Cómo realizar ensayo densidad en el sitio

Este ensayo nos sirve para determinar la densidad del suelo con una forma indirecta de obtener el volumen del agujero en el campo, utilizando arena estandarizada compuesta por unas partículas cuarzosas no cementadas con una granulometría redondeada, la cual está comprendida entre las mallas No. 10 ASTM (2.0 mm) y la malla No. 35 ASTM (0.5 mm) de las cuales se mencionan más adelante en el procedimiento.

En muchos trabajos de pavimentos es necesario realizar ensayos para controlar la densidad seca de cada capa que se va compactando y en este caso se utiliza el ensayo de cono de arena para obtener la densidad in situ y compararla con la máxima densidad seca obtenida en el laboratorio.

El cálculo de densidad en sitio se hace generalmente usando el método del cono de arena. Los pasos básicos son:

• Preparación del terreno: Limpia y nivela la superficie donde se realizará la prueba.
• Colocación del cono: Pon el cono de arena sobre la superficie y llénalo de arena.
• Liberación de arena: Abre la compuerta para que la arena llene el hueco en el terreno.
• Medición: Pesa la cantidad de arena que quedó en el cono.
• Cálculo de volumen: Usa la fórmula V = Peso de arena / Densidad de arena.
• Cálculo de densidad en sitio: Densidad en sitio = Peso del suelo / Volumen.

Norma ASTM para determinar la densidad del suelo

La norma ASTM D 7263 “Standard Test Methods for Laboratory Determination of Density (Unit Weight) of Soil Specimens” describe los métodos de prueba para determinar la densidad de muestras de suelo en un laboratorio.

La norma ASTM D 7263 incluye varios métodos para determinar la densidad del suelo, como el método del frasco de arena, el método de la bandeja y el método del cono de arena. Todos estos métodos implican la determinación de la masa del suelo y el volumen que ocupa en el recipiente de prueba para calcular su densidad.

El método del frasco de arena implica llenar un frasco graduado con una cantidad medida de arena seca y compactar el suelo en el frasco en capas. La diferencia entre el volumen original de la arena y el volumen ocupado por la arena y el suelo compactados se utiliza para calcular la densidad del suelo.

El método de la bandeja implica colocar una muestra medida de suelo en una bandeja y medir su volumen después de llenar la bandeja con agua. La diferencia entre el volumen de la bandeja y el volumen de agua necesario para llenarla se utiliza para calcular la densidad del suelo.

El método del cono de arena implica llenar un cono de arena con una cantidad medida de suelo y compactar el suelo en el cono en capas. La diferencia entre el volumen original del cono de arena y el volumen ocupado por la arena y el suelo compactados se utiliza para calcular la densidad del suelo.

Es importante seguir las recomendaciones de la norma ASTM D 7263 y realizar las pruebas de acuerdo con los procedimientos estandarizados para obtener resultados precisos y confiables de la densidad del suelo.

Métodos para determinar el peso específico en el campo, después de compactar el suelo

Cuando se está compactando es conveniente saber si el peso volumétrico específico se está logrando a lo estipulado o no. Generalmente por su facilidad y confiabilidad se utilizan estos tres métodos para determinar el peso específico en campo:

• Método del cono de arena.
• Método el globo de hule.
• Método nuclear.

Breve explicación del método del cono de arena D-1556 de la ASTM

Para este método se utiliza lo siguiente:

• Recipiente de vidrio o plástico.
• Cono de metal unido a la parte superior del recipiente.

Procedimiento simplificado

• Llenar el recipiente con arena Ottawa seca y muy uniforme.
• Determinar el peso del envase, del cono y de la arena que llena el recipiente W1.
• Excavar en campo un pequeño agujero, en el suelo donde fue compactado, una pequeña área.
• Si el peso del suelo húmedo excavado del agujero W2 se determina y se conoce el contenido de agua del suelo excavado, el peso seco del suelo W3 se obtiene con la fórmula indicada a continuación.

Donde:

• w: Contenido de agua.
• W2: Peso del suelo húmedo excavado del suelo.
• W3: Peso seco del suelo.
• W4: Peso del recipiente, el cono y la arena Ottawa restante en el envase.
• W5: Peso de la arena para llenar el agujero y el cono.

