MANUAL DE ENSAYO DE MATERIALES (EM 2000)

RELACIONES HUMEDAD-DENSIDAD (SUELO-CEMENTO) MTC E 1102 – 1999 Este Modo Operativo está basado en las Normas ASTM D 558 y AASHTO T 134, las mismas que se han adaptado al nivel de implementación y a las condiciones propias de nuestra realidad. Cabe indicar que este Modo Operativo está sujeto a revisión y actualización continua. Este Modo Operativo no propone los requisitos concernientes a seguridad. Es responsabilidad del Usuario establecer las cláusulas de seguridad y salubridad correspondientes, y determinar además las obligaciones de su uso e interpretación.

1. OBJETIVO 1.1 Se refieren a la determinación de la relación entre la humedad y el peso unitario de mezclas de suelo – cemento, cuando se compactan del modo que se prescribe y antes de que ocurra la hidratación del cemento. 1.2 Se emplean para la compactación, un molde de 944 cm3 (1/30 pie3 ) y un martillo de 2.50 kg (5.5 lbs) que cae desde una altura de 305 mm (12"), pero se siguen dos métodos de acuerdo con la granulometría del material: Método A, para muestras de suelo que pasan por el tamiz de 4.75 mm. (No. 4). Deberá emplearse este método cuando el 100% de la muestra del suelo pasa el mencionado tamiz (véanse los numerales 3 y 4). Método B, para muestras de suelo que pasan un tamiz de 19.0 mm (3/4"). Deberá emplearse este método cuando Parte del suelo queda retenido en el tamiz de 4.75 mm (No. 4) (véanse los numerales 5 y 6). 2. APARATO 2.1 Molde. Deberá ser cilíndrico de paredes sólidas, fabricado con metal y con las dimensiones y capacidades mostradas en la Figura 1. Deberá tener un collar ajustable de aproximadamente 60 mm (2 3/8”) de altura, que permita la preparación de especímenes compactados de mezclas de suelo cemento de la altura y volumen deseado. El conjunto del molde y del collar deberá estar construido de tal manera que pueda ajustarse firmemente a una placa hecha del mismo material. Su diámetro será de 101.6 mm (4") y debe ser semejante al del ensayo (Proctor estándar). Nota 1. Pueden emplearse distintos tipos de molde, pero con la capacidad estipulada aquí, si al correlacionarse con los de los moldes de pared sólida, para diferentes clases de suelo, se obtienen los mismos resultados de relación humedad - peso unitario. Deberán mantenerse disponibles los registros de dicha correlación para el caso en que se desee efectuar una inspecció.

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2.2 Pisón. Puede ser operado manual o mecánicamente, y cumplirá con las condiciones exigidas para los del ensayo MTC E116 (Próctor estandar). Nota 2. El martillo mecánico deberá calibrarse con diferentes mezclas de suelo - cemento y su peso se ajustará, si fuere necesario, para que dé los mismos resultados de humedad peso unitario que los obtenidos con martillos de operación manual. No es práctico calibrar el aparato mecánico en cada caída del martillo como el operado manualmente. Para efectuar el ajuste de la caída libre, la porción del material suelto que recibe los golpes iniciales deberá comprimirse para establecer el punto del impacto a partir del cual se determina la caída de 305 mm (12"). Los golpes siguientes sobre esta capa pueden aplicarse dejando caer el martillo desde una altura de 305 mm (12") por encima de la altura inicial de asentamiento o cuando el aparato mecánico esta diseñado con un ajuste de una altura para cada golpe, todos los golpes subsiguientes deberán tener una caída libre para el martillo de 305 mm (12"), medidos a partir de la altura del suelo compactado por el golpe previo. ¥

Cara del pisón. Deberá emplearse el pisón con cara circular pero podrá emplearse como alternativa, uno con cara de sector circular, el cual deberá tener un área igual a la de la cara circular. En el informe se indicara el tipo de cara usada cuando es diferente a la circular de 50.8 mm (2") de diámetro.

