Introducción a los equipos de compactación: la mecánica de la compactación del suelo mediante vibración y carga repetida.

A diferencia de otras máquinas de construcción —que excavan, transportan o apilan—, los equipos de compactación modifican el suelo o el material de pavimentación sin moverlo. Un rodillo o una placa aplica cargas repetidas al terreno, expulsando el aire entre las partículas de tierra y aumentando su densidad para incrementar su resistencia, capacidad portante y durabilidad. Es un proceso poco atractivo, pero una compactación insuficiente de la subrasante o el terraplén siempre se manifiesta posteriormente en forma de asentamientos o surcos.

Un rodillo vibratorio en servicio

Imagen: CAT CS563E (Alexandre Prevot, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. No se trata de los modelos específicos de Sakai Heavy Industries o Mikasa Sangyo que se mencionan en el texto, sino de un ejemplo representativo del diseño de un rodillo vibratorio de un solo tambor.

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Figura 1: La rotación de la masa excéntrica genera excitación; junto con el peso de la máquina, produce una carga de contacto que varía en cada ciclo. La calidad también depende de la velocidad de desplazamiento, el tipo de suelo, la humedad y el espesor de la capa, por lo que las pruebas y mediciones deben definir tanto las condiciones de funcionamiento como la regla de parada.

0. Resumen de 30 segundos

• Para la compactación del suelo, existe un "contenido óptimo de humedad" en el que se obtiene la mayor densidad seca para un contenido de humedad dado. La prueba de laboratorio que determina esto es la prueba Proctor (la Ensayo de compactación del suelo mediante apisonadora, organizado como una curva de compactación.

• Un rodillo vibratorio hace girar un peso excéntrico dentro del tambor para generar fuerza centrífuga (la fuerza de excitación). Esta fuerza de excitación suele ajustarse a aproximadamente 2-3 veces el peso del propio tambor, combinando la carga estática del peso con la carga dinámica de la vibración para compactar el suelo.

• Una amplitud grande con baja frecuencia es adecuada para capas gruesas y suelos de grano grueso; una amplitud pequeña con alta frecuencia es adecuada para capas delgadas y el acabado. Esta diferenciación determina tanto el tipo de máquina como el diseño de conmutación de modos.

• Las compactadoras de placa y las apisonadoras son máquinas pequeñas que se utilizan para compactar en lugares donde una apisonadora grande no puede acceder: pendientes, áreas cercanas a estructuras, zanjas de excavación estrechas, etc.

• En el asfaltado, se utilizan secuencialmente una apisonadora de macadán (compactación inicial), una apisonadora tándem (compactación final) y una apisonadora de neumáticos (compactación secundaria/alisado) para cada etapa del proceso.

1. ¿Por qué compactar?: El ensayo Proctor y la compactación óptima Contenido de humedad

La resistencia, la resistencia al asentamiento y la permeabilidad de un terraplén o subrasante están estrechamente relacionadas con la densidad seca del suelo (la masa de partículas de suelo por unidad de volumen). En 1933, el investigador estadounidense Proctor descubrió que, al compactar el mismo suelo con diferentes contenidos de humedad, la densidad seca alcanza un máximo en un contenido de humedad determinado. En Japón, se utiliza el ensayo de compactación de suelos con pisón (un ensayo de laboratorio conforme a la norma JIS, equivalente al ensayo Proctor) para investigar esta relación.

En el ensayo, se coloca una muestra de suelo en un recipiente llamado molde, y se deja caer repetidamente un pisón (peso) de masa específica desde una altura determinada para compactarlo. Al compactar con aproximadamente 6 a 8 contenidos de humedad diferentes y representar gráficamente la relación entre el contenido de humedad y la densidad seca como una curva de compactación, se obtiene una curva en forma de montaña. El contenido de humedad en el que se maximiza la densidad seca se denomina contenido de humedad óptimo (w_{opt}), y la densidad seca en ese punto es la densidad seca máxima (\rho_{d,max}). Para suelos arenosos gruesos y bien graduados, la curva de compactación presenta un pico pronunciado, con \rho_{d,max} tendiendo a ser alto y w_{opt} bajo (como referencia, w_{opt} alrededor del 8–20% y \rho_{d,max} alrededor de 1,7–2,1 g/cm³). Por el contrario, los suelos cohesivos con alto contenido de finos presentan una curva más suave, con \rho_{d,max} menor y w_{opt} mayor (como referencia, w_{opt} alrededor del 30–70% y \rho_{d,max} alrededor de 1,1–1,3 g/cm³, ambos para el Método A).

