compactador – Página 3 – El blog de Víctor Yepes

¿Mejor pocas pasadas de un compactador muy pesado?

Una pregunta que suelen hacerme es saber si resulta más económico compactar un terreno con un compactador pesado con pocas pasadas o un compactador menos pesado, pero con más pasadas. Es conocido que el número de pasadas y la profundidad de la capa de terreno a compactar dependerá no solo de las características de la máquina, sino también de la naturaleza del suelo y su humedad. La determinación de estos parámetros se puede realizar mediante un tramo de prueba. Sin embargo, en esta entrada quiero centrarme en el aspecto energético del problema. En efecto, voy a contar qué ocurre con los ciclos de carga-descarga sobre un terreno al que se le aplican deformaciones remanentes progresivas.

Si se consideran varios ciclos de carga y descarga, es interesante comprobar cómo los módulos de deformación de cada lazo de histéresis van aumentando progresivamente hasta alcanzar un valor de equilibrio. La densificación del terreno va provocando deformaciones remanentes progresivas, que llegan a un límite, en cuyo rango de presiones el suelo se comporta elásticamente (esto es cierto salvo en terrenos muy plásticos y con gran humedad).

En la Figura 2 se observa la variación de la deformación residual con el número de ciclos de carga-descarga.

Figura 2. Número de ciclos de carga-descarga con respecto a la deformación residual

Estos mismos ciclos de carga y descarga ocurren al pasar un compactador por encima de una capa que se desea compactar. Cada pasada constituye un ciclo completo de carga y descarga, con un terreno que se encuentra en una situación intermedia entre el confinamiento horizontal total y el libre, que son los dos experimentos descritos.

El proceso provoca deformaciones residuales cada vez menores, hasta llegar a una situación en el límite, donde las tensiones y deformaciones son lineales, y donde una carga mayor rompe el suelo, subiendo éste alrededor del compactador. Veamos en la Figura 3 las sucesivas relaciones entre tensiones y deformaciones que se producen en cada pasada de compactador. El área formada por los puntos OA₁B₁ es proporcional a la energía necesaria para obtener la deformación remanente OB₁. Por tanto, cuanto mayor sea la carga del compactador, menos pasadas serán necesarias para llegar a la deformación remanente deseada, es decir, al grado de densidad especificado. Ahora bien, dicha carga debe ser inferior a la de rotura del material.

Figura 3. Relación entre tensión y deformación con ciclos de cargas y descargas sucesivas

Se presentan dos formas de llegar a la deformación remanente necesaria: o bien con muchas pasadas de un compactador menos pesado, o bien con pocas pasadas de un compactador más pesado. En el límite la energía necesaria con una sola pasada sería proporcional a la curva OAB, mientras que con muchas pasadas sería proporcional aproximadamente a OA_NB_N. Ello podría hacer pensar que sería más económico muchas pasadas con un compactador pequeño que pocas con uno más grande. Esto no es del todo cierto ya que también se consume energía por rozamiento al trasladarse los equipos. Bajo una perspectiva energética, lo óptimo se encuentra en una situación intermedia.

Referencia:

YEPES, V. (2021). Procedimientos de construcción para la compactación y mejora del terreno. Colección Manual de Referencia, 1ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 426 pp. Ref. 428. ISBN: 978-84-9048-603-0.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Bandejas vibratorias o placas vibrantes

Figura 1. Bandeja Vibratoria Reversible VDR 26H

Son máquinas que transmiten su vibración mediante una bandeja accionada por el giro de masas excéntricas unidas a ella. Decaladas convenientemente las masas, se consigue una resultante de la fuerza centrífuga en el sentido de la marcha del operador. Las bandejas vibratorias con movimiento sólo de avance tienen una excéntrica situada en la parte delantera de la placa, mientras que las bandejas con movimiento en ambos sentidos, tienen dos. Las dos excéntricas permiten la regulación gradual de la velocidad. Son accionados por motores de gasolina o diésel, e incluso por motores eléctricos.

El motor y el manillar se montan sobre una placa separada, que está aislada de la bandeja vibratoria por muelles de acero o amortiguadores de goma. Tienen una longitud entre 0,50 y 1,00 m, con anchos entre 30 y 80 cm. Su velocidad varía entre 20 y 25 m/min. Se clasifican según su peso y frecuencia en:

Ligeros: alrededor de 100 kg, 100 Hz.
Medios: 500-1000 kg, 50 Hz.
Pesados: 1500-3000 kg, 20 Hz.

