¿México le dice adiós al Cono y arena?

Antes de hacer un cambio en la especificación constructiva de suelos compactados, lee este artículo.

¿México por fin dejará las calas y se pasará a un método indirecto y más rápido de medir la densidad del suelo compactado? ¿O pasará a un método directo y rápido de medir el desempeño del suelo? ¿Es esto conveniente? ¿Qué se debe tomar en cuenta?

El Cono y arena

El ensayo de Cono y arena está enraizado en la construcción mexicana desde hace tantos años. Incluso, la creatividad de los laboratoristas ha sacado variantes profanas como “la trompa de elefante” o la “bolsa de arena”, y los laboratoristas se sienten orgullosos de hincarse en el sitio por horas, bajo inclemente sol, para realizar estas pruebas. El ensayo de Cono y arena es un método directo, y es la referencia considerada real para calibrar métodos indirectos como los densímetros. Es un ensayo cuya fase de ejecución de la cala puede tomar de 8 a 20 minutos, dependiendo del tipo de suelo y la pericia del laboratorio, y que requiere de la determinación de la humedad del suelo, que tarda de 16 a 24 horas en el horno del laboratorio (aunque existe una perniciosa tendencia a usar la humedad óptima del Proctor como humedad para calcular la densidad seca y el grado de compactación para reportarlo de forma inmediata y así liberar la capa). Ya mencionadas sus ventajas, las limitaciones de este ensayo es que toma demasiado tiempo como para servir de control en un movimiento de tierra de, digamos, más de 3000 metros cúbicos por día, y depende demasiado de la pericia del laboratorista.

El densímetro nuclear

Algunos lamentables accidentes con fuentes radiactivas impidieron que en México se difundiera la tecnología de los densímetros nucleares, que en otras latitudes tuvieron y siguen teniendo gran éxito, y que son abiertamente superiores a cualquier otro método, directo o indirecto, de obtener la densidad y la humedad de un lote de suelo compactado orientado al aseguramiento de calidad. La superioridad estriba en el reducido tiempo de medición (0.25 a 1 minuto), que permite hacer varias medidas en un mismo lote, y en su alta precisión y repetitividad. La exactitud es un aspecto que no debería tener problemas si se mantiene el equipo con sus calibraciones y servicios anuales, y se realiza una calibración de sitio para cada tipo de material y tomando como referencia el método directo (Cono y arena). La limitación de los densímetros nucleares son los permisos requeridos, pues se trata de fuentes radiactivas (cuya radiación es inferior a una radiografía, pero fuentes radiactivas al fin), la capacitación del usuario, y la especial atracción de los ladrones por ellos). Aún así, y luego de usarlos profusamente en Venezuela entre 1992 y 2002, el densímetro nuclear es mi equipo favorito.

Medición de densidad y humedad del suelo compactado empleando un densímetro nuclear.

El deflectómetro de impacto ligero (LWD)

Con el advenimiento de la normativa mexicana para el deflectómetro de impacto ligero (LWD) en 2020, se ha abierto nuevamente una ventana de oportunidad a los métodos indirectos para el aseguramiento de calidad de lotes de suelo compactado, y me siento comprometido a acompañar este impulso, por el beneficio de la ingeniería y la construcción aquí en México y más allá de nuestras latitudes. Lo que les presento a continuación es mi visión de fundamentada en mi experiencia y en el importante hecho de que el suelo compactado es un suelo no saturado.

Para los que no lo conocen, el LWD es un aparato portátil que utiliza la caída de una masa sobre una placa metálica instrumentada para medir un módulo de reacción del suelo compactado, y permite cuantificar la calidad de un lote en términos del desempeño, usualmente comparándolo con un valor de referencia de laboratorio. En este artículo podrán encontrar más información.

Medición de la rigidez superficial del suelo empleando un deflectómetro de impacto ligero (LWD).

¿Qué se usa para especificar un suelo compactado?

