Pasado, presente y futuro de la compactación

A R T Í C U L O S
D E
O P I N I Ó N
La Compactación
Pasado, presente
y futuro de
la compactación
Las primeras máquinas que se aplicaron a las obras públicas, en el principio de la era
de la mecanización, fueron las máquinas a vapor a mediados del siglo XIX. Mientras
el arranque y la fragmentación de los materiales necesarios para la construcción se
seguía haciendo de forma manual, como al principio de los tiempos, el transporte se
hacía también directamente por las personas o, como mucho, con la ayuda de asnos,
mulos o cualquier otro tipo de semovientes; la mecanización llegó en primer lugar
justo a mejorar el aspecto más crítico de las obras: LA COMPACTACIÓN.
Carlos Cañabate Zamora – ITOP(*)
1. LOS PRINCIPIOS.
LA COMPACTACIÓN ESTÁTICA
U
na obra puede estar muy
bien diseñada, muy bien
trazada y muy bien calculada en sus estructuras pero, si falla
la compactación, acabará arruinándose prematuramente o exigiendo costosas reparaciones para
mantenerla en funcionamiento y,
en definitiva, siendo el descrédito
de los ingenieros que la realizaron
y de los políticos que la inauguraron, lo que hoy en día parece tener
muchísima más importancia.
recebar, el tiro es más difícil, la
piedra machacada se remueve y
aglomera delante del rodillo y los
pies de las caballerías o bueyes
destruyen una parte del efecto
producido por la compresión”.
Las primeras máquinas utilizadas
en nuestras obras fueron las apisonadoras a vapor que, apoyadas
sobre grandes ruedas metálicas,
efectuaban mejor el trabajo de
compactación; gracias al gran peso
que aplicaban a la superficie del
La compactación se estaba haciendo hasta los comienzos de la
mecanización mediante “cilindros
de piedra, madera o hierro” según
el libro de D. Cayetano González
de la Vega, “Lecciones de carreteras, caminos de hierro y navegación interior y exterior” publicado
en 1868, quien también comenta:
“… Cuando se cilindra antes de
(*) Jefe de productos de Compactación y Pavimentación Barloworld - Finanzauto
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material, sin el efecto negativo
producido por la pisada de los animales de arrastre.
En una segunda etapa, cuando ya
se había desarrollado el motor de
explosión y aparecieron los tractores (de ruedas y de cadenas) se
siguieron utilizando para los terraplenes los rodillos remolcados en
múltiples versiones (lisos, de pisones o pata de cabra o de rejillas)
quedando las apisonadoras autoportantes (que ya estaban siendo
Antiguo compactador arrastrado por caballerías
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huellas para cubrir todo el ancho
en una pasada.
Pueden estar dotados de un compresor, accionado por el mismo
motor de la máquina, que proporciona aire a presión y permite al
operador inflar o desinflar sus
neumáticos sobre la marcha,
pudiendo así variar la huella de contacto de los neumáticos con el suelo,
y por tanto la presión superficial.
Apisonadora de vapor origen de la
mecanización de las Obras Públicas
dotadas de motores térmicos o de
combustión interna) dedicadas a
capas más específicas de base o a
recubrimientos de aglomerados.
En toda esta época la acción que
se ejercía para compactar era
exclusivamente proporcionada por
un peso, que a su vez dependía de
la masa de la máquina o del rodillo
en cuestión. Si queríamos ejercer
una mayor acción sobre el material, porque sus requerimientos
para la compactación fueron superiores, sólo podíamos actuar
aumentando la masa (m); ya que la
aceleración de la gravedad (g) que
es quien nos transforma la masa
en peso (p), según la conocida fórmula p = m x g , es una constante
sobre la que no se podía actuar.
Pero este aumento de masa supone también la necesidad de aplicar
más energía para ponerla en movimiento, por tanto el rendimiento
Compactador de neumáticos remolcado
energético de la operación puede
disminuir rápidamente.
Además hay que tener en cuenta
que la acción del peso, aplicado
sobre la superficie del material,
disminuye a través de su interior
exponencialmente con la profundidad, por lo que para conseguir
efectuar tongadas o capas de
mayor espesor también habría que
aumentar desproporcionadamente
la masa.
