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Motivación
Escribo este artículo en atención Alejandro Moreno, de Bogotá, Colombia, uno de nuestros lectores en LinkedIn, quien me relata que tiene un LWD guardado en su bodega y me pidió que le diera los pasos para sacarlo de allí y ponerlo en funcionamiento. Confío en que la respuesta que viene a continuación pueda ayudarle a él y a otros a resolver favorablemente esta situación.
Introducción
El mejoramiento de suelos por compactación es una de las actividades más frecuentes en las obras de tierra, como la construcción de terracerías, capas de base y subbase para carreteras, rellenos estructurales para muros de contención, presas, terraplenes de apoyo, entre otros. De acuerdo con los métodos de diseño, ya sea geotécnicos o de pavimentos, según sea el caso, en todas estas estructuras se tiene como objetivo principal que el suelo exhiba algún nivel de rigidez, expresada por un módulo (por ejemplo, de reacción, de deformación, de elasticidad, de corte), o asociada a algún parámetro de resistencia (ángulo de fricción en ensayos de corte o en ensayos triaxiales, resistencia a la compresión simple), o en casos muy frecuentes, a indicadores de calidad basados en la resistencia al compresión en pruebas empíricas, como el muy difundido y tradicional ensayo de CBR (ASTM D1883-21). Por otra parte, cuando el mejoramiento del suelo por compactación además involucra agregar algún agente como la cal, el cemento, el asfalto, o algún ionizante del agua del suelo, es crucial medir la evolución del aumento de la rigidez del suelo con el tiempo (días, semanas).
Es decir, la propiedad de calidad deseable de controlar en un relleno estructural es la rigidez. Sin embargo, ante la dificultad de hacerlo de forma rápida, precisa y de relativamente bajo costo, por décadas se ha empleado la densidad del suelo como variable sustituta de la calidad. Este hecho parte del paradigma de que la compactación aumenta la densidad del suelo, y el aumento de la densidad produce un aumento en su rigidez. Tal como comprobaremos más adelante, esta relación puede ser particular, pero no es general, y podría ocasionar fallas. Por otro lado, la densidad es incapaz de evaluar el efecto de la adición de un determinado agente estabilizador o mejorador del suelo.
La tecnología para el aseguramiento de calidad de rellenos estructurales ha evolucionado en la medición de densidad, desde el ensayo de cono y arena (ASTM D1556-07), en combinación con el ensayo Proctor (ASTM D1557), “volumeasure”, pasando por los densímetros nucleares (ASTM D6938-17) y no nucleares. De estos, el densímetro nuclear es el tecnológicamente más impactante por la posibilidad de medir la humedad, además de la densidad del suelo, permitiendo al constructor corregir la humedad del suelo para que esté en el rango óptimo que eficientiza el proceso; y por la rapidez y precisión con que lo hace, y la posibilidad de calibrarlo en campo con mediciones de cono y arena (consideradas reales) para corregir desviaciones por presencia de óxidos de hierro y mica en el suelo. Lo que tienen en contra los densímetros nucleares son los temas de permisos estatales por los riesgos del uso de energía nuclear pasiva, y la exigente capacitación (sobre todo de seguridad industrial) que requieren los operadores.
Por su parte, la tecnología de medición de la rigidez del suelo en campo ha evolucionado desde las pruebas de placa (ASTM D1195), que miden el módulo de elasticidad del suelo, pasando por indicadores de calidad como el CBR (ya sea de campo o laboratorio), el penetrómetro dinámico de cono, el martillo Clegg, el Geogauge, continuando con las placas dinámicas como los deflectómetros de impacto (ya sea normales o de alta energía, FWD y HWD, respectivamente, por sus siglas en inglés), hasta llegar al deflectómetro de impacto ligero (LWD), que es un una práctica y ligera versión de un FWD, y es un instrumento que permite medir un módulo de deformación en carga dinámica, tanto en campo como en laboratorio, de forma rápida y precisa, y que es el objeto del artículo de hoy.
¿Qué es el LWD?
LWD son las siglas en inglés de deflectómetro de impacto ligero o liviano, para distinguirlo de otras pruebas de impacto con placa como el deflectómetro de caída (FWD, ASTM D 4694 y D 4695), o el deflectómetro de caída de alta energía (HWD). El LWD es un dispositivo portátil que se usa en el campo para medir las características de deformación de un suelo o material granular. En general, este dispositivo está diseñado para proveer un método, rápido y no destructivo, de determinar la capacidad de carga de un suelo y evaluar su rigidez.
Tomado de Sidhu Ramulu Duddu & Hariprasad Chennarapu (2022) "Quality control of compaction with lighweight deflectometer (LWD) defice: a state-of-art", International Journal of Geo-Engineering 13, article number 6.
