INSTITUTO TECNOLÓGICO DE OAXACA INGENIERÍA CIVIL Diseño y Construc. de Pavimentos Practica de Laboratorio Peso volumétrico seco Máximo Humedad Optima Alumno: Carlos Enrique Yescas González. Catedrático: Sánchez Vizcaíno Jaime Grupo IC-A Semestre: 6° Horario de clase: 12:00 – 13:00 hrs Enero – Junio 2016 Diseño y Construc. de Pavimentos Práctica de Laboratorio Yescas González Carlos Enrique IC-A Introducción Actualmente existen muchos métodos para reproducir, al menos teóricamente, en el laboratorio unas condiciones dadas de compactación de campo. Históricamente, el primer método, en el sentido de la técnica actual, es el debido a R. R. Proctor, y es conocida hoy en día como "Prueba Proctor Estándar". La prueba consiste en compactar el suelo en cuestión en tres capas dentro de un molde de dimensiones y forma determinadas por medio de golpes de un pisón, que se deja caer libremente desde una altura especificada. Con este procedimiento de compactación, Proctor estudió la influencia que ejercía en el proceso el contenido inicial del agua en el suelo, encontrando que tal valor era de vital importancia en la compactación lograda. En efecto observó que a contenidos de humedad crecientes, a partir de valores bajos, se obtenían más altos pesos específicos secos y, por lo tanto, mejores compactaciones del suelo, pero que esa tendencia no se mantenía indefinidamente, sino que la pasar la humedad de un cierto valor, los pesos específicos secos obtenidos disminuían, resultando peores compactaciones. Proctor puso de manifiesto que, para un suelo dado y usando el procedimiento descrito, existe una humedad inicial llamada "óptima", que produce el máximo peso específico seco que puede lograrse con este procedimiento de compactación. Se denomina compactación de suelos al proceso mecánico por el cual se busca mejorar las características de resistencia, compresibilidad y esfuerzo deformación de los mismos. Este proceso implica una reducción más o menos rápida de vacíos, como consecuencia de la cual en el suelo ocurren cambios de volúmenes de importancia, fundamentalmente ligados a perdida de volumen de aire. La importancia de la compactación es obtener un suelo de tal manera estructurado que posea y mantenga un comportamiento mecánico adecuado a través de toda la vida útil de la obra. Los métodos usados para la compactación de los suelos dependen del tipo de los materiales con los que se trabaje en cada caso. Los suelos puramente friccionantes como la arena se compactan eficientemente por métodos vibratorios y métodos estáticos; en cambio los suelos plásticos, el procedimiento de carga estática resulta el más ventajoso. Los métodos más usados para determinar la densidad máxima y humedad óptima en trabajos de mantenimiento y construcción de carreteras son los siguientes: a) Proctor estándar b) Proctor modificado c) Prueba estática Si un suelo cuya humedad es baja se le va dando ciertos incrementos a su contenido de agua y se le aplica cada vez la misma energía de compactación, su peso volumétrico va aumentando, propiciado por la acción lubricante del agua, hasta que llega un momento en el que el peso del material seco, calculado a partir del peso volumétrico del material húmedo y de la humedad, alcanza un valor máximo. Al contenido de agua con el que se obtiene el mejor acomodo de partículas y el mayor peso volumétrico o especifico del material seco, para una determinada energía de compactación, se le denomina humedad óptima ya al peso volumétrico correspondiente se le designa como peso volumétrico o peso específico seco máximo. Diseño y Construc. de Pavimentos Práctica de Laboratorio Yescas González Carlos Enrique IC-A Objetivo --Determinar el peso volumétrico seco máximo que alcanza un material y la humedad optima a la que deberá hacerse la compactación por medio de la prueba PROCTOR estándar. --Obtención del valor Energía de compactación. --Obtener una gráfica del comportamiento o variación de los pesos volumétricos seco máximo para su evaluación. Equipo y material. *Molde cilíndrico con un collarín de igual diámetro. *Pisón metálico acoplado con una guía metálica tubular de 30 cm y un peso aprox. de 2 1/2kg. *Bascula *Parrilla *2 Probetas *Charola metálica *Cucharon *Aceite *Brocha *Vidrio de reloj *Enrasador *Muestra de Suelo Figura 1. Instrumentos: Molde con collarín y pisón. Procedimiento Peso Volumétrico Seco Máximo y Humedad Óptima 1.