PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO 1

Prueba de compactación: Proctor modificado

Juan G. Valenciano Mora

Instituto Tecnológico de Costa Rica

PRUEBA DE COMPACTACIÓN: PROCTOR MODIFICADO

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Resumen

Se muestra los resultados de la pruebas de laboratorio sobre preparación de muestras y ensayo de

compactación: Proctor modificado”. Se definen conceptos necesarios sobre los diferentes

términos a utilizar para cada método. Utilizándose las normas ASTM D-698 y ASTM D-1557 en

cuanto a procedimientos y materiales.

Se preparó cinco muestras de material, en cada espécimen por compactar según el procedimiento

D descrito en la norma ASTM D-1557. Se agregó diferentes cantidades de agua a cada uno de

los especímenes y luego se compactó según el método del proctor modificado.

Se construyó la curva de compactación de la muestra de suelo estudiado, se obtuvo que el

contenido óptimo de agua (wópt) es de un 9,91%, correspondiendo a un peso especifico seco

máximo de 2,34 g/cm3. Además, se trazó la curva de cero vacíos de aire o curva de saturación

total. Palabras clave: contenido de humedad óptimo, proctor modificado, curva de cero

contenido de aire .

Introducción

Según Das 2006, el suelo en un sitio de construcción no siempre está totalmente

adecuado para soportar estructuras como edificios, puentes, carreteras y presas. Algunas veces,

las capas superiores del suelo no son adecuadas y deben retirarse y reemplazarse con mejor

material para su construcción. Cuando existen grandes asentamientos por consolidación se

requieren entonces procedimientos especiales de mejoramiento de suelo para minimizar los

asentamientos.

Conocer el contenido de humedad óptimo para que el suelo alcance la máxima

compactación es fundamental pues permite establecer parámetros de referencia en el momento

de preparar el terreno para el soporte de determinada obra. Con la prueba Proctor modificada se

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pretende reproducir, al menos teóricamente, las condiciones de compactación dadas en el terreno

con el fin de estudiar y analizar las propiedades del mismo.

Algunos de los efectos de la compactación del suelo según Fournier 2011 son: una mayor

densidad implicando una mayor densificación del suelo, reducción de la permeabilidad, los

asentamientos, la contracción y la erosión, cuenta además con una mayor resistencia al cortante,

lo que sugiere una mayor capacidad de carga y una mayor estabilidad del suelo.

Marco conceptual

Compactación de suelos

"La compactación es la densificación del suelo por remoción de aire, lo que requiere

energía mecánica. El grado de compactación de un suelo se mide en términos de su peso

específico seco. Cuando se agrega agua al suelo durante la compactación, esta actúa como agente

ablandador de las partículas del suelo, que hacen que se deslicen entre sí y se muevan a una

posición de empaque más denso. El peso específico seco después de la compactación se

incrementa primero conforme aumenta el contenido de agua." (Das, 2001)

"Más allá de un cierto contenido de humedad, cualquier aumento en el contenido de agua

tiende a reducir el peso específico seco, debido a que el agua toma los espacios que podrían

haber sido ocupados por las partículas sólidas. El contenido de agua bajo el cual se alcanza el

máximo peso específico seco (γd máx) se le llama contenido de agua óptimo (wópt)." (Das, 2001)

Las pruebas de laboratorio usadas generalmente para obtener el peso específico seco

máximo de compactación y el contenido de agua óptimo son: Proctor estándar y Proctor

modificado, especificadas respectivamente en las normas ASTM D-698 y ASTM D-1557.

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Prueba de Proctor estándar

Las especificaciones para la prueba Proctor estándar se muestran en el Cuadro 2 del

Anexo 1.

"El suelo se mezcla con cantidades variables de agua y luego se compacta en tres capas

iguales por medio de un pistón que transmite 25 golpes a cada capa. el pistón pesa 24,4 N y tiene

una altura de caída de 304,8 mm". (Das, 2001) En cada determinación, se obtiene el contenido de

agua y el peso específico seco, se grafican los puntos para obtener el peso específico seco

máximo y el contenido de agua óptimo. Esta gráfica se llama "curva de compactación".