2.3 Extractor de muestras. Un gato, extractor, u otro dispositivo adecuado como para usarse como botador de las muestras compactas del molde. No se necesita cuando se utilizan moldes de tipo partido. 2.4 Balanzas. Una balanza de capacidad de por lo menos 11.3 kg (25 lb) con precisión de 5 g (0.01 lb); y una balanza de al menos 1000 g de capacidad, con precisión de 0.1 g. 2.5 Estufa Termostáticamente controlado, que pueda mantener una temperatura de 110 ± 5 ºC (230 ± 9 ºF). 2.6 Regla metálica. Un escantillón regla de acero endurecido, al menos de 254 mm (10") de largo; deberá tener un borde biselado y una cara plana en sentido longitudinal. Nota 3. Él borde biselado podrá usarse en el alisamiento final si se conserva dentro de una tolerancia del 0.1% de longitud sin embargo, con el uso continuado, el borde cortante podrá desgastarse excesivamente en cuyo caso no sería adecuado para alisar el suelo hasta el nivel del molde. La regla no deberá ser tan flexible que cuando se alise el suelo con el borde cortante, proporcione una superficie cóncava en la muestra. 2.7 Tamices de75,19.0 y 4.75 mm (3", 3/4", y No. 4).

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2.8 Herramientas. Herramientas varias como cucharas, espátulas, cacerolas o un dispositivo mecánico para mezclar las muestras de suelo con diferentes cantidades de agua. 2.9 Recipientes. Una cacerola plana, redonda para absorción de humedad para mezcla de suelo cemento de alrededor de 300 mm (12") de diámetro y 50 mm (2") de profundidad. 2.10 Latas para humedad. Recipientes metálicos o de otro material, con tapa para evitar la pérdida de humedad antes y durante el pesaje. 2.11 Cuchillo de aproximadamente 250 mm (10") de longitud, para recortar la parte superior del espécimen.. MÉTODO A. EMPLEANDO MATERIAL QUE PASA TAMIZ DE 4.75 mm (No. 4) 3. MUESTRA 3.1 Prepárese la muestra disgregando los terrones del suelo para que pase tamiz de 4.75 mm (No. 4), de tal manera que se evite la reducción del tamaño natural de las partículas individuales. Cuando sea necesario, séquese primero la muestra hasta cuando sea friable (desmenuzable). El secamiento puede hacerse al aire o mediante el empleo de aparatos de calentamiento siempre y cuando la temperatura de la muestra no exceda de 60ºC (140 ºF). 3.2 Escójase una muestra representativa, que pese aproximadamente 2.75 kg (6 lbs) o más del suelo preparado, como se describió en el numeral 3.1.

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4. PROCEDIMIENTO 4.1 Agréguese al suelo, de acuerdo con el diseño, la cantidad requerida de cemento. Mézclese hasta lograr un color uniforme. Cuando sea necesario, agréguese suficiente agua para humedecer la mezcla aproximadamente con cuatro o seis puntos de porcentaje por debajo de la humedad óptima y mézclese completamente. Con esta humedad, una muestra de suelos plásticos, exprimidos en la palma de la mano, formará una pasta que se fracturará con una ligera presión aplicada por el pulgar y las puntas de los dedos; los suelos no plásticos se abultarán notablemente. Cuando el suelo sea arcilloso de textura pesada (grasa), la mezcla de suelo - cemento y agua se compactará dentro de la