En proyectos de ingeniería como la construcción de carreteras o rellenos estructurales, medir desempeño tiene una ventaja notable sobre la medición de densidad, porque se mide precisamente la variable que el proyectista usó para diseñar. Por ejemplo, módulo de Elasticidad, módulo de reacción, resistencia al cortante (medición con veleta en suelos arcillosos). La densidad es relativamente fácil de medir, y tradicionalmente ha sido usada como una medida indirecta con la que se puede correlacionar algún parámetro de desempeño (ejemplo, la típica curva de % de compactación vs. CBR).

Curvas de diseño de un suelo compactado, según metodología RAMCODES.

En otros proyectos, sin embargo, medir el desempeño sería inútil, como en el caso del diseño y construcción de filtros o evaluación de la permeabilidad en diques. O, por ejemplo, en proyectos como la construcción de una berma o un relleno de contrapeso, en los que el proyectista lo que requiere es que el suelo simplemente “pese” para asegurar la estabilidad de la estructura, tampoco tendría sentido. O, por ejemplo, en la utilización de rellenos arcillosos de cierta actividad volumétrica, en los que se establecen limitaciones para que no queden demasiado compactados y se conviertan en resortes expansivos en caso de un eventual humedecimiento durante la vida útil de la obra. Cada caso es diferente, y hay que atender primero el reporte de mecánica de suelos o el diseño ingenieril de la estructura de tierra.

El suelo compactado es un suelo no saturado

Dicho esto, hay que decir también que la mayoría de los proyectos de obra civil que usan materiales de suelo se diseñan para que desarrollen cierto nivel de desempeño. Así que, volviendo a este tópico, es tentador escribir especificaciones basadas en desempeño para materiales de suelo compactado. No obstante, la medición del desempeño tiene una seria limitación cuando se mide en suelos. El suelo compactado es un suelo no saturado, y como tal, su comportamiento (densificación, resistencia al cortante, cambio volumétrico, permeabilidad) es controlado abiertamente por la succión mátrica. La succión mátrica es una presión interna en la masa de suelo que se genera por acción de la tensión superficial entre el aire y el agua dentro del suelo, y se puede relacionar con el contenido de agua del suelo o con su grado de saturación. Por ejemplo, cuando el suelo está seco, la succión es alta y el suelo se vuelve más resistente. Se pueden ejecutar cortes verticales y la pared permanece estable. Por el contrario, cuando el suelo se humedece, la succión baja y este se debilita. Por eso podemos ir por un camino de tierra en época de sequía con un carro de tracción sencilla, y en la época lluviosa tal vez necesitemos un carro de doble tracción para poder pasar. Todo esto lo ocasiona la succión en el suelo.

Un tensiómetro midiendo la succión en el suelo.

Vamos al caso de la medición de un LWD en un suelo cuyas propiedades pueden ser afectadas por la succión. Digamos que si justo luego de la compactación, el LWD mido un módulo de 80 MPa a las 9 a.m. Si es un día soleado y vuelvo a medir en el mismo sitio a las 4 p.m., el módulo habrá subido a 95 MPa. Por la noche cayó una lluvia ligera, o simplemente por la acción del rocío, y se mide con el LWD y el módulo esta vez es de 60 MPa. Entonces, ¿Cuál es el módulo de este suelo? Sabiendo esto, un contratista que no haya compactado bien el suelo podría esperar a que este "se seque un poco" para ver que el módulo suba lo suficiente como para pasar el control. En tal caso, ¿había quedado adecuadamente compactado? ¿Qué le pasaría al suelo cuando durante la vida útil de la obra se volviera a humedecer?

¿Cómo especificar un suelo compactado?

Aunque la relatada arriba es una situación hipotética, realmente ocurre así en suelos susceptibles al humedecimiento y secado. Entonces, si el módulo varía así con la humedad, ¿es apropiado usar el desempeño como estándar de calidad para la aceptación o rechazo de lotes de suelo compactado?

Antes de responder, lo que hay que advertir al lector es que este es un problema de vieja data, y que ya ha sido atendido en el campo de la mecánica de suelos no saturados, y que metodologías como RAMCODES ya la han contemplado.