- El material que pasa la malla N°4 será el ocupado para la realización de esta práctica, tomando como muestra una porción representativa de 3 kg. A la cual, se le agregara la cantidad de agua necesaria para que una vez homogeneizada, tenga un contenido de agua inferior en 4 a 6 % respecto al óptimo estimado. En este caso se le agrego 150 cm3 de agua, utilizando una probeta para su medición respectiva. Figura 2. Material siendo humedecido con 150 cm3 de agua. 2.- Teniendo la muestra de 3 kg con la humedad inicial de 150 cm3 se prosiguió a aplicar aceite con la brocha a toda la capa interior del molde, esto con el fin de que al introducir parte de la muestra de suelo esta no se adhiera a las paredes del molde. El llenado Diseño y Construc. de Pavimentos Práctica de Laboratorio Yescas González Carlos Enrique IC-A del molde y el collarín se dará en 3 capas o fases. Se aplican 25 golpes con el pisón repartiendo uniformemente los golpes en la superficie de la capa, a una altura de caída libre de 30 cm, repitiendo el procedimiento para las capas subsecuentes. 3.- Terminada la compactación de todas las capas se retira el collarín del molde y se verifica que el material sobresalga ligeramente por arriba del cilindro, un espesor promedio de 1 cm como máximo. Se enrasa cuidadosamente el molde y se pesa, registrándolo como: Peso del molde + Suelo húmedo. 4.- Se saca el material del molde con ayuda de una prensa mecánica y del Figura 4. Collarín retirado y material corazón del material se toma una en estado previo a enrasarse. muestra, se pesa y se registra como: Peso húmedo + Recipiente. Esta muestra es secada en la parrilla para determinar el contenido de humedad, comprobando su secado total con el vidrio de reloj, finalmente se pesa y se registra como: Peso seco + Recipiente. Este material ya seco se coloca como “deshecho” debido a que ya no es utilizable para la continuación de la práctica. Figura 3. Compactando el material con el pisón. 5.- Se reintegra al resto del material que se encuentra en la charola, se disgrega hasta dejarlo como estaba inicialmente. Se hace el incremento de agua, que es en un 2% con respecto al peso inicial de la muestra (3000 gr) por lo que la cantidad de agua a agregar es de 60 cm3 de agua. Se distribuye la humedad en forma homogénea y se repite todo el procedimiento, desde el proceso del engrasado del molde, como se describió anteriormente a partir del paso 3. Figura 6. Secado de la muestra obtenida del material compactado Diseño y Construc. de Pavimentos 6.- Sucesivamente se repite el proceso incrementando sucesivamente su contenido de agua, de 60 cm3 cada vez, hasta que dicho contenido sea tal que dos especímenes evaluados presenten una disminución Figura 5. Pinza mecánica utilizada apreciable en su peso para extraer el cilindro de muestra. volumétrico seco máximo con respecto al anterior. Dando como terminada la práctica. Práctica de Laboratorio Yescas González Carlos Enrique IC-A 7. Se obtienen los cálculos del registro de la siguiente forma: -Peso del suelo húmedo (Material compactado): Wm= (Peso del molde + Suelo húmedo) – (Peso del molde) -Peso volumétrico en kg/m3 : (𝛾𝑚) = 𝑊𝑚 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑙𝑑𝑒 (𝑉) -Peso del agua: Ww = (Peso del recipiente + Suelo húmedo) – (Peso del recipiente + suelo seco) -Peso del suelo seco (Muestra): Ws = (Peso de capsula + Suelo seco) – (Peso del recipiente) -Contenido de agua (W) = 𝑊𝑤 𝑋 100 𝑊𝑠 -Peso volumétrico seco (𝛾𝑑) = 𝛾𝑚 𝑊 1+ 100 -Energía de compactación 𝐸. 𝐶. = (𝑁° 𝑑𝑒 𝑔𝑜𝑙𝑝𝑒𝑠)(𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑠)(𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑜𝑛)(𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑜𝑛) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑙𝑑𝑒 (𝑉) Diseño y Construc. de Pavimentos Práctica de Laboratorio Yescas González Carlos Enrique IC-A Conclusión Se buscó obtener el peso volumétrico seco máximo esta práctica basándonos también en el cálculo de la humedad óptima por la prueba Porter Estándar para ello. Esta prueba se aplica en suelos con partículas gruesas, las cuales se emplean en la construcción de terracerías. La principal finalidad de la prueba es conocer la humedad necesaria en la que un suelo puede llegar a compactarse en su mayor capacidad, y con esto tener una herramienta muy útil al momento de diseñar obras que involucren la