Ensayos Con Geogauge y Caja de Madera

[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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Pérez y Garnica

Algunas considerac iones sobre el control de c alidad de materiales compac tados en carreteras

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


Pérez y Garnica


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


Pérez y Garnica


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


Pérez y Garnica


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.

849


Pérez y Garnica

Algunas considerac iones sobre el control de calidad de materiales compac tados en carreteras

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.

850


Pérez y Garnica


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


Pérez y Garnica


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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Pérez y Garnica


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]

Bibliografía Gudishala, R. (2004). Development of resilient modulus prediction models for base and subgrade pavement layers from in situ devices test results . Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College. Master Thesis. Lenke. R., McKeen, R.G. y Grush. M.P. (2003). Laboratory Evaluation of the Geogauge for compaction Control , TRB 2003 Annual Meeting. Edit, T. y Cawangsuriya, A. (s/f). Earthwork quality control using soil stiffness, University of Wisconsin-Madison. Sawangsuriya, A., Bosscher, P.J., y Edil, T.B. (2002). Laboratory Evaluation of the Soil Stiffness Gauge (SSG), Transportation Research Board, 81st Annual Meeting, Washingnton, D.C. Sawangsuriya, Edil, T.B.. y Bosscher, P.J. (2004). Assessing small-strain stiffness of soils using soil stiffness gauge , Proceedings of the 15th Sotheast Asian Geotechnical Confewrence, Bankok, Tahiland.

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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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