"Para un contenido de agua dado, el peso específico seco máximo teórico se obtiene

cuando no existe aire en los espacios vacíos, es decir, cuando el grado de saturación es 100%."

(Das, 2001). Para obtener la variación del peso específico seco con contenido de aire igual a

cero se usan distintos valores de contenido de agua y la Ecuación 1. Esta variación recibe el

nombre de "curva de ceros vacíos".

γ

γ

s

( c ación

"Bajo ninguna circunstancia, alguna parte de la curva de compactación debe encontrarse a

la derecha de la curva de cero vacíos de aire". (Das, 2001)

Prueba de Proctor modificado

Algunas especificaciones para la prueba se muestran en el siguiente cuadro:

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Cuadro 1. Especificaciones para la prueba Proctor modificada.

Fuente: Tabla 3.3. Especificaciones para la prueba de Proctor modificado (basadas en la ASTM

D-1557). (Das, 2001)

Según Das la diferencia fundamental con el Proctor estándar es que el Proctor modificado

"representa mejor las condiciones de campo". Con los mismos volúmenes de los moldes, un

pistón de 44,5 N que cae una altura de 457,2 mm, compactando un total de 5 capas con 56

golpes, dependiendo del método que se utilice.

“Debido a q e incrementa el esf er o de compactación, la pr eba Proctor modificada

resulta en un incremento del peso específico seco máximo acompañado de un decremento del

contenido de ag a óptimo”. (Das, 2001)

Factores que afectan la compactación

Según Das, existen otros factores, además del contenido de agua, que afectan la

compactación como el tipo de suelo y el esfuerzo de compactación.

El tipo de suelo haciendo referencia a "su distribución granulométrica, la forma de los

granos del suelo, la densidad de sólidos del suelo y la cantidad y tipo de materiales arcillosos

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presentes, tiene una gran influencia en el peso específico seco máximo y el contenido de agua

óptimo”. (Das, 200

El esfuerzo de compactación "es la energía de compactación por volumen unitario de

suelo" (Das, 2001). Aplicando una mayor energía de compactación, resulta un incremento del

peso especifico seco máximo del suelo; implicando un decrecimiento del contenido de agua. Ver

Anexo 2.

Objetivos

1. Objetivo general

1.1. Determinar el contenido de humedad óptimo y el peso específico seco máximo de una

muestra de suelo con la prueba Proctor modificada.

2. Objetivos específicos

2.1. Preparar las muestras necesarias para el ensayo a realizar.

2.2. Obtener la curva de compactación del suelo.

2.3. Determinar la curva de cero vacíos de aire.

Métodos y Materiales

Todo el equipo utilizado en cada ensayo es conforme las normas ASTM D-698 y ASTM

D-1557.

Reducción de muestras para ensayo de compactación

Equipo

a. Pala, cucharon de bordes rectos y bandejas.

b. Una manta de lona de aproximadamente 2 x 2.5 m.

c. Tamices 2", 3/4" y #4.

d. Balanzas.

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Procedimiento

Colocar la muestra sobre una superficie plana, dura y limpia, homogenizar el material y

acomodar en una pila cónica, ejercer presión sobre el vértice al aplanar la pila con la pala hasta

que obtener un espesor y un diámetro uniformes, dividir la pila aplanada en cuatro partes iguales

con la pala, mezclar y homogenizar el material restante. Cuartear sucesivamente hasta reducir la

muestra al tamaño requerido para las pruebas. Utili ar las mallas de 2”, 3/4" y #4 para separar el

material. Pesar el material pasando la malla de 2” y es retenido en la de 3/4", luego la que pasa la

3/4" y es retenida en la #4 y también pesar el material pasando la #4. Determinar el peso total del

suelo y obtener los porcentajes que representan el suelo fino y grueso. Multiplicar estos

porcentajes por 7,5 kg, para saber el peso que se requiere tanto del suelo grueso como el fino.

Llenar 10 bolsas plásticas (10 de gruesos y 10 de finos) del peso obtenido y almacenar en un

estante.

Ensayo de Compactación

Equipo

a. Mazo Proctor: Con un peso de 4,5 kg.

b. Molde cilíndrico: Con un volumen de 2124 cm³.

c. Balanzas, cucharas, probeta, bandejas y contenedores.

d. Horno, guantes y prensa hidráulica.