W3=W2/(1+w(%)/100)

• Después de excavar el suelo, el cono con el recipiente se voltea y se coloca en el agujero excavado.
• Se deja que la arena fluya libremente del envase al agujero.
• Cuando se llena el agujero se determina el peso del recipiente, el cono y la arena Ottawa restante en el envase W4.

Peso de la arena para llenar el agujero y el cono:

W5 = W1 = W4

Ahora se determina volumen del agujero excavado:

V = (W5–Wc)/rd(arena)

Donde:

• V: Volumen del agujero excavado.
• Wc: Peso de la arena para llenar únicamente el cono.
• rd(arena): Peso específico seco de la arena Ottawa usada.
• W5: Peso de la arena para llenar el cono y el agujero.
• Wc y rd(arena) son determinados y calibrados en laboratorio.

Ahora se determina el peso específico seco de la compactación realizada en campo:

rd = W3/V

Donde:

rd: peso específico seco.

W3: peso seco del suelo excavado del agujero.

V: volumen del agujero.

rd = W3/V

Objetivo del cono de arena

• Determinar la densidad seca y la humedad de un suelo compactado y verificar el grado de compactación en el campo.

Luego debemos comparar los valores de las densidades seca y humedad para obtener un control de compactación, el cual es conocido como grado de compactación, definido como:

La relación en porcentaje entre la densidad seca obtenida por los datos obtenidos en el campo y la densidad máxima correspondiente a la prueba realizada en el laboratorio.

¿Cómo determinamos el grado de compactación de un suelo?

El grado de compactación de un suelo lo podemos determinar de la siguiente forma:

Gc=(γd/γd max)x100)

Donde:

Gc: Grado de compactación

Γd: Densidad seca en el campo

Γd max: Densidad seca máxima obtenida en el laboratorio

Materiales que se usan

• Arena estandarizada, se usa generalmente arena Ottawa que corresponde al pase de la malla No 20 ASTM (0.85 mm) y queda retenida en la malla No. 30 ASTM (0.60 mm)
• Cono de arena con válvula cilíndrica de 12.5 mm de abertura, con aproximadamente 4 litos de capacidad
• Cucharón
• Clavos
• Placa base de 6″ de diámetro, debe ser igual al diámetro de la boca del embudo
• Balanza electrónica con 0.01 g de precisión, superior a 10 kg.
• Almádana de 1 ½ libras de peso
• Cincel de punta plana
• Cinta métrica
• Brocha
• Cono de arena y cilindro contenedor
• Espátula
• Bolsas plásticas
• Guantes
• Horno

Procedimiento que debe de realizarse antes del ensayo

• Con la arena calibrada pase #20 y retenida #30 se verterá en el contenedor.
• Luego pesar el contenedor con la arena calibrada.

• Después de obtenido el peso total debemos obtener el peso obtenido en el cono de arena, para esto hay que verter la arena que tiene el contenedor sobre la placa base de 6″ de diámetro.

• Después de vaciar la arena en el cono como se muestra arriba, se debe proceder a pesar de nuevo el contenedor para saber la arena que se quedó en el cono.

Procedimiento del ensayo In Situ

• Colocar la placa base de 6″ de diámetro en el suelo.

• Luego se debe iniciar la excavación con el cincel dentro del círculo de la plantilla de la placa base hasta alcanzar un aproximado de 15 cm de profundidad sobre el círculo de la plantilla.

• Luego colocar todo el material extraído en una bolsa.
• El material extraído debe pesarse en una balanza.

• Una vez que se ha sacado la muestra de suelo, debe colocarse la arena calibrada que llevamos en el contendor sobre el agujero realizado.

• Cuando se ha vertido la arena, debemos de volver a pesar el contenedor para poder saber el peso de la arena en el orificio, para así poder determinar el volumen retirado del material en el suelo.
• Después recoger la arena para utilizarla en ensayos futuros, sin recoger la contaminada por el suelo.

• Pasar el material que hemos extraído por la malla de ¾ y quitar todo el material retenido para poder obtener una muestra donde sacaremos su contenido de humedad y su peso seco respectivo.

