Cono de arena: cómo medir la densidad del suelo in situ
Conocé cómo funciona el cono de arena, cómo se calcula la densidad seca del suelo en obra y de qué manera se determina el porcentaje de compactación respecto del ensayo Proctor.
ENSAYOS Y PROCEDIMIENTOS
PARÁMETRO
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Cono de arena: cómo medir la densidad del suelo in situ
La compactación de un suelo no puede verificarse solamente observando su superficie o contando las pasadas realizadas por el equipo compactador.
Para evaluar el resultado alcanzado es necesario determinar la densidad seca del material colocado en obra y compararla con la densidad seca máxima obtenida previamente mediante un ensayo Proctor.
El método del cono de arena permite medir la densidad del suelo in situ a partir del volumen de una pequeña excavación realizada en la capa compactada.
Qué es el cono de arena
El cono de arena es un equipo utilizado para determinar el volumen de un orificio excavado en el terreno.
Está compuesto generalmente por:
Un frasco o recipiente para contener arena calibrada.
Una válvula de apertura y cierre.
Un cono metálico.
Una placa base con abertura central.
Arena seca, limpia y de densidad conocida.
Recipientes y herramientas para conservar el suelo extraído.
Durante el ensayo, la arena fluye desde el frasco y llena el cono, la abertura de la placa y el orificio excavado.
Conociendo la masa de arena que ingresó en el pozo y su densidad aparente calibrada, puede calcularse el volumen de la excavación.
Para qué sirve el ensayo
El método se utiliza principalmente para controlar la compactación de:
Terraplenes.
Subrasantes.
Bases y subbases.
Rellenos estructurales.
Rellenos de zanjas.
Plataformas.
Caminos y pavimentos.
Sectores de apoyo de estructuras.
El ensayo permite determinar la densidad seca alcanzada en campo y compararla con la densidad seca máxima de laboratorio.
De esa comparación surge el porcentaje o grado de compactación.
Relación entre cono de arena y ensayo Proctor
El ensayo Proctor permite establecer en laboratorio:
La densidad seca máxima del suelo.
La humedad óptima de compactación.
El cono de arena determina la densidad lograda realmente en la obra.
El porcentaje de compactación se calcula mediante la siguiente relación:
Porcentaje de compactación = densidad seca en campo / densidad seca máxima Proctor × 100
Por ejemplo, si la densidad seca medida mediante el cono de arena es de 1,84 g/cm³ y la densidad seca máxima Proctor correspondiente es de 1,92 g/cm³:
Porcentaje de compactación = 1,84 / 1,92 × 100 = 95,8 %
Ese resultado debe compararse con la exigencia establecida por el proyecto o el pliego.
El porcentaje requerido no es siempre el mismo. Puede variar según el tipo de obra, el sector, la función de la capa y el método Proctor utilizado como referencia.
Cómo funciona el método
El principio consiste en relacionar tres datos:
La masa húmeda del suelo extraído.
El volumen del orificio.
El contenido de humedad del suelo.
La masa del material se obtiene pesando la totalidad del suelo retirado.
El volumen se determina llenando la excavación con arena calibrada.
Finalmente, el contenido de humedad permite convertir la densidad húmeda en densidad seca.
Por qué debe calibrarse la arena
No alcanza con utilizar cualquier arena y medir cuánto se descarga.
Para calcular correctamente el volumen del pozo es necesario conocer la densidad aparente de la arena empleada bajo las condiciones del ensayo.
La arena debe presentar características que permitan un flujo uniforme y repetible. Debe encontrarse seca, limpia y libre de partículas que puedan obstruir la válvula o modificar su comportamiento.
La calibración permite determinar cuánta masa de esa arena ocupa un volumen conocido.
Densidad de la arena = masa de arena / volumen conocido
Cada vez que se cambia la partida de arena o se modifican sus condiciones, debe verificarse nuevamente la constante correspondiente según el procedimiento aplicable.
Qué es la corrección del cono
Cuando se abre la válvula, una parte de la arena llena el cono y el espacio comprendido por la placa base. Esa cantidad no ingresa en el orificio excavado.
Por lo tanto, debe determinarse previamente la masa de arena necesaria para llenar únicamente el conjunto formado por el cono y la placa.
Este valor suele denominarse corrección o constante del cono.
La masa de arena que ocupa el pozo se obtiene restando:
Masa de arena en el pozo = masa total descargada − corrección del cono
Si no se realiza esta corrección, se considerará que toda la arena descargada ingresó en la excavación y el volumen calculado será incorrecto.
Cómo se realiza el ensayo
El procedimiento general comprende las siguientes etapas:
Se selecciona una superficie representativa de la capa que se desea controlar.
Se prepara y nivela cuidadosamente el sector, evitando modificar la compactación del suelo.
Se coloca la placa base y se verifica que apoye de manera estable.
Se excava un orificio a través de la abertura central de la placa.
Se conserva la totalidad del suelo extraído, incluidas las partículas finas.
Se determina la masa húmeda del material retirado.
Se coloca sobre la placa el frasco cargado con arena calibrada.
Se abre la válvula y se permite que la arena llene el cono y la excavación.
Cuando el flujo se detiene, se cierra la válvula.
Se determina la cantidad de arena utilizada.
Se calcula el volumen del pozo.
Se determina el contenido de humedad de una porción representativa del suelo extraído.
Se calculan la densidad húmeda, la densidad seca y el porcentaje de compactación.
La secuencia detallada, las tolerancias y el tamaño de la excavación deben ajustarse a la norma o especificación correspondiente.
Cómo se calcula el volumen del pozo
Una vez conocida la masa de arena que llenó exclusivamente la excavación, el volumen se calcula mediante:
Volumen del pozo = masa de arena en el pozo / densidad de la arena calibrada
Por ejemplo, si ingresaron