realización de caminos, es decir, de alguna terracería. La humedad que genera mayor peso volumétrico es la que permite la mayor compactación del material y se le conoce como humedad óptima de compactación, de ahí deriva la importancia de esta práctica. Al conocer los resultados, se tiene una nueva manera de obtener el mejor aprovechamiento de nuestro suelo a utilizar, así como su mejor comportamiento. Concluyendo, después de la realización de la gráfica se obtuvieron los valores de Peso volumétrico seco máximo y la humedad optima, siendo estos: PVSM Humedad optima 1839 kg/m3 15.0 % La energía de compactación: Energía de compactación Diseño y Construc. de Pavimentos 5.9211 kg/m2 Práctica de Laboratorio Yescas González Carlos Enrique IC-A Bibliografía Manual de prácticas de laboratorio de concretos. http://fing.uach.mx/licenciaturas/IC/2012/01/26/MANUAL_LAB_DE_CONCRETO.pdf Pruebas de laboratorio. http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/sanchez_r_se/capitulo4.pdf Estructura del suelo http://www.bdigital.unal.edu.co/1864/4/cap3.pdf Mecánica de suelos. http://delegacion.caminos.upm.es/apuntes/ICCP/4_cuarto/Geotecnia/MECANICADElSUELO-1.pdf Peso volumétrico seco máximo http://www3.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/TamizT3.htm Mecánica de suelos. http://delegacion.caminos.upm.es/apuntes/ICCP/4_cuarto/Geotecnia/MECANICADElSUELO-1.pdf Determinación de la compactación del suelo http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/prado_m_jj/capitulo3.pdf Diseño y Construc. de Pavimentos Práctica de Laboratorio Yescas González Carlos Enrique IC-A Datos y Cálculos Material compactado (grs) Molde + Material 3720 3763 3808 3883 3952 3961 3923 Muestra (grs) P. Húmedo + Rec. P. Seco + Rec. 150.9 146.4 140.7 136.4 141.9 136.6 149.8 143.0 138.1 131.6 134.7 128.0 138.0 130.6 En la tabla 1 se muestran todos los valores obtenidos con ayuda de la báscula sobre el peso de las muestras, como puede notarse estos incluyen el peso del recipiente donde fueron medidos. La tabla 2 muestra el peso de estos recipientes y la tabla 3 marca todos los valores calculados con las formulas anteriormente especificadas. P. Molde (grs) V. Molde (lts) 1980 0.95 Recipiente (grs) 85.3 Tabla 2. Pesos de los recipientes. Tabla 1. Pesos obtenidos en la práctica. Punto Cm3 agua 1 2 3 4 5 6 7 150 210 270 330 390 450 510 Material compactado (grs) Molde + Material P. del Material P. Vol. Hum. 3720 1740 1831.58 3763 1783 1876.84 3808 1828 1924.21 3883 1903 2003.16 3952 1972 2075.79 3961 1981 2085.26 3923 1943 2045.26 P. Húmedo + Rec. 150.9 140.7 141.9 149.8 138.1 134.7 138.0 Muestra (grs) P. Húmedo P. Seco + Rec. 65.6 146.4 55.4 136.4 56.6 136.6 64.5 143.0 52.8 131.6 49.4 128.0 52.7 130.6 P. Seco 61.1 51.1 51.3 57.7 46.3 42.7 45.3 Tabla 3. Calculo del PES. Diseño y Construc. de Pavimentos Práctica de Laboratorio Yescas González Carlos Enrique IC-A %W 7.36 8.41 10.33 11.79 14.04 15.69 16.34 PES (kg/m3) 1706 1731 1744 1792 1820 1802 1758 -Energía de compactación 𝐸. 𝐶. = (𝑁° 𝑑𝑒 𝑔𝑜𝑙𝑝𝑒𝑠)(𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑠)(𝑎𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑜𝑛)(𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑖𝑠𝑜𝑛) 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑙𝑑𝑒 (𝑉) 𝐸. 𝐶. = (25)(3)(30 𝑐𝑚)(2.5 𝑘𝑔) = 5.9211 𝑘𝑔 𝑐𝑚/𝑐𝑚3 950 𝑐𝑚3 Resultados Dejando de lado los cálculos, a continuación se muestran solamente, de cada punto, los Pesos volumétricos secos máximos y su respectiva humedad, así como también se muestra una gráfica con los PES (Pesos específicos secos) representados. Esta grafica es meramente simbólica para representar el cambio en el Peso volumétrico debido a que no cuenta con una escala adecuada en el eje X y por lo tanto no es posible su utilización para el cálculo del Peso volumétrico seo máximo. Esa grafica se presentara a continuación. Se calculó la energía de compactación dando como resultado de la formula el valor anteriormente calculado en esta misma página, el cual fue de 5.9211 kg/m2. Punto %W 1 2 3 4 5 6 7 7.36 8.41 10.33 11.79 14.04 15.69 16.34 PES kg/m3 1706 1731 1744 1792 1820 1802 1758 Tabla 4. Resumen de los PES. 1840 1820 1800 1780 1760 1740 1720 1700 1680 1660 1640 7.36 8.41 10.33 11.79 14.04 15.69 16.34 Grafica 1. Representación de los pesos específicos secos. Diseño y Construc. de Pavimentos Práctica de Laboratorio Yescas González Carlos Enrique IC-A