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cacerola plana hasta tener un espesor más o menos de 50 mm (2"), empleando el pisón manual descrito en el numeral 2.2 o un martillo similar. Cúbrase y déjese reposar la mezcla, por un período entre 5 y 10 minutos, para que haya dispersión de la humedad y permitir una absorción más completa. Después disgréguese completamente la mezcla, sin reducir el tamaño natural de las partículas, hasta que pase por el tamiz de 4.75 mm (No. 4) y vuélvase a mezclar. 4.2 Fórmese un espécimen compactando en el molde con el collar ajustado, usando la Mezcla preparada de suelo cemento, en tres capas iguales, logrando una profundidad total compacta de alrededor de 125 mm (5"). Compáctese cada capa mediante 25 golpes del Martillo, usado en el ensayo Proctor estándar. Los golpes deberán distribuirse uniformemente sobre la superficie de la capa que se está compactando y el molde deberá permanecer sobre una fundación uniforme y rígida (Nota 4). Después de la compactación, remuévase el collar de extensión, recórtese cuidadosamente la parte superior de la probeta por medio del cuchillo de borde recto y pésese con aproximación a 0.004 kg (0.01 lb), multiplíquese el peso del suelo compactado (menos el peso del molde) por 30; regístrese el resultado corno el peso húmedo por unidad de volumen W1 en kg/m 3 de la mezcla de suelo – cemento compactado. Nota 4. Una base satisfactoria para apoyar el molde durante la compactación del suelo, puede ser un oque de concreto que pese mas de 90.2 kg (200 lb) soportado por una fundación relativamente estable, un piso sólido de concreto, y para el campo, superficies como las halladas en alcantarillas, puentes y pavimentos. 4.3 Extráigase la probeta del molde y córtese verticalmente a lo largo de su eje. Tómese una muestra representativa que pese como mínimo 100 g, secándola en la estufa a 110 ± 5 ºC (230 ± 9 ºF) hasta peso constante. Calcúlese la humedad y anótese el resultado como la humedad a la mezcla de suelo cemento compactado. 4.4 Disgréguese completamente la parte remanente del espécimen moldeado hasta que a simple vista se considere que el material pasa por el tamiz de 4.75 mm (No. 4) e intégrese con la parte restante de la muestra que se está ensayando. Agréguese agua en suficiente cantidad para aumentar el contenido de humedad de la mezcla de suelo –cemento en uno o dos puntos de porcentaje, mézclese y repítase el procedimiento dado en los numerales 4.2 y 4.3 para cada incremento de agua. Continúese esta serie de determinaciones hasta cuando haya una disminución o no haya cambio en el peso húmedo por unidad de volumen, W1 en kg/ m 3 de la mezcla de suelo – cemento compactada.

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Nota 5. En la mayoría de los casos este procedimiento ha sido hallado satisfactorio. Sin embargo, en casos en los cuales el material es de carácter frágil y se reduce significativamente el tamaño de las partículas, debido a la compactación, muestras diferentes y separadas deberán emplearse para cada determinación de humedad peso unitario.

MÉTODO B EMPLEANDO MATERIAL QUE PASA TAMIZ DE 19.00 mm (3/4”) 5. MUESTRA 5.1 Prepárese la mezcla para ensayo, separando el agregado retenido en el tamiz de 4.75 mm (No. 4) y rompiendo los terrones del suelo restante, para que pasen por dicho tamiz, evitando reducir el tamaño natural de las partículas individuales. Cuando sea necesario, séquese la muestra hasta que sea friable. El secamiento puede hacerse al aire o mediante el empleo de un aparato secador siempre y cuando la temperatura aplicada no exceda de 60 ºC (140 ºF). 5.2 Pásese el suelo preparado, por los tamices de 75 mm (3"), 19,0 mm (3/4"), y 4.75 mm (No. 4) y descártese el material retenido en el tamiz de 75 mm (3"). Determínese el porcentaje de material, por peso seco al horno, retenido en los tamices de 19.0 mm (3/4") y 4.75 mm (No. 4). Satúrese el agregado que pasa por el tamiz de 19.0 mm (3/4") y que queda retenido en el de 4.75 mm (No. 4), empapándolo en agua; séquese la superficie como sea requerido para ensayos posteriores. Nota 6. La mayoría de especificaciones de construcción de suelo - cemento que cubren la granulometría del suelo limitan el tamaño máximo del material a 75 mm (3") o menos. 5.3 Escójanse y manténganse separadamente muestras representativas del suelo que pasa el tamiz de 4.75 mm (No. 4) y de agregado saturado con superficie seca, que pasan el tamiz de 19.0 mm (3/4") y que quedan retenidos en el de 4.75 mm (No. 4), de manera que la mezcla total pese aproximadamente 5 kg (11 lbs) o más. El porcentaje, en peso secado al horno, del agregado que pasa tamiz de 19.0 mm (3/4") y que queda retenido en el de 4.75 mm (No. 4) deberá ser el mismo que el porcentaje que pasa tamiz de 75 mm (3") y que queda retenido en el de 4.75 mm (No. 4) de la muestra original. Una vez hecho el reemplazo respectivo, únanse las porciones separadas formando la mezcla total. 6. PROCEDIMIENTO 6.1 Agréguese el cemento, a la porción de la muestra de suelo que pasa el tamiz de 4.75 mm (No. 4), en la cantidad requerida, según diseño por la mezcla total especificada en el numeral 5.3. Mézclese hasta llegar a un color uniforme. Cuando sea necesario, agréguese agua a esta mezcla de suelo cemento y facilítese la dispersión de la humedad como se describe en el numeral 4.1 del Método A. ICG – Instituto de la Construcción y Gerencia