El mayor avance de la compactación estática vino con el uso de los
compactadores de neumáticos. En
principio estaban constituidos por
una gran estructura metálica,
capaz de lastrarse con bloques o
grava suelta, apoyada sobre un eje
de varios neumáticos juntos y
remolcada por un tractor. Podían
llegar a pesos de 50 t. y debido a
la deformabilidad y flexibilidad de
sus ruedas neumáticas además del
efecto de la presión producían un
efecto de “amasado” en la superficie del material que contribuía a
su “sellado”.
En una segunda etapa se hicieron
compactadores de neumáticos
autoportantes, dotados de dos
ejes de ruedas que solapaban sus
El último avance en compactación
estática vino desarrollado a mediados del siglo XX (1958) por el
fabricante francés ALBARET, autentico especialista en este tipo de
máquinas hoy desaparecido (fue
adquirido por Caterpillar en 1988).
Albaret patentó un sistema de SUSPENSIÓN HIDRÁULICA COMPENSADA
para las ruedas, de forma que -por
aplicación del principio de Pascalse asegura que, cualquiera que sea
su posición en un suelo de superficie irregular, todas ejercen la
misma fuerza sobre el terreno (el
peso total de la máquina dividido
por el número de ruedas). Los
compactadores de neumáticos
que gozan de esta característica se
denominan ISOSTÁTICOS y son
muy empleados en la actualidad para
la compactación de aglomerados.
2. EL PASADO. LA FUERZA
CENTRÍFUGA
Karl Terzaghi era un ingeniero especialista en cimentaciones, nacido
Compactador de neumáticos autopropulsado
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Rodillo remolcado con vibración
producida por un motor auxiliar
en Praga en 1883, que publicó en
1925 “ERDBAUMECHANIK” por lo
que se considera a este año como
la fecha de nacimiento de la
“Mecánica de Suelos”.
En 1941 publicó en Nueva York
otro libro “MECÁNICA TEORICA DE
LOS SUELOS” en el que en su artículo
158, dedicado a los problemas que
las vibraciones producían sobre
las cimentaciones, acaba diciendo: “El conocimiento de la relación
entre frecuencia y asentamiento es
un factor importante en el proyecto de la cimentación de máquinas
de muchas revoluciones sobre
estratos de arenas, cooperando
en el desarrollo de las maquinarias
pesadas para la compactación
artificial de rellenos arenosos”.
Pues bien, las investigaciones
sobre esta aplicación de las vibraciones a la compactación, que
según menciona Terzaghi fueron
iniciadas por la DEGEBO (Deeutsch
Gesellschaft für Bodenmechanik)
en 1930, dieron como resultado
los compactadores vibratorios
actuales que más adelante analizaremos con más detalle. Puesto que
en su aplicación se encuentran
algunas aberraciones derivadas en
parte por aplicar a la compactación vibratoria teorías más propias
de la compactación estática, que
están todavía fuertemente incrustadas en la mentalidad de muchos
de nuestros ingenieros.
Los primeros compactadores
vibratorios eran similares a los
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estáticos remolcados a los que se
añadía un eje metálico situado en
el eje geométrico del rodillo, este
eje podía girar en su interior independientemente del giro del rodillo. El eje estaba dotado de una
masa excéntrica y se hacia girar
por medio de un motor auxiliar
montado sobre el bastidor del
rodillo, a unas revoluciones muy
superiores a las que da el rodillo
en su movimiento de traslación.
Esta masa excéntrica, girando alrededor de su eje, produce una
FUERZA CENTRÍFUGA que pasa dos
veces por la vertical del rodillo, una
por encima del eje, ejerciendo una
fuerza ascendente que se resta al
peso que el rodillo ejerce sobre el
suelo, y otra por debajo del eje, ejerciendo una fuerza vertical hacia
abajo que se suma al peso aplicado
por el rodillo en el terreno, potenciando así el efecto del mismo
sobre el material a compactar.
Con este sistema se consigue otra
variable –fuerza centrífuga- que,
con un consumo energético relativamente bajo (sólo hay que hacer
girar un determinado eje, cosa
bastante simple en mecánica), nos
permite mejorar sensiblemente las
posibilidades actuando conjuntamente con el peso aplicado.