Procedimiento

Tomar una bolsa de cada tipo de suelo y mezclar en una bandeja. Agregar cierta cantidad

de agua a la muestra, anotar esa cantidad y homogenizar. Determinar el peso del molde con una

balanza. Llenar el molde con una porción de suelo para tener la primera capa y aplicar 56 golpes

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con el mazo, llenar hasta tener 5 capas de suelo compactadas. Remover el collarín del molde

cilíndrico para poder enrasar el suelo que sobresale el molde, pesar el molde junto con el suelo.

Obtener el peso especifico masivo (γm) y el peso especifico seco del suelo (γd). Repetir el

procedimiento para cuatro muestras de manera que la variación de agua presente en cada una sea

de un 2,5% de la utilizada la primera vez. Determinar la masa de un recipiente y tomar una

porción de la muestra húmeda, determinar y anotar su peso usando una balanza. Colocar el

material húmedo en el horno y secar a temperatura constante. Retirar el recipiente del horno y

permitir que se enfríe a temperatura ambiente. Determinar el peso del contenedor y el material

seco. Calcular el porcentaje de humedad.

Resultados

Tabla 1. Reducción del material a utilizar en las pruebas de laboratorio.

Descripción Peso (kg) Peso relativo (%) Peso acumulado(%)

Pas. 2” y ret. ¾” 48 31,8 31,8

Pas. ¾” y ret. #4 54 35,8 67,7

Pas. #4 48,75 32,3 100

Total 150,8 100 -

Fuente: Datos de laboratorio 30 de marzo 2012.

Tabla 2. Peso del material a utilizar en la prueba de Proctor modificado

Tipo de muestra Porcentaje (%) Peso (g)

Grueso 67,7 5077,0

Fina 32,3 2423,0

Total 100,0 7.500,0

Fuente: Datos de laboratorio 30 de marzo 2012.

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Tabla 3. Datos experimentales para obtener la curva de compactación y la de cero vacíos.

w (%) γd (g/cm3) γd Av= 0% (g/cm

3)

7,70 2,07 2,30

9,91 2,13 2,19

11,21 2,08 2,13

14,23 1,98 2,00

Fuente: Datos de la Tabla 4 y Tabla 5. (Apéndice 1)

Gráfico 1. Resultados de la prueba de compactación Proctor modificado para la muestra

estudiada en el laboratorio.

Fuente: Datos de Tabla 3.

Análisis de resultados

Se puede observar en la Tabla 1 que el suelo con que se trabajó presenta un 32,3% de

material fino y un 67,7% de gruesos, en su mayoría de gruesos. Según la Tabla 2, se obtiene la

cantidad de material grueso y fino para realizar la prueba del Proctor. Se puede tener una idea

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

2,4

7 8 9 10 11 12 13 14 15

γd (

g/c

m3)

w (%)

Curva

Av

0%

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sobre la forma en que se podrá dar la compactación, pues al presentar más gruesos la reducción

de vacíos se puede dar la fragmentación del material o por la flexión de las partículas y sus capas

absorbidas.

En el Gráfico 1, se observa que la curva de compactación tiene un comportamiento de

campana y está por debajo de la curva de saturación total, lo cual no representa anomalía; en la

práctica es una buena representación en cuanto a un suelo con estas características en el campo;

sin embargo, las pruebas en campo no siempre se comportan igual que las realizadas en el

laboratorio y que se deben hacer correcciones, es útil para tomar una decisión para mejora de

condiciones del terreno que se pretende trabajar.

Un factor importante en la compactación es el agua, esta lubrica en cierta medida las

partículas del suelo y permite el reacomodo de las mismas, según muestran los datos obtenidos

de las Tablas 3 y 4 y la Grafica 1, hasta un contenido de agua que permite que el suelo alcance su

mayor grado de densificación; de lo contrario provoca una separación de las partículas pues esta

rellena los espacios vacios y además separa dichas partículas.