Ejemplo del orden de los datos obtenidos en este ensayo

Cálculos realizados con los datos anteriores

1. Calibración de la placa y el cono a arena en la placa y el cono (Lb)

APC = P inicial Lab – P final Lab

APC=7000g-5260g

APC=1740g

1740g(1Kg/1000g) 2.2Lb/1Kg=3.828Lbs

2. Calibración de la Arena

a) Peso Arena (Lb)

WA = (Peso Molde + Arena) – Peso Molde

WA=5581.0 g-4264.2g

WA=1316.80g

(1316.80g*2.2Lb)/1000g=2.896Lbs

b) Densidad de la Arena (Lb/pie3)

DA = WA/VA

DA=2.896Lbs/(1/30 pie^3)

DA=86.91 Lbs⁄pie^3

3. Prueba de Campo

a) Peso de la Arena en el Agujero (Lb.)

WAA = P inicial campo – P final campo – APC

WAA=6997g-2855g-1740g

WAA=2402.0g

2402.0g*(2.2Lb/1000g)=5.2844Lbs

b) Volumen del Agujero (pie3)

VA = WAA/DA

VA=5.2844Lbs/(86.91 Lbs⁄pie^3 )

VA=0.0608 pie^3

c) Peso Suelo Extraído (Lb)

WSE = (peso lata+ suelo)- Peso lata

WSE=2699.0-380.4g

WSE=2318.6g

(2318.6g*2.2Lb)/1000g=5.100Lb

d) Densidad Humedad. (Lb/pie3)

DH = WSE/VA

DH=5.100Lbs/(0.0608pie^3 )

DH=83.896 Lbs⁄pie^3

e) Porcentaje de Humedad (%)

Lata#8

Plata =40.6

Phumedo = 128.65 – 40.6 = 88.05 g

Pseco =118.75 – 40.6 = 78.15 g

%H = (Ph – Ps)100/Ps

%H=((88.05-78.15)100)/78.15=12.67%

Lata#1

Plata =41.1

Phumedo = 157.45 – 41.1 = 116.35g

Pseco =144.05 – 41.1 = 102.95g

%H = (Ph – Ps)100/Ps

%H=((116.35-102.95)100)/102.95=13.01%

%H=((12.67+13.01))/2=12.84%

f) Densidad Seca (Lb/pie3)

Ds = DH/(1+%H/100)

DS=83.896/((1+12.84/100) )

DS=74.35Lb/pie3

g) % de Compactación

%C = Densidad seca en el Sitio x 100/Densidad Seca en el Laboratorio

%C=(74.350Lb/pie3(100))/((109.2524Lb/pie3) )

%C=68.05%

Libros recomendados para realizar densidad en el sitio

• “Testing Fresh Concrete: A Practical Guide” de John Newman y Ban Seng Choo: Este libro ofrece una guía práctica para realizar una amplia gama de pruebas de concreto, incluyendo el ensayo de densidad en sitio.
• “Field Testing of Concrete” de M. Shoyaib y Tarek Uddin Mohammed: Este libro cubre los principios fundamentales del ensayo de densidad en sitio y otros ensayos de campo de concreto.
• “Quality Control and Quality Assurance of Concrete” de Mohamed Lachemi: Este libro cubre los conceptos básicos de los ensayos de campo de concreto, incluyendo el ensayo de densidad en sitio.
• “Non-Destructive Evaluation of Reinforced Concrete Structures: Non-Destructive Testing Methods” de Christian U. Grosse: Este libro se centra en las técnicas de evaluación no destructiva del concreto, incluyendo el uso de densitómetros nucleares para medir la densidad del concreto en sitio.
• Fundamentos de Ingeniería Geotécnica, Braja M. Das.
• American Association of State Highway and Transportation Officials (1982). AASHTO Materials, Part lI, Washington, D.c.
• Proctor, R R (1933). ” Design and Construccion of Rolled Earth Dams,” Engineering News Record, Vol. 3, 245-248,286-289, 348-351, 372-376.
• Lambe, T. W (1958). ” The Structure of Compacted Clay,” ¡oumal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol. 84, No. SM2, 1654-34.
• American Society for Testing and Materials (1998). ASTM Standards, Vol. 04.08, West Conshohocken, PA.

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