Las bandejas ligeras operan normalmente a altas frecuencias y bajas amplitudes. Son adecuadas para la compactación de arena y grava, cuando trabajan en capas delgadas (10-15 cm). Cuando se equipan con sistema de riego, también son útiles para el tratamiento de superficies asfálticas. Las bandejas vibratorias medio-pesadas (>400 kg) son efectivas sobre suelos semicohesivos -hasta 12-15% de finos- debido a su peso y sus mayores amplitudes. Evidentemente, no se aconsejan para trabajos de alto volumen. Suelen ser muy útiles en la compactación de rellenos de zanjas.

Se pueden acoplar varias placas a una máquina sobre neumáticos o sobre orugas constituyendo un compactador de multiplacas vibrantes.

Figura 2. Compactador de multiplacas vibrantes

Figura 3. Placa vibrante acoplada al brazo de una retroexcavadora. Imagen: V. Yepes

Os dejo algún vídeo para que veáis el funcionamiento de esta máquina.

Referencias:

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 253 pág. Depósito Legal: V-4598-1997. ISBN: 84-7721-551-0.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Rodillos de malla o reja en la compactación

Figura. Compactador de rodillos de malla

El rodillo de rejas constituye un compactador estático, es decir, que produce la densificación del suelo fundamentalmente por su peso propio. Esta máquina, poco habitual, se ha venido utilizando en materiales pétreos que requieren disgregación, pero en realidad también da buen resultado en una gran variedad de terrenos, incluyendo arcillas homogéneas o mezclas de arenas, limos y arcillas, con abundancia de finos. La superficie del cilindro está formada por una malla similar a una criba o una parrilla fabricada con barras de acero, que forman una cuadrícula, disminuyendo la superficie de contacto alrededor de un 50% y aumentando la presión de contacto de 1,5 a 6,0 MPa. Por lo común se fabrican con alto peso (más de 14 toneladas, lastrados). Los hay estáticos y con vibración. Es útil para compactar suelos rocosos, gravas y arenas, sobre todo si se trituran rocas blandas o terrenos finos secos. También permite triturar los firmes viejos de carreteras y compactarlos, dejándolos en condiciones de recibir una nueva capa de asfalto. La altura de la tongada puede llegar hasta 25 cm y la velocidad que alcanza es la del tractor que lo arrastra. No obstante, su utilización actual es escasa.

Referencias:

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 253 pág.

YEPES, V. (2022). Gestión de costes y producción de maquinaria de construcción. Colección Manual de Referencia, serie Ingeniería Civil. Editorial Universitat Politècnica de València, 243 pp. Ref. 442. ISBN: 978-84-1396-046-3

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

¿Qué es la curva de compactación de un suelo?

Seguimos con este post la divulgación de conceptos básicos relacionados con una de las unidades de obra que más patologías conlleva a largo plazo: la compactación. En otros posts anteriores ya hablamos de los tramos de prueba y de la compactación dinámica. La compactación constituye una unidad de obra donde la interacción entre la naturaleza del suelo, sus condiciones, la maquinaria y el buen hacer de las personas que intervienen en ella son cruciales. Desgraciadamente, en numerosas ocasiones se trata a la compactación como una unidad de obra complementaria o auxiliar. Las variables que más influyen en la compactación son la naturaleza del terreno, su grado de humedad y la energía aplicada. Estas variables se estudian a continuación.

La densidad, humedad y huecos están relacionados entre sí. Se trata de comprobar empíricamente lo que ocurre al someter a un suelo a un proceso de compactación. Dicho experimento consiste en golpear capas dentro de un cilindro, mediante un procedimiento normalizado, y medir la densidad seca y humedad en cada caso. Se realizará el estudio sometiéndolo a diversas energías de compactación y humedades.

Este experimento permite la obtención de las curvas de compactación, que relacionan el peso específico seco y la humedad de las muestras de suelo compactadas con una energía determinada, y que presentan un máximo, más o menos acusado, según su naturaleza. Los valores típicos de los pesos unitarios máximos secos oscilan entre 16 y 20 kN/m³, con los valores máximos en el intervalo de 13 a 24 kN/m³. Cifras superiores a 23 kN/m³ son raras, ya que este valor es cercano al hormigón húmedo. Los contenidos típicos de humedad óptima oscilan entre el 10 y 20% con un intervalo máximo del 5 al 30%. Generalmente se requieren cinco puntos con el objeto de obtener una curva fiable, con una humedad entre puntos que no se diferencien en más del 3%.