Los dispositivos que siguen la norma ASTM E2583 son una versión portátil del FWD, en el sentido de que están provistos de geófonos y celdas de carga para realizar medidas precisas de un módulo de deformación (ELWD) obtenido como la relación entre la presión de contacto, ejercida sobre el suelo a través de una placa que es impactada por una masa que cae libremente desde una altura fija, y la deflexión que ocurre entre la placa y la capa de suelo medida, y que considera la geometría de la placa, la profundidad de influencia del esfuerzo, la característica elástica del suelo conocida como coeficiente de Poisson, la rigidez del amortiguador (“buffer”) que atenúa el impacto de la masa sobre la placa, y el factor de rigidez de la placa, que depende del tipo y consistencia/ compacidad relativa del suelo sobre el que se está realizando la prueba.
Este módulo ELWD se obtiene aplicando la fórmula de Boussinesq con ajustes para tomar en cuenta todos estos factores. Los dispositivos LWD del tipo descrito acá cuentan con instrumentación electrónica capaz de reportar en un monitor de mano los valores de fuerza aplicada, presión, deflexión y módulo de deformación (ELWD).
Este módulo ELWD se puede correlacionar con el tipo de suelo y su compacidad, como se muestra en la siguiente figura.
Bueno, y después de esta larga introducción, vamos a responder a la pregunta de Alejandro Moreno, ¿cuáles son los pasos para poner a funcionar mi LWD? Esto es lo que yo haría.
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Paso 1: Calibrar el equipo.
Lo primero que haría sería verificar si el equipo está calibrado. Si no está calibrado o ya pasó un año después de la última calibración, debo contactar al fabricante y mandar a calibrarlo. En la enviada a la calibración, sirve que le dan mantenimiento al equipo. En México, por ejemplo, el Instituto Mexicano del Transporte tiene un servicio de calibración de LWD.
Paso 2: Definir el módulo objetivo en el laboratorio.
El módulo objetivo es un procedimiento normativo (en ASTM y en norma mexicana) en el que se establece el valor del módulo ELWD que corresponde a la humedad óptima y a la densidad máxima seca del ensayo Proctor. Se obtiene en laboratorio a partir de la ejecución del ensayo Proctor con molde de 6” (150 mm) de diámetro, midiendo el ELWD del suelo compactado en el molde para cada contenido de agua. La foto y figura siguientes muestran el ensayo y su resultado. El grado de compactación del suelo viene dado por el cociente entre el módulo ELWD medido en campo, y el valor del módulo objetivo obtenido en laboratorio, expresado como porcentaje.
Paso 3: Control de la humedad del suelo.
El control de humedad del suelo durante la compactación es crucial para lograr los mejores resultados y de la manera más eficiente (el menor número de pases posibles del equipo de compactación), tal como lo establece la curva de compactación. La principal limitación del equipo LWD es que no está facultado para medir humedad, por eso se recomienda que esté acompañado de equipos para medir la humedad del suelo, tales como el “Speedy”, la termobáscula o el Aggrameter. La siguiente figura muestra fotos de estos tres equipos.
Foto: Aggrameter (dispositivo para medir humedad). Cortesía: COMPAVSA.
Foto: Medidor de humedad de suelo "Speedy". Cortesía de Matest.
Foto: Termobáscula portátil MB45. Cortesía de Ohaus.
Paso 4: Ejecución de los ensayos en campo.
La ejecución pasa por definir el tamaño del lote y el número de muestras por lote. La ubicación de los sondeos se realiza de forma aleatorio, tal como se recomienda, por ejemplo, en la norma mexicana M CAL 1/02/01. La aceptación o rechazo del lote se realiza contemplando el criterio de hipótesis, tal como, por ejemplo, en la norma mexicana M CAL 1/03/03, utilizando el promedio y la desviación estándar de las mediciones. En la evaluación de la calidad de compactación de lote a lote, se pueden utilizar cartas de control, para validar que el proceso esté en control, y luego también se puede validar la capacidad del proceso, si así se requiere. Esta posibilidad de aseguramiento estadístico de calidad versátil y completo la permite el uso de un equipo liviano para el transporte, y rápido y preciso para la medición, tal como lo es el LWD.
Para finalizar, lo que puedo decir es que el LWD es una herramienta que forma parte del sistema de aseguramiento de calidad de la construcción de terracería y rellenos estructurales. Es un equipo del tipo placa de impacto que, gracias a su instrumentación, es capaz de medir un módulo de deformación del suelo en carga dinámica. Este módulo es una variable real de rigidez del suelo, y se usa para evaluar la calidad de la compactación en términos del requisito del diseño, y para evaluar la evolución del crecimiento de la rigidez de materiales estabilizados. El LWD es portátil y puede hacer pruebas rápidas y precisas, con muestreos aleatorios, facilitando la implementación de métodos estadísticos para el aseguramiento de la calidad, como las pruebas de hipótesis, las cartas de control y la medición de capacidad del proceso, lo que redunda en un procedimiento de construcción menos variable y más eficiente. El LWD no está diseñado para medir la humedad del suelo, por lo que se recomienda asistirlo con medidores como el “Speedy”, la termobáscula portátil o el Aggrameter. Tal como cualquier otro dispositivo, para los resultados más confiables, verifique que el LWD esté calibrado y con el mantenimiento adecuado.
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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 RRAMCODES (1998)
Premio Nacional de Ciencia y Tecnología de Venezuela (2008).
Twitter: @saintloyal
LinkedIn: ramcodesceo
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