El error pudo estar presente debido a la poca experiencia de los estudiantes que afecta

aspectos importantes por considerar como la altura de caída del mazo, la posición vertical del

mismo, la aplicación uniforme de energía de compactación, velocidad o ritmo de aplicación de

los golpes, pérdida del material y posible absorción de humedad durante el periodo de

enfriamiento después de retirar las muestras del horno. Así como, el asumir un valor para el Gs

en la Ecuación 1, de tablas, en lugar de determinarlo con una prueba de la laboratorio y ser más

precisos..

En la gráfica se presenta también la curva de saturación total que está al lado derecho de

la curva de compactación y tiene un comportamiento lineal, es teórica pues no es posible lograr

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en campo está condición, pues resulta difícil controlar la humedad durante la construcción se

recomienda regularla luego mediante sistemas de drenaje y por supuesto diseñar para esta

condición (S = 100%).

Conclusiones

El peso de material grueso para realizar un punto del proctor es de 5077 g.

El peso de material fino para realizar un punto del proctor es de 2423 g.

El contenido óptimo de humedad para la muestra de suelo es de 9,91%.

El peso específico seco máximo es de 2,34 g/cm3.

Bibliografía

Anual Book of American Society for Testing and Materials Standars. 2005. Standard Test

Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products1. ASTM D-698,

ASTM C-702, ASTM D-1557 [Disco Compacto] Philadelphia: ASTM.

Das, B. (2001). Fundamentos de ingeniería geotécnica. (I. Bernal Carreño, Trad.) D.F., México:

Thomson Learning.

Das, B. (2006). Principios de ingeniería de cimentaciones. (I. Bernal Carreño, Trad.) D.F.,

México: CENGAGE Learning.

Fournier Z., Rolando. Apuntes de Mecánica de Suelos I. (2011). Instituto Tecnológico de Costa

Rica. Cartago, Costa Rica.

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Apéndices

Apéndice 1. Tablas de datos y cálculos de laboratorio.

Tabla 4. Determinación del peso específico masivo (γm), peso específico seco (γd) y peso

específico de cero vacíos de aire (γd Av= 0%) de cada punto realizado.

Punto

Agua

agregada

(ml)

Peso

molde

(g)

Peso suelo

+ molde

(g)

Peso suelo

(g)

γm 1

(g/cm3)

γd 2

(g/cm3)

γd Av= 0%3

(g/cm3)

1 120 6.580,0 11.326,0 4.746,0 2,23 2,07 2,30

2 310 6.580,0 11.558,0 4.978,0 2,34 2,13 2,19

3 500 6.580,0 11.484,0 4.904,0 2,31 2,08 2,13

4 690 6.580,0 11.392,0 4.812,0 2,27 1,98 2,00

Fuente: Datos de laboratorio 13 de abril 2012.

Nota: el valor de Gs = 2,80 y el Vm = 2124 cm3 .

1 Fórmula para el cálculo del peso específico masivo (γm): γ

m

m

m

2 Fórmula para el cálculo del peso específico seco (γd): γ

d

γm

3 Calculado con la Ecuación 1

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Tabla 5. Datos experimentales para la determinación el contenido de humedad de cada punto

realizado

#

Peso de

bandeja (g)

Peso total +

bandeja (g)

Peso seco +

bandeja (g)

Peso seco

(g)

Peso de agua

(g)

Contenido

humedad1

(%)

20 134,18 1050,40 984,90 850,72 65,50 7,70%

9 110,91 1127,20 1035,60 924,69 91,60 9,91%

202 109,47 1072,70 975,60 866,13 97,10 11,21%

15 111,29 1213,70 1076,40 965,11 137,30 14,23%

Fuente: Datos de laboratorio 13 de abril 2012.

1 Fórmula para el cálculo de la humedad

s 00

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Anexos

Anexo 1. Especificaciones para Proctor estándar.

Cuadro 2. Especificaciones para la prueba Proctor estándar.

Fuente: Tabla 3.2. Especificaciones para la prueba de Proctor estándar (basadas en la ASTM D-

698). (Das, 2001)

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Anexo 2. Efecto de la compactación de los suelos

Gráfico 1. Efecto de la energía de compactación sobre la compactación de una arcilla.

Fuente: Figura 3.7. Efecto de la energía de compactación sobre la compactación de una arcilla

arenosa. (Das, 2001)