Dicho esto, la respuesta es que no es apropiado usar al desempeño como estándar de calidad en un suelo compactado si no se acompaña con la medición de humedad, y si no se estudia el fenómeno en el laboratorio, y se prepara un adecuado diseño del suelo compactado. Así como existe una referencia de laboratorio para el módulo, debe existir una referencia de laboratorio para la humedad, que se sugiere sea la humedad óptima variando en un rango (amplio en suelos cohesivos, y más estrecho en suelos granulares).

Tal como aparece en un mapa de resistencia de la metodología RAMCODES, existe una relación estrecha entre la humedad, la densidad y la respuesta que un suelo compactado pueda tener. En el caso del LWD, la respuesta es el módulo que mide. La gran limitante que tiene un LWD es que no mide la humedad, por lo que seguir la recomendación de acompañar sus mediciones con un medidor de humedad del suelo (tal como se ha hecho toda la vida con el "Speedy", o como se hace modernamente con las termobásculas).

"Speedy", dispositivo para obtener en forma rápida el contenido de agua del suelo en campo.

Termobáscula portátil para medir la humedad del suelo en campo.

Existe una limitación adicional en la medición con el LWD y es que la humedad influye de forma notable en la varianza del módulo dentro del lote o tramo que se mide. Como se sabe, la varianza es una medida de dispersión de una muestra (por ejemplo, la desviación estándar y el % de variación son otras medidas de dispersión). Por tanto, el éxito de la homogeneización de la humedad cuando se prepara la capa a compactar va a impactar a la variabilidad del módulo que se obtiene. La varianza impacta la calidad porque es su inverso, y es un parámetro fundamental cuando se aplican metodologías de aceptación o rechazo de lotes basadas en hipótesis estadísticas, como el caso de la norma mexicana M CAL 1-03/03. Por tanto, en la medición con LWD es normal esperar varianzas más altas que las que se obtienen controlando con densidad.

La pericia del operador de motoniveladora es clave en la homogenización de la humedad en el suelo.

Caso especial: suelos estabilizados

Los suelos a los que se le adiciona agentes químicos (v.g., cal, cemento.) con fines de mejoramiento, requieren un capítulo aparte. En ellos, si la dosificación ha sido adecuada, el módulo crece con el tiempo (sobre todo en los primeros días de fraguado) hasta que se estabiliza en un valor final. Por ejemplo, en el caso de la cal, ocurren reacciones químicas (como la puzolánica), que generan una elevación importante de la temperatura, y en las que hay un significativo consumo de agua. Todo esto termina con un suelo más rígido, con un nivel de succión más alto, y con una estructura menos permeable y compacta. También, hay que decir que, si se hace la dosificación y construcción adecuadas, este proceso es irreversible. En estos casos, y para demostrar el efecto del agente estabilizador, la medición del desempeño durante el control de compactación es de mayor utilidad que la medición de densidad. Sin embargo, no hay que desestimar la medición de densidad durante el control, porque de la densidad también depende el desempeño.

Diseña un suelo compactado antes de especificarlo

Para finalizar este artículo, lo que quiero resaltar es la estrecha relación que existe entre la humedad (como una medida de la succión), la densidad y la respuesta (mecánica o hidráulica) en un suelo compactado y, cuando se escriba un estándar para los trabajos de aseguramiento de calidad, hay que tomarlas en cuenta. Por otra parte, hay que tomar en cuenta que si bien, la mayoría de las aplicaciones requieren al desempeño como respuesta, no son las únicas aplicaciones. También podría estar la permeabilidad como respuesta, o simplemente la densidad, e incluso, en proyectos especiales, una combinación de estas tres.

Gráfico de contorno de la variación de la respuesta de un suelo (CBR, en este caso), con respecto a la variación de la humedad y el % de compactación.

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Freddy J. Sánchez-Leal

Ingeniero civil con más de 30 años de experiencia.

Consultor geotécnico con maestría en ingeniería por la UNAM, México (1998).

Creador de la metodología RAMCODES (1998)

Premio Nacional de Ciencia y Tecnología de Venezuela (2008).

Trabaja en Tijuana, Baja California, México.

Twitter: @saintloyal

LinkedIn: ramcodesceo