Se puede definir como índice de compactación (IC) a la relación entre el peso específico seco del terreno compactado y el peso específico seco óptimo.

Antes de llegar a la humedad óptima, el agua favorece la densificación al actuar con cierto efecto lubricante, pero al pasar de la óptima, la densidad seca decrece ya que el aire no sale tan fácil por los huecos, y el agua desplaza a parte de las partículas sólidas. La rama descendente de la curva tiende a aproximarse asintóticamente a la de saturación del suelo. Hogentogler (1936) considera que la forma de la curva de compactación se debe a dichos procesos de hidratación, lubricación, hinchamiento y saturación reflejados en la Figura 2.

Figura 2. Efectos del contenido de humedad en la compactación

Si se aplican diferentes energías de compactación, ocurre lo que se indica en la Figura 3: el peso específico seco máximo aumenta, pero con una humedad menor y las ramas descendentes se acercan de forma progresiva con humedades altas, ya que el aumento de energía lo absorbe el exceso de agua. Los máximos suelen situarse sobre la misma línea de huecos de aire, en general alrededor de n_a=5%.

Figura 3. Variación de la energía de compactación

La composición granulométrica del suelo y su sensibilidad al agua de su fracción fina son muy significativas al compactar. Los terrenos granulares sin finos presentan curvas de compactación aplanadas, sin un máximo muy definido, teniendo escasa influencia su humedad. Los suelos finos (más del 35% en peso) presentan pesos específicos secos más bajos que si no tuviesen tantos finos, y por consiguiente precisan de mayor humedad. Lo idóneo es una mezcla de tamaños más o menos continua, con un máximo del 10 al 12% de finos.

Figura 4. Curvas de compactación para diversos materiales (Johnson y Sallberg, 1960)

En obra suele ser difícil mantener contenidos de agua próximos al óptimo, lo cual implica que si las curvas de compactación tienen ramas con fuertes pendientes, éstos materiales van a ser más difíciles de compactar, ya que pequeños cambios de humedad causan fuertes bajas en la densidad. Son preferibles curvas con cuyas ramas tengan pendientes más suaves.

Veamos, en 8 minutos, a dar dos pinceladas sobre el concepto de curva de compactación. Espero que os guste.

Referencias:

HOGENTOGLER, C.A. (1936). Essentials of soil compaction. Proceedings Highway Research Board, National Research Council, Washington, D.C., 309-316.

JOHNSON, A.W.; SALLBERG, J.R. (1960). Factors that Influence Field Compaction of Soils. Bulletin 272. HRB, National Research Council, Washington, D. C., 206 pp.

YEPES, V. (1997). Equipos de movimiento de tierras y compactación. Problemas resueltos. Colección Libro Docente nº 97.439. Ed. Universitat Politècnica de València. 253 pág. ISBN: 84-7721-551-0.

Cursos:

Curso de gestión de costes y producción de la maquinaria empleada en la construcción.

Curso de compactación superficial y profunda de suelos en obras de ingeniería civil y edificación.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Recomendaciones de trabajo en la compactación

¿Qué recomendaciones podemos dar para ejecutar correctamente la compactación de un suelo? En posts anteriores ya hemos descrito la curva de compactación, la elección de un equipo de compactación y el tramo de prueba. Ahora vamos a centrarnos en algunos consejos, espero que útiles, que permitan mejorar la productividad y la calidad de esta unidad de obra que suele presentar tantas patologías y quebraderos de cabeza. Para ello nos ayudaremos de un Polimedia que espero que os guste. Al final del artículo os he escrito algunas recomendaciones y algunas referencias por si os resultan útiles.

NORMAS Y RECOMENDACIONES DE TRABAJO

Una vez se ha extendido el material en tongadas con espesor adecuado y con el grado de humedad determinado[1], se procede de forma ordenada a compactar, controlando el número de pases y su distribución homogénea.
Se pueden comentar algunas recomendaciones de “buena práctica constructiva” en relación a la compactación.
Antes de iniciar la construcción de un terraplén o un pedraplén, se eliminará la tierra vegetal y se excavará, si procede, el terreno para asegurar la estabilidad del macizo.
Cuando se espera lluvia, es importante compactar lo más pronto posible los rellenos de granos finos todavía no compactados, puesto que un material esponjado tiene gran capacidad de retención de agua.
Para reanudar el trabajo lo antes posible, después de una lluvia, es buena práctica la eliminación con motoniveladora de la fina capa superficial de barrillo (2-3 cm) bajo la que el resto del material aparece poco afectado.
Con exceso de agua procedente de precipitaciones atmosféricas, puede realizarse la desecación natural mediante oreo. Ahora bien, con terrenos finos limo-arcillosos y humedades próximas al índice plástico, se estabilizan mediante la adición de cal, cenizas volantes, escorias o arenas.