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Después de esta preparación adiciónese el agregado saturado con superficie seca, a la mezcla de suelo cemento y mézclese completamente.. 6.2 Fórmese un espécimen, compactando la mezcla del suelo - cemento preparada, en el molde con el collar colocado; recórtese y pésese el espécimen compactado como se describe en el numeral 4.2 para el Método A. Durante la operación de recorte remuévanse todas las partículas que sobresalgan por encima del nivel superior del molde. Corríjanse todas las irregularidades en la superficie apisonando a mano material fino dentro de dichas irregularidades y nivelando nuevamente el espécimen con el cuchillo de borde recto. Multiplíquese el peso del espécimen compactado (menos el peso del molde), por 30, regístrese el resultado como peso húmedo por unidad de volumen, W1 en kg/m3 de la mezcla de suelo - cemento compactado. 6.3 Remuévase el material del molde y tómese una muestra para determinar la humedad, como se describe en el numeral 4.3 para el Método A, excepto que esta muestra no deberá pesar menos de 500 g. Regístrese el resultado como la humedad w, de la mezcla de suelo-cemento compactado. 6.4 Rómpase completamente el material como antes, hasta que a simple vista se considere que pasa un tamiz de 19.0 mm (3/4") y que un mínimo del 90% de las partículas menores de 4.75 mm (No. 4) pasan tamiz de 4.75 mm (No. 4), y agréguese todo el material remanente después de obtener la humedad de la muestra. Adiciónese agua suficiente para aumentar la humedad de la mezcla de suelo - cemento en uno o dos puntos de porcentaje, mézclese y repítase el procedimiento descrito en los numerales 6.2 y 6.3, por cada incremento de agua. Continúese esta serie de determinaciones, hasta cuando haya una disminución o no haya cambio en el peso húmedo por unidad de volumen, w1, en kg/m3 de la mezcla compactada de suelo –cemento (véase la Nota 5)..

CÁLCULO E INFORME 7. CALCULOS 7.1 Calcúlese la humedad y el peso secado al homo por unidad de volumen, en kg/m3 de mezcla de suelo - cemento compactado para cada prueba en la siguiente manera:

W=

A− B * 100 B−C

1 W = WW *100 * 100

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Donde: w

=

Porcentaje de humedad en la muestra.

A

=

Peso del recipiente para humedad y del suelo - cemento húmedo

B

=

Peso del recipiente para humedad y del suelo - cemento seco

C

=

Peso del recipiente para humedad.

W =

Peso seco en el horno en kg/m3 del suelo - cemento compactado.

W1 =

Peso húmedo en kg/m3 del suelo compactado.

8. RELACIÓN DE HUMEDAD - PESO UNITARIO 8.1 Los cálculos del numeral 7 deberán hacerse para determinar la humedad y el correspondiente peso secado al homo en kg/m3 para cada una de las muestras de suelo - cemento compactado. Los pesos secados al horno, en kg/m3 de mezcla de suelo - cemento se dibujarán como ordenadas y las humedades correspondientes, como abscisas. 8.2 Humedad óptima. Cuando se hayan determinado los pesos unitarios y las correspondientes humedades, como se indica en el numeral 8.1, se dibujará una curva que una los puntos correspondientes con una línea suave. La humedad que corresponda al pico de la curva se denomina "humedad óptima" de la mezcla de suelo - cemento bajo la compactación prescrita en estos métodos. 8.3 Peso unitario máximo. El peso secado al horno, en kg/m3 (lb/pie3 ) de la mezcla de suelo-cemento que corresponda al contenido de humedad óptimo se llamará peso unitario máximo bajo la compactación prescrita en este método. 9. INFORME 9.1 El informe debe incluir lo siguiente: · El contenido de humedad optimo · El peso unitario máximo 10. REFERENCIAS NORMATIVAS AASHTO

T 134

ASTM

D 558

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