Guía de laboratorio: Compactación Proctor

Introducción

La compactación del suelo es un proceso que busca reducir el volumen de vacíos en un material para mejorar sus propiedades mecánicas. Uno de los métodos utilizados para evaluar la compactabilidad de un suelo es la prueba Proctor, que permite determinar la densidad seca máxima y el contenido óptimo de humedad necesarios para alcanzar una compactación eficiente.

Este ensayo, desarrollado por Ralph R. Proctor en la década de 1930, se basa en aplicar una energía estándar al suelo en laboratorio y medir cómo varía su densidad en función del contenido de agua. A partir de estos datos, se obtiene la curva de compactación, utilizada en el diseño y control de obras de terraplén, carreteras, cimentaciones y presas.

Compactación Proctor

El ensayo Proctor es un método de laboratorio utilizado para determinar la densidad seca máxima y el contenido óptimo de humedad de un suelo bajo una compactación controlada. Fue desarrollado en 1933 por Ralph R. Proctor y se basa en la aplicación de una energía específica mediante golpes de un martillo sobre el suelo contenido en un molde, permitiendo analizar la relación entre el contenido de agua y la densidad alcanzada. A medida que se incrementa la humedad, el agua actúa como lubricante, facilitando el reacomodo de las partículas y aumentando la densidad hasta alcanzar un punto máximo. A partir de este punto, el exceso de agua empieza a ocupar los vacíos del suelo, reduciendo la densidad seca.

Existen dos variantes principales del ensayo. El Proctor estándar, que aplica una menor energía de compactación, y el Proctor modificado, que utiliza un martillo más pesado y una mayor altura de caída para simular condiciones de carga más exigentes. La elección entre ambos depende del tipo de proyecto y las especificaciones de diseño. Factores como el tipo de suelo, el contenido de humedad y la energía de compactación influyen en los resultados, haciendo de este ensayo una herramienta clave en el control de calidad de terraplenes, cimentaciones y pavimentos.

Instrumentos

A continuación se detallan los instrumentos necesarios para realizar el ensayo de compactación Proctor:

• Balanza con capacidad mínima de 10 kg y precisión de 1 g para medir la masa de las muestras compactadas en el molde.

• Molde de 101.6 mm (4 in) o 152.4 mm (6 in) de diámetro, según la granulometría del material. Las dimensiones exactas son 101.6 ± 0.4 mm de diámetro y 116.4 ± 0.5 mm de altura, o 152.4 ± 0.7 mm de diámetro y 116.4 ± 0.5 mm de altura. Debe incluirse la base y el collar correspondientes.

• Base rígida con un peso mínimo de 100 kg o aproximadamente 200 lbf, equipada con sujetadores para fijar el molde.

• Martillo de impacto con una fuerza de 24.47 ± 0.09 N (5.50 ± 0.02 lbf) y una altura de caída de 304.8 ± 1 mm (12 ± 0.05 in). Su masa al nivel del mar es de 2.495 ± 0.023 kg. También se puede emplear un compactador mecánico automatizado que cumpla con la norma D698.

• Calibrador con precisión de 0.02 mm para mediciones detalladas.

• Tamiz para separar partículas grandes en caso de que el material contenga fracciones de mayor tamaño.

• Espátula o cuchillo para manipular las muestras.

• Regla metálica o borde recto para nivelar el material.

• Dispositivo de extracción para retirar las muestras del molde si es necesario.

• Herramientas para mezclar y dividir las muestras de suelo.

• Equipos para determinar la humedad del suelo, incluyendo un horno de secado con ventilación forzada, un desecador, una balanza y recipientes específicos para medir la humedad.

Procedimiento

1. Armar el molde y asegurarlo firmemente sobre una base sólida o en el suelo.

2. Compactar la muestra en tres capas de igual espesor, aplicando 25 golpes en cada una.

3. Antes de añadir la segunda y tercera capa, raspar la superficie de la capa anterior con un cuchillo hasta una profundidad aproximada de 3 mm.

4. La capa final debe llenar completamente el molde sin sobresalir más de 6 mm. Si esta condición no se cumple, el ensayo no será válido.

5. Aplicar los golpes del martillo siguiendo el patrón recomendado, según corresponda, para distribuir la energía de manera uniforme.
   

6. Retirar el collar de compactación y verificar que la superficie del suelo no esté demasiado elevada. Debe sobresalir del molde, pero no superar los 6 mm (0.25 in).

7. Nivelar la superficie con un cuchillo, utilizando la parte superior del molde como referencia. Es fundamental que el filo del cuchillo esté recto, ya que una superficie curva puede generar errores significativos en el cálculo de la densidad seca.

8. Medir la masa total de la muestra junto con el molde.
   

9. Extraer la muestra del molde, empleando un gato hidráulico si es necesario.

10. Tomar una muestra representativa para determinar la humedad, cortando una porción en forma de cuña que atraviese toda la muestra.

Cálculos

1. Determinar la densidad total en cada punto.

2. Calcular el contenido de agua de moldeo en cada punto a partir de la muestra tomada después de la compactación. No utilizar el valor previamente estimado. Si hay presencia de material de gran tamaño, ajustar el contenido de agua con la siguiente ecuación:

Donde:

• $F$ es la fracción de finos de la muestra $=\frac{M_{m}}{M_{m} + M_s}$, siendo $M_{m}$ la masa de los finos y $M_{s}$ la masa de los gruesos. Esto se obtiene de la curva granulométrica.
• $\omega_{cf}$ es el contenido de agua corregido (%).
• $\omega_{cs}$ es el contenido de agua del material grueso (%).
• $\omega_{cm}$ es el contenido de agua del material de prueba.

3. Obtener la densidad seca en cada punto.

En caso de incluir material de gran tamaño, determinar su contenido de agua y gravedad específica para luego calcular la densidad seca corregida mediante la

4. Representar gráficamente la relación entre la densidad seca y el contenido de agua de moldeo para cada punto en la curva de compactación. Si hay material de gran tamaño, graficar también los puntos corregidos y diferenciarlos de los originales.

5. Calcular las líneas de saturación al 80 %, 90 % y 100 %, y añadirlas a la curva de compactación.

6. Trazar la línea de mejor ajuste a partir de los puntos de compactación y determinar tanto la densidad seca máxima como el contenido óptimo de agua.

Reporte

Debes reportar la densidad seca máxima y el contenido óptimo de agua, tanto sin corregir como corregidos, especificando el método que utilizaste para obtener estos valores. Asegúrate de incluir las hojas de datos originales, un gráfico de la curva de compactación ($\rho_d$ vs. $\omega_C$) y las líneas de saturación al 80 %, 90 % y 100 %.

Referencias

• Germaine, J. T., & Germaine, A. V. (2009). Geotechnical laboratory measurements for engineers.