24 horas
calibrada de tal forma que con el peso volumétrico
después de haber realizado la prueba ya que los
de la arena junto con el peso y contenido de agua del
contenidos de agua del material húmedo se
material húmedo que se extrae se evalúa el peso
determinan de 12 a 24 horas después de haber sido
volumétrico
colocado en el horno. Otra de las desventajas es que
seco
Posteriormente, compactación
se
del
material
determina
obtenido
compactado.
el
comparando
grado el
de
provoca retrasos en la obra ya que el técnico
peso
laboratorista tiene que entrar al tramo compactado 847
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para llevar a cabo las pruebas, tiempo durante el cual el equipo de compactación no trabaja, por otro lado,
Nuevas técnicas de control de calidad
este tipo de prueba es del tipo destructiva. El uso del peso volumétrico seco del suelo para control de compactación obedece a la idea
Densímetro nuclear
tradicional de que a mayores pesos volumétricos se alcanzan situaciones más favorables en el suelo
El densímetro nuclear es uno de los equipos que se
compactado. Esta correlación tan sencilla puede dar
usan con frecuencia en el control de calidad de
buenos resultados en algunos casos pero no es una
materiales compactados. El principio de operación
regla fundamental para los diferentes tipos de suelos.
de este equipo es que emite rayos gama al terreno,
Esta idea no es del todo cierta ya que al compactar
una parte es absorbida y la otra reflejada. Los rayos
demasiado se puede tener un problema de
reflejados se leen directamente en el equipo y se
sobrecompactación que trae consigo condiciones
relacionan con las curvas de calibración de humedad
desfavorables en los suelos que presentan cierto
y densidad para obtener los valores para el material
potencial de expansión. Por tanto, puede decirse que
en cuestión. Algunas de las ventajas de este método
el control de la compactación debe de llevarse a cabo
es la disminución de tiempo para la obtención de los
tomando en cuenta propiedades más fundamentales
datos, es una prueba no destructiva, reduce errores
de los materiales.
de operación, etc.
Figura 3. Evaluación del peso volumétrico con densímetro nuclear
Control de calidad con los equipos de compactación Dentro de las técnicas modernas propuestas para llevar a cabo el control de calidad de materiales compactados se encuentra la que se ha denominado “compactación inteligente”. Este método consiste en usar los mismos equipos de compactación para monitorear los pesos volumétricos en tiempo real teniendo como datos el grado de compactación y el espesor de la capa en consideración. Una de las 848
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ventajas de esta propuesta es que el operador del
Figura 4. Equipo geogauge y anillo de la parte inferior
equipo tendrá conocimiento inmediato de qué zonas necesitar compactar a un grado mayor para lograr los valores especificado.
Equipo para medir rigidez ( geogauge) La propuesta de utilizar el equipo que mide rigidez para llevar a cabo el control de calidad de materiales
A partir de los valores de fuerza aplicada y
compactados pretende que dicho proceso se realice
desplazamientos medidos, la rigidez se obtiene con
mediante variables de rigidez y módulo. Éste último
la expresión siguiente:
es muy usado en el diseño de pavimentos, por tanto,
K =
sería más apropiado que la propiedad con la que se
1.77 ER (1 − υ 2 )
diseña fuera con la que controla la calidad en campo. Donde: El equipo geogauge es un cilindro portátil capaz de
R = Radio del anillo; E = Módulo de elasticidad; y
medir deflexiones muy bajas provocadas por cargas
v=
Relación de Poisson
muy pequeñas. Este equipo cuenta con un vibrador que genera fuerzas dinámicas a 25 frecuencias en el
Se ha tratado de verificar si existen correlaciones
rango de 100 a 196 Hz. La fuerza se transmite al
entre la rigidez y peso volumétrico, sin embargo,
suelo por medio de un anillo colocado en la parte
Ellis y Bloomquist (2003) determinaron que tal
inferior del equipo (figura 4) y los desplazamientos
correlación no existe como lo demuestran los datos
generados se miden por medio de dos sensores de
de la figura 5. De esta misma figura se puede
velocidad. Sawangsuriya et al. (2005), encontraron
observar que existe para un cierto peso volumétrico
que la fuerza máxima aplicada por el geogauge es de
seco el valor de la rigidez puede tomar diferentes
9 N.
valores.
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Figura 5. Relación entre peso específico seco y rigidez
Fuente: Ellis y Boomquist, 2003
Se han llevado a cabo otras investigaciones de laboratorio en las que se ha determinado que la rigidez máxima no se presenta a peso volumétrico seco máximo y contenido de agua óptimo sino que se presenta a contenido de agua más bajo (Lenke et al.,
2003) (figura 6). Por tanto, la rigidez se
maximiza a contenidos de agua por debajo del óptimo lo que trae como consecuencia que para el control de calidad no puede llevarse a cabo especificando un valor de rigidez máximo ya que para los suelos con potencial de expansión, a contenidos de agua menores al óptimo es donde se presentan los valores mayores de expansión.