3. EL PRESENTE.
LA COMPACTACIÓN VIBRATORIA
En la actualidad los compactadores vibratorios que se usan en
nuestras obras son máquinas autopropulsadas que, además del rodillo
vibratorio con el eje interno dotado
de las masas excéntricas, montado
en un bastidor delantero, constan
de un bastidor trasero, articulado
con el anterior que apoyado sobre
un eje con dos neumáticos, para
dar tracción a la máquina, soporta
el motor térmico y las bombas
hidráulicas
de transmisión de
potencia. Puesto que los modernos
compactadores son máquinas
totalmente hidrostáticas en las
que el motor proporciona energía
a unas bombas hidráulicas que a
través de diversos circuitos transmiten la potencia a cilindros y
motores hidráulicos que se encargan
de realizar las diversas funciones de
la máquina (tracción, vibración,
dirección, etc.)
Los primeros compactadores autopropulsados vibratorios confiaban
la tracción únicamente a las ruedas
traseras, pero en una etapa posterior
se dotó de tracción también al
rodillo, lo que redunda en beneficio de la compactación. Ya que un
rodillo “empujado” tiende a formar
por delante de su generatriz de
contacto con el suelo una pequeña
onda en la superficie del material,
mientras que un rodillo con tracción propia ayuda a meter este
material bajo la zona de contacto y
realiza un mejor acabado de la
compactación.
Por su parte las masas excéntricas
modernas están formadas por dos
partes móviles que hacen que,
según el sentido de giro impartido
a su eje de rotación, adopten dos
posiciones relativas con distinta
distancia desde el centro de gravedad del conjunto hasta el eje de
giro (distancia que se denomina
EXCENTRICIDAD) y que permite a
la máquina trabajar con dos amplitudes nominales distintas y, como
consecuencia, con dos fuerzas centrífugas distintas, lo que en el argot
de la compactación suele denominarse como compactación “basta”
o “gruesa” y compactación “fina”.
La AMPLITUD NOMINAL es un
valor teórico que viene dado por
la relación entre el producto de la
masa excéntrica por su excentricidad (que es el origen de la fuerza
centrífuga) dividido por la masa
inerte vibrante (la masa de todo el
rodillo puesto en vibración) que
es la masa que se “opone” a la
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Masas excéntricas de dos posiciones para proporcionar dos amplitudes
excitación provocada por la fuerza
centrífuga.
Alta Amplitud
amortiguadores que unen el rodillo
vibrante al bastidor.
(origen de la fuerza
centrífuga cuando se
Mxe
produce el giro)
4. LA ACTUALIDAD.
LA FRECUENCIA DE VIBRACIÓN
Baja Amplitud
cia determinada a la cual, si reciben una excitación de esa determinada frecuencia comienzan a
vibrar con esa misma frecuencia
que se denomina “frecuencia de
resonancia”.
AN =
Mo
(masa que se opone
a la acción de la
fuerza centrífuga)
La amplitud nominal sería la amplitud de oscilación que adquiriría el
rodillo si estuviese funcionando
“idealmente suspendido” en el aire
por una cadena. En la realidad no
se llega a obtener porque el rodillo
actúa sobre el suelo e intervienen
también los efectos de acciónreacción producidos por éste.
Para comparar el efecto que pueden ejercer dos máquinas distintas, es muy habitual que se comparen sus pesos (aunque lo que
realmente interviene en la compactación es la CARGA LINEAL
ESTÁTICA o kilogramos por cada
centímetro de longitud de su generatriz, que el rodillo transmite al
suelo en estado de reposo) y sus
fuerzas centrífugas. Pero en realidad habría que considerarlos de
forma conjunta y teniendo en
cuenta también otros factores, que
habitualmente no se contemplan
nunca, como puede ser la disminución del efecto de la fuerza centrífuga producida por los tacos
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Hay otro factor, generalmente inadvertido, que tiene suma importancia en los efectos producidos por
el compactador sobre el material.
Se trata de la FRECUENCIA DE LA
VIBRACIÓN.
La frecuencia viene dada por el
número de vueltas que los contrapesos excéntricos dan sobre su eje
en una unidad de tiempo, se mide
en revoluciones por minuto o en
Herzios que es el número de vibraciones producidas por segundo de
tiempo, y en realidad significa el
número de veces que la fuerza centrífuga pasa por la vertical inferior
del rodillo en la unidad de tiempo.
Esta frecuencia en ciertas condiciones, gracias a la resonancia, se
transmite al material con un rendimiento energético muy superior al
que se produce en la transmisión
de fuerzas. No hay más que observar el funcionamiento de un horno
de micro-ondas, basado en el fenómeno físico de la resonancia.