El riego de las tongadas extendidas, siempre que sea necesario, se efectuará de forma que el humedecimiento de los materiales sea uniforme, y el contenido óptimo de humedad se obtendrá a la vista de los resultados verificados por el laboratorio de cada caso con el equipo de compactación previsto.
Si se comienza la compactación por los bordes del terraplén, conseguiremos cierto efecto de “confinamiento” que ayuda a la densificación.
Deben solaparse los pases de compactación, para uniformizarlos, debido a que en el centro de la máquina se consigue mayor eficacia.
Se deben ejecutar de forma suave los cambios de dirección en la marcha y los virajes, para no arrastrar el material.
Es bueno dar cierto sobreancho a los terraplenes, ya que los bordes quedan siempre compactados por debajo de lo debido.
Los bordes de los terraplenes a veces se precisa compactarlos, con lo cual necesitamos de un tractor o grúa que remolque por dicho terraplén al compactador.
La superficie de las distintas tongadas deberá tener la pendiente transversal necesaria para evacuar las aguas sin peligro de erosión. Esta pendiente normalmente varía entre el 2 y el 4%.
Si se usa un sólo equipo, se simplifican los controles, pero a veces se utilizan dos tipos, uno de mayor rendimiento, y otro que sella la terminación de cada tongada.
Si se utilizan equipos vibrantes, las últimas pasadas se realizarán sin aplicar la vibración, con objeto de cerrar las posibles irregularidades de la superficie.
Es importante la buena nivelación de la superficie a compactar, de otro modo, las zonas deprimidas que no son pisadas por el rodillo quedarán deficientes de compactación.
Se suspenderán los trabajos de compactación cuando la temperatura ambiente sea inferior a 2ºC. Los terrenos congelados no pueden compactarse.
Sobre las capas en ejecución se prohíbe el tráfico hasta que se complete su compactación. Si ello es imposible, se distribuirá sin concentrar las huellas en la superficie.
Si el terraplén tuviera que construirse sobre un firme existente, se escarificará y compactará éste para procurar su unión con la tongada inmediata superior. Los productos removidos no aprovechables se llevarán a vertedero.
Si el periodo de tiempo transcurrido entre el extendido y la compactación es largo, puede producirse la evaporación suficiente para dar como resultado un contenido inadecuado de humedad. El material debe ser compactado inmediatamente para evitar el mayor costo de humectación.
Al finalizar la jornada no deben dejarse montones de material sin extender ni capas sin compactar, pues si las condiciones atmosféricas son buenas ocurre lo indicado en el párrafo anterior, pero si llueve sobre el material esponjado, a pocos finos que posea, su capacidad de retención de agua será grande y quedará la obra impracticable, con el agravante de tener que sacar y tirar dicho material, pues el periodo de tiempo que sería necesario para su oreo nunca lo permitiría la marcha de la obra.
Los efectos nocivos de la lluvia sobre una tongada compactada con pata de cabra pueden reducirse si, antes de caer el agua sobre ella, se ha planchado con un rodillo liso estático o vibratorio.
El inconveniente de los rodillos lisos respecto a la unión entre capas[2] se remedia si se pasa una grada o un arado de discos para escarificar la superficie. Antes de este proceso la superficie lisa, y con algo de pendiente, protege contra la lluvia y permite la circulación de vehículos.

Referencias:

YEPES, V. (1999). Prácticas de equipos de excavación, transporte y compactación de tierras. Servicio de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia. SP.UPV-4036. 129 pp. Depósito Legal: V-5208-1999.

[1]La corrección de humedad es costosa y delicada, sobre todo en terrenos cohesivos. Es más fácil adicionar agua. El reducir humedad puede conseguirse mediante escarificado y volteo de las capas, dejándolas secar. A veces se recurre a métodos especiales como el sistema “sandwich”, que consiste en intercapar entre capas húmedas una capa granular para ir drenando el agua, o bien tratamientos con cal, que absorbe el resto de agua al hidratarse.

[2]Podría crearse una discontinuidad, con peligro de filtraciones. El arado de discos no debe faltar en la construcción de una presa de materiales sueltos de tipo cohesivo, ya que consigue cierto mezclado y amasado entre capas.

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