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Figura 6. Relación entre peso específico seco y rigidez
Fuente: Lenke et al., 2003
Materiales y procedimiento de prueba
Preparación de muestras
Material de prueba
60 cm x 60 cm de lado x 38 cm de profundidad. La
Para compactar las muestras se utilizó un molde de altura de la muestra fue de 30 cm de tal forma que el
El material utilizado en los ensayes de laboratorio
material no rebasara la parte superior del molde. El
fue una arcilla de alta compresibilidad muestreada
pisón utilizado en la compactación se accionó en
en la zona de Santa Rosa Jáuregui en el estado de
forma neumática, es decir, durante el proceso de
Querétaro. El material se clasifica como CH según el
compactación se conectaba a un tanque de aire de tal
Sistema Unificado de Clasificación de Suelos y su
forma que el operador sólo tenía que moverlo sobre
límite líquido e índice plástico fueron 56 % y 36.5%,
toda la superficie para distribuir los golpes de forma
respectivamente. El porcentaje de material que pasó
uniforme (figura 7). El proceso que se siguió en la
la malla No. 200 fue de 87.6 %. El contenido de
compactación y medición de los valores de rigidez
agua óptimo fue de 28.5 % y el peso volumétrico
de las muestras fue el siguiente:
3
seco máximo de 13.9 kN/m , según la prueba de compactación Proctor estándar (ASTM D 698). 851
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Adición del agua al material para alcanzar el
Al finalizar la toma de datos, se disgregaron las
contenido de agua especificado. Los valores
muestras para verificar el contenido de agua de la
requeridos se distribuyeron en todo el espacio de
prueba.
compactación (figura 7) Figura 7. Relación entre peso específico seco y rigidez 16.5 ) 3
Figura 8. (a) Proceso de compactación de muestras; (b) Determinación de los valores de rigidez
Línea de saturación
16.0
m15.5 / N k ( 15.0 o c 14.5 e s o 14.0 c i r t é 13.5 m u 13.0 l o v 12.5 o s e 12.0 P
Proctor Modificada
Puntos de ensaye
15
19
23
Proctor Estánda r
27
31
35
Contenido de agua (%)
Fuente: Lenke et al., 2003
El tiempo de curado de la muestra fue de 24 horas. La finalidad de esta etapa es una mejor distribución del agua en todas las partículas. Se compactó la muestra en tres capas (10 cm de espesor cada una), Posteriormente se determinó la rigidez del material compactado en cinco puntos. Cuatro de ellos se localizan cerca de las esquinas y una en la parte central. Para el análisis sólo se utilizaron los datos obtenidos en el centro de la muestra. Para cada punto se tomaron 10 lecturas y el resultado utilizado en los análisis fue el promedio,
Resultados obtenidos La tabla 1 muestra el resumen de las características de las muestras ensayadas así como de los valores de rigidez y los módulos de elasticidad promedio medidos en el centro de las muestras. Como se puede observar, el rango de los valores de rigidez varía entre 2.73 y 20.75 MN/m para las condiciones de contenido más baja y la más alta. Tabla 1. Resumen de los resultados de rigidez y módulo obtenidos con equipo geogauge Muestra No. 1 2 3 4
w (%) 18.80 21.80 25.10 28.80
N/m 3 dk 12.92 13.03 13.09 13.13
K MN/m 13.96 13.88 11.41 4.66
E MPa 121 120 99 40
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Muestra No. 5 6 7 8 9 10 11 12 13
w (%) 32.20 18.60 22.10 25.70 17.90 21.90 24.20 29.50 31.80
N/m 3 dk 13.09 13.93 13.99 14.03 15.02 14.91 15.00 14.06 13.53
K MN/m 2.73 15.65 13.32 9.06 20.75 14.25 11.27 5.32 2.78
E MPa 24 136 15 78 180 124 87 46 24
Los resultados de la figura 9 muestran que los valores de rigidez dependen en gran medida del contenido de agua, sin embargo, son menos sensibles al peso volumétrico seco. Por otro lado, para contenidos de agua mayores al óptimo se obtienen valores de rigidez menores a 6 MN/m. Si observamos los resultados obtenidos por Lenke et al., (2003), observamos que ellos obtuvieron valores
Una vez que se obtuvieron los resultados de rigidez
de rigidez menores a 10 MN/m cuando el suelo se
y módulo se utilizó un paquete estadístico para llevar
compactó a humedades superiores al óptimo, por
a cabo el análisis por medio de superficies de
tanto, lo obtenido en este estudio concuerda con lo
respuesta. La figura 9 muestra el espacio de
reportado en la literatura.
compactación junto con las curvas de isovalores de rigidez. La curva de compactación Proctor estándar
Si se analiza la gráfica de contenido de agua contra
se grafica como referencia.
módulo de elasticidad, se tiene una relación lineal inversa, es decir, a mayor contenido de agua menor
Figura 9. Curvas de isovalores de rigidez para la arcilla CH
módulo de elasticidad (figura 10). Es importante hacer notar que el coeficiente de correlación para esta relación es de 0.93.