LA RESONANCIA consiste en que
los diversos materiales, según sus
características, tienen una frecuen-
Cada material presenta una frecuencia de resonancia característica y concretamente las moléculas
de agua tienen una frecuencia de
resonancia de 2.450 Mega Herzios,
es decir 2.450 millones de Hz
(2.450.000.000 de vibraciones
por segundo).
Pues bien, un horno de microondas no es más que una caja cerrada en cuyo interior hay un emisor
de frecuencias capaz de emitir precisamente a 2.450 MHz (frecuencia de resonancia de las moléculas
de agua) y éstas al entrar en vibración por “resonancia“, rozan entre
sí y se calientan por lo que se produce el calentamiento de cualquier producto que se haya introducido en él y que contenga agua
en su composición.
Invitamos al lector a hacer el
siguiente y sencillo experimento:
Colocar en el horno de microondas
simultáneamente dos vasos, uno
con garbanzos secos y otro con
garbanzos que hayan pasado una
noche en remojo, como se hace
habitualmente para cocinarlos.
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Después de uno o dos minutos en
el interior del microondas funcionando, sacarlos y comprobar la
temperatura adquirida por cada
uno de ellos. ¡Cuidado con quemarse!
Ya en las investigaciones iniciadas
por la DEGEBO H. Lorentz midió en
1932 las frecuencias de resonancia
de diversos tipos de suelos obteniendo valores desde 19 Hz para
terrenos flojos hasta 30 y 34 Hz para
piedras calizas y areniscas duras.
Es decir, los diversos tipos de terrenos, según sus características y en
función del estado físico que van
obteniendo después de cada pasada de compactación, presentan una
frecuencia de resonancia determinada en cada momento cuyos valores están comprendidos en el entorno de los 18 a los 34 Hz.
Para aprovechar este fenómeno
físico de la resonancia, los compactadores de última generación
CATERPILLAR para suelos disponen de un sistema de variación
continua de la frecuencia, a través
de una bomba de caudal variable
que acciona el motor hidráulico de
la vibración, lo que permite al
compactador emitir la frecuencia
más adecuada para adaptarse en
cada momento a la “frecuencia de
resonancia” que el material a compactar presente. Con lo cual consiguen poner a vibrar las partículas
del suelo (igual que las moléculas
de agua lo hacían dentro del
microondas) y con ello pierden los
contactos tangenciales que las
sostienen por rozamiento “recolocándose” en menores espacios;
con lo que se consigue disminuir
el volumen de huecos del conjunto y en definitiva mejorar la compactación.
Con este sistema de “frecuencia
variable” se consigue aumentar la
eficiencia del compactador por un
procedimiento de transmisión de
energía mucho más efectivo que
transmitiendo solo cargas o fuerzas, la transmisión de la frecuencia
por “resonancia”.
que en nuestro país la casi totalidad de los compactadores que se
comercializaban estaban en el
entorno de las 10 - 12 toneladas.
5. EL FUTURO. LA EFECTIVIDAD
EN LA COMPACTACIÓN
A partir de los años 80 empezaron a utilizarse mayores tamaños, del orden de 15 t, y a partir
de los 90 se alcanzaron y se
superaron en algunos casos las
20 t, entendiendo que de esta
forma se consiguen mejores
compactaciones y se lograba realizar tongadas de un metro de
espesor y superiores.
Debido a la mentalidad que aún se
mantiene, heredada de la compactación estática, de que para conseguir
mayor efectividad es necesario un
mayor peso; en nuestro país existe
una tendencia al gigantismo en el
uso de compactadores para suelos.
Realmente el uso de compactadores muy pesados sólo tiene sentido en la compactación de pedraplenes y así constaba en el artículo 331 dedicado en estos materiales en el PG-3 publicado en 1975
“si en la compactación se utilizan
rodillos vibratorios, el peso estático del equipo no deberá ser inferior a diez toneladas (10 t)” (punto
331.5.6 Compactación).
Pero curiosamente esta norma se
hizo extensiva a todo tipo de rellenos cuando el PG-3 en el punto
330.5.4 del artículo 330 Terraplenes sólo hace mención a que: “En
la coronación de los terraplenes, la
densidad que se alcance no será
inferior a la máxima obtenida en el
ensayo Proctor Normal…” “…En
los cimientos y núcleos de terraplenes la densidad que se alcance
no será inferior al noventa y cinco
por ciento (95%) de la máxima
obtenida en dicho ensayo”.