En obra, el estándar de gestión es el porcentaje de la densidad seca máxima obtenida en laboratorio que alcanza la densidad seca del suelo compactado (el grado de compactación). Los suelos cuyo contenido de humedad está lejos del valor óptimo no alcanzarán dicho porcentaje. La densidad objetivo se mantiene constante independientemente del aumento de la fuerza de excitación de la máquina. El ajuste del contenido de humedad mediante riego o aireación, así como la capacidad de compactación de la máquina, siempre deben considerarse como un conjunto.

2. Mecanismo de excitación de un rodillo vibratorio

Un rodillo vibratorio tiene un eje giratorio con una masa excéntrica (masa desequilibrada) dentro del tambor, y genera fuerza de excitación al hacerlo girar a alta velocidad con un motor. Siendo la masa de la masa excéntrica m_e, su distancia excéntrica al centro de rotación r_e y la velocidad angular \omega, la amplitud de la fuerza centrífuga (fuerza de excitación) es:

Dado que la velocidad angular \omega=2\pi f (donde f es la frecuencia), cuanto mayor sea la frecuencia, más bruscamente aumentará la fuerza de excitación. El cuadrado de la velocidad angular. La fuerza que el tambor transmite al suelo es la carga estática debida a su propio peso, M_{drum}g, superpuesta a esta fuerza de excitación rotatoria, F_c\sin(\omega t). En la práctica, la fuerza de excitación suele ajustarse a aproximadamente 2-3 veces el peso del tambor, lo que significa que este aplica periódicamente una carga dinámica lo suficientemente grande como para levantarlo momentáneamente del suelo.

La amplitud a se determina mediante un valor cercano a:

dividiendo el momento estático del peso excéntrico m_e r_e entre la masa equivalente M_{eq} del sistema vibratorio, incluido el tambor. La frecuencia y la amplitud son parámetros que pueden diseñarse y ajustarse de forma independiente: una amplitud grande y una frecuencia baja permiten que la energía de compactación penetre profundamente en capas gruesas de suelo, lo que resulta adecuado para el apisonado inicial de capas gruesas como un terraplén, mientras que una amplitud pequeña y una frecuencia alta concentran el efecto cerca de la superficie. Superficie, ideal para escenarios como el acabado de asfalto con rodillos, que requieren capas delgadas y alta planitud. Muchas máquinas actuales cuentan con modos que cambian la frecuencia y la amplitud por etapas, lo que permite que la misma unidad cubra todo, desde el acabado inicial hasta el acabado final.

La SV160DV de Sakai Heavy Industries publica especificaciones que muestran una frecuencia de 28,3 Hz (alta vibración) y una fuerza de excitación de 343 kN, lo que sirve como referencia para la fuerza de excitación que se encuentra en rodillos vibratorios medianos y grandes para movimiento de tierras.

3. Compactadores de placa y apisonadores: Compactación en espacios reducidos

En pendientes, áreas cercanas a estructuras, alrededor de tuberías enterradas y zanjas de excavación estrechas —lugares a los que no puede acceder un rodillo vibratorio grande— se utilizan compactadores de placa portátiles o apisonadores (pistoneadores). Un compactador de placa tiene un mecanismo de vibración integrado en la parte inferior de una placa plana, que se autopropulsa hacia adelante/atrás y de lado a lado para compactar el área. Un apisonador aplica el impacto rebotando verticalmente, lo que resulta adecuado para agujeros verticales estrechos. Relleno.

La compactadora de placas MVC-40H de Mikasa Sangyo tiene una masa de 49 kg, una fuerza centrífuga de 7,2 kN (730 kgf) y una frecuencia de 103 Hz (6200 veces por minuto). Su fuerza de excitación es un orden de magnitud menor que la de un rodillo vibratorio grande, pero su frecuencia es, por el contrario, mayor, lo que demuestra que está diseñada para usarse en espacios reducidos donde una persona empuja la unidad para compactar con precisión. Su ligero peso de 49 kg se debe a la prioridad que se le da al manejo manual y a la portabilidad.