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Figura 10. Relación entre contenido de agua y módulo de elasticidad
Conclusiones y recomendaciones
200 E(MPa) = -9.3699(w) + 321.34
De los resultados obtenidos en este estudio se puede
2
R = 0.9318
150
observar que los valores más altos de rigidez se
) a P 100 M ( E
localizan en la rama seca de la curva de compactación, no obstante, en campo el control de la compactación no se podría realizar con el valor
50
máximo de rigidez, más bien, se tendría que 0 15
20
25
30
35
especificar una zona donde tanto la rigidez, la expansión o algún otro parámetro de interés se
Contenido de agua (%)
encuentren en rangos convenientes.
Si consideramos que en campo se compacta a contenido de agua de w opt ± 2 %, para el caso de este material, las variaciones de módulo para ese rango de contenidos de agua serán entre 37 y 75 MPa.
También se puede observar que la rigidez depende de forma importante del contenido de agua y en menor grado del peso volumétrico, al menos para la arcilla con la cual se llevaron a cabo las pruebas. En este estudio se confirmó nuevamente que la rigidez
Finalmente, si relacionamos la rigidez y el peso volumétrico seco, se encuentra que no existe una correlación clara como ya se ha mostrado en la literatura (figura 11).
no está correlacionada en forma directa con el peso volumétrico seco, por tanto, parece ser que no es el parámetro más adecuado para controlar la calidad de los
materiales
compactados
ya
que
el
comportamiento de un material no está regido por el
Figura 11. Relación entre peso volumétrico seco y rigidez
peso volumétrico seco. Por otro lado, existe una relación lineal inversa entre el contenido de agua y
25
el módulo de elasticidad, es decir, a mayor contenido 20
de agua menor módulo de elasticidad.
) m15 / N M ( 10 K
Es importante señalar que los resultados aquí mostrados son sólo una primera aproximación de lo
5
854 0 12.5
13.0
13.5
14.0 d (kN/m
14.5 3
)
15.0
15.5
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que sería la evaluación del equipo geogauge para control de calidad de materiales compactados. Es necesario que estudios posteriores incluyan suelos con diferentes clasificaciones de tal forma que se obtengan conclusiones más contundentes.
Acerca de los autores Natalia Pérez García
Maestría en Mecánica de Suelos por la Universidad Autónoma de Querétaro; Doctorado en Ing. Civil con especialidad en Mecánica de Suelos por la Arizona State University. Acreedora al Premio Alejandrina como 1er. Lugar en Ciencia y Tecnología con el trabajo “Análisis del fenómeno de fatiga en suelos arcillosos. Contribución al control de las deformaciones permanentes en carreteras” en marzo 2000. Autora de numerosas publicaciones en Revistas científicas, Ponencias en Congresos nacionales e internacionales.
[email protected] Paul Garnica Anguas
Ingeniero Civil de la Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM, con Estudios de Maestría en Mecánica de Suelos en la misma Universidad. Doctor en Geomecánica por parte de la Universidad Joseph Fourier en Francia. Ha sido asistente a la investigación en el Instituto de Ingeniería de la UNAM en temas de Análisis Dinámico y Estático de Presas con el Método de los Elementos Finitos. Durante los estudios doctorales trabajo en temas sobre la simulación de la interacción sueloestructura en cimentaciones profundas. Desde 1994 es Jefe de los Laboratorios de Investigación en Infraestructura en el Instituto Mexicano del Transporte, órgano desconcentrado de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes. Desarrolla líneas de investigación en Mecánica de Suelos, Mecánica de Rocas, Agregados e Ingeniería de Pavimentos; destaca en especial la línea de investigación en comportamiento de geomateriales en la infraestructura del transporte. Tiene más de 40 artículos publicados en diversos congresos y revistas nacionales e internacionales. Ha
dirigido 17 tesis de maestría con estudiantes pertenecientes a programas posgrado en Chihuahua, Campeche y Querétaro. Ha sido docente dentro de la carrera de ingeniería civil de la Facultad de Ingeniería de la UNAM, en la Maestría en Mecánica de Suelos de la Universidad Autónoma de Querétaro y en la Maestría en Vías Terrestres de la Universidad Autónoma de Chihuahua. También fue docente dentro de la formación de ingeniería civil en el Instituto Politécnico de Grenoble, en Francia. Ha sido invitado a impartir un gran número de cursos y conferencias en distintas universidades de México y de América Latina. Tuvo el honor de recibir, de parte de la Sociedad Mexicana de Mecánica de Suelos, la Medalla "Manuel González Flores" por su trayectoria de investigación en el campo de la Geotecnia, y el Premio Nacional "José Carreño Romaní 2004" al mejor artículo de investigación, por parte de la Asociación Mexicana de Ingeniería de Vías Terrestres. Es representante de México ante la Asociación Mundial de la Carretera en el comité técnico sobre Terraplenes y Drenaje.
[email protected]
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Algunas considerac iones sobre el control de calidad de materiales compac tados en carreteras
Sawangsuriya, A., Bosscher, P.J. y Edil, T.B (2005). Alternatives Testing Techniques for modulus of pavement bases and subgrades, Proceedings of the 13th Annual Great Lakes Geotechnical and Geoenvironmental Engineering Conference, Milwaukee, WI.
Páginas de Internet www.humboldtmfg.com/pdfl/92.pdf
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