Y, por último: “… Si se utiliza para
compactar rodillos vibrantes,
deberán darse al final unas pasadas sin aplicar vibración, para
corregir las perturbaciones superficiales que hubiera podido causar
la vibración y sellar la superficie”.
Pero en ningún momento hace referencia al tamaño del compactador.
La aplicación de esta norma de
pedraplenes a los terraplenes, hizo
Realmente hay pocos datos contrastados del aumento de efectividad conseguido con el aumento
de peso, entre otras cosas porque
la medición de las densidades
obtenidas afecta sólo a los 20 ó 60
primeros centímetros de la tongada, tanto si se hace por el método
de la arena como si se hace por el
de la sonda nuclear o la placa de
carga. Siendo una auténtica “suposición” el que estos resultados se
pueden extrapolar a todo el espesor de una tongada de 90, 100 o
más centímetros.
Hay publicado un estudio realizado
en la compactación de un pedraplén con tongadas de 90 cm. en
la autopista inglesa M-62 de
Lancashire a Yorkshire. En el que
consta que el número de pasadas
para conseguir la compactación
requerida con compactadores de
5, 8,5, 11 y 15 t era de 12, 8, 6 y
4. Uniendo estos puntos por una
función de segundo grado nos
resulta la hipérbole de la figura en
la que coinciden los datos de otra
autopista francesa en donde utilizando un compactador de 10,5 t.
se realizaban 6 pasadas y los datos
de la construcción de uno de los
primeros pedraplenes importantes
que se realizaron en España, el de
Istiña en la autopista BilbaoBehovia que para capas de 1 m. se
daban 8 pasadas con un compactador de 12 t.
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ción y el control de la mismacomo de los operadores de los
compactadores y los encargados
de tajo, que tradicionalmente suelen trabajar más basados en sus
experiencias anteriores.
PESO del compactador (t)
Pedraplén en capas de 90 cm (Autopista M-62 Lancashire - Yorkshire)
Relación Peso - Nº de pasadas
Pedraplén
capas de
90 cm
Pedraplén
de Istiña
capas
de 1m
Nº PASADAS
Autopista
francesa
Relación entre el Nº de pasadas y el peso del compactador
Según este gráfico observamos que
el ideal podría estar en el entorno de
las 15 t. para compactar en 4 pasadas
ya que para ahorrar una pasada y
situarnos en las 3, tendríamos que
alcanzar las 22 t. de peso y para conseguirlo en 2 pasadas alcanzar 40 t.,
lo que de momento es una exageración para un compactador vibratorio.
Teniendo en cuenta además que para
la buena "recolocación" de las partículas del material, conviene que las
pasadas sean varias.
Esta tendencia a sobredimensionar el peso del compactador tiene
también el inconveniente añadido
de que el rendimiento energético
de la operación disminuye, al tener
que trasladar continuamente un
sobrepeso aplicando para ello la
energía suficiente.
Por tanto, el futuro de la compactación tiene que pasar por utilizar
más apropiadamente los parámetros que ofrecen las modernas
máquinas, con un conocimiento
más profundo de sus posibilidades
tanto por parte de los técnicos
implicados en todo el proceso
-desde el proyecto hasta su ejecu-
El trasladar experiencias anteriores a otros trabajos, en donde el
material y las condiciones con los
que se operan son distintos,
puede originar fracasos que a
veces parecen inexplicables y que
no se deben nada más que a condiciones externas, que han cambiado en cierto modo; lo que no se
descubre si no es con un análisis
exhaustivo.
Es necesario destacar que la tendencia actual es a utilizar cada vez
materiales de peor calidad, no hay
más que ver la nueva redacción
dada al PG – 3, puesto que es más
difícil encontrar prestamos de calidad y es prácticamente imposible
arrojar materiales a vertedero
Como consecuencia de todo esto,
si queremos conseguir las calidades que las obras modernas
requieren, lo cual -como vimos al
principio del artículo- es hoy
imprescindible, tenemos todos
que considerar a la compactación
como la técnica relativamente
compleja que es, a pesar de su
aparente sencillez.
Compactador moderno con variación gradual y continua de la frecuencia para conseguir trabajar con la frecuencia de resonancia
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