4. Rodillos de asfalto: Uso diferenciado según la etapa del proceso

La compactación del pavimento asfáltico no se realiza con una sola máquina. El rodillo de macadán, con una rueda de acero en la parte delantera y dos en la trasera, es pesado (con un peso propio de aproximadamente 6 a 16 t) y se utiliza para compactar la piedra triturada y para el apisonado inicial de la mezcla asfáltica. El rodillo tándem, con ruedas de acero que abarcan El ancho total del vehículo, tanto delantero como trasero, permite compactar una amplia superficie de una sola vez, ideal para el acabado. El rodillo de neumáticos, con neumáticos de caucho en ambas ruedas, ofrece una distribución de presión sobre el suelo fácilmente ajustable mediante la presión de aire de los neumáticos y se utiliza para la compactación secundaria y el alisado de la superficie. El rodillo combinado, equipado con ruedas de acero y neumáticos, cubre un amplio rango de tareas, desde la compactación inicial hasta el acabado, con una sola máquina.

En obra, la secuencia típica consiste en la compactación inicial (con rodillo de macadán o rodillo vibratorio) para lograr la mayor parte de la densidad, la compactación secundaria (con rodillo de neumáticos) para corregir surcos e irregularidades, y la compactación final (con rodillo tándem) para refinar la suavidad y la textura de la superficie. Dado que la mezcla asfáltica se vuelve más difícil de compactar a medida que baja su temperatura, la sincronización de la compactación y la combinación de máquinas constituyen un proceso que requiere una gestión de tiempo especialmente estricta dentro del plan de construcción.

5. Gama de equipos de compactación disponibles en la actualidad

Mikasa Sangyo MVC-40H | Compactador de placas | Masa de la máquina 49 kg, fuerza centrífuga 7,2 kN, frecuencia 103 Hz | Compactación en espacios reducidos, pendientes y rellenos |

El orden de magnitud de la fuerza de excitación, la frecuencia y la masa difiere considerablemente entre un rodillo vibratorio grande y un compactador de placas portátil. Esto no se debe simplemente a que "el más grande también puede hacer el trabajo más pequeño", sino que demuestra que la filosofía de diseño del sistema vibratorio cambia según el espesor de la capa que se compacta y el espacio de trabajo disponible.

6. Resumen

La función de los equipos de compactación es aplicar cargas repetidas al suelo o al material de pavimentación, reduciendo los huecos para lograr una densidad seca y una capacidad portante específicas. El contenido óptimo de humedad y la densidad seca máxima se determinan mediante la prueba Proctor. Se establece el valor objetivo para el ajuste del contenido de humedad como meta de gestión de la construcción. La fuerza de excitación, la frecuencia y la amplitud del rodillo vibratorio son las variables de diseño que determinan cuánta energía dinámica alcanza dicho valor y a qué profundidad. Desde compactadoras de placas hasta rodillos de asfalto, aunque el tipo de máquina difiera, el principio de "transmitir el peso propio más la fuerza de excitación al suelo, en función del espesor de la capa y el tipo de suelo" es común, y la selección del modelo y la secuencia de procesos en obra se basan en este principio.

Referencias

• [Building Research Institute Testing Center — Prueba de compactación de suelos mediante apisonador (Serie de pruebas fáciles de entender)]( https://www.gbrc.or.jp/assets/test_series/documents/so_09.pdf - Laboratorios de Ensayos Doken — ¿Qué es el ensayo de compactación de suelos mediante apisonadora (conforme a la norma JIS)?
• Ministerio de Tierras, Infraestructura, Transporte y Turismo, Oficina de Desarrollo Regional de Chubu — Tecnología de gestión de la compactación mediante la respuesta de aceleración del rodillo vibratorio, el "sistema α"
• Mikasa Sangyo — Compactadora de placas MVC-40H
• ARAV — ¿Qué es un rodillo vibratorio? Tipos y usos, incluyendo tipos para movimiento de tierras y compactación
• ARAV — ¿Qué es un rodillo para macadán? Características y diferencias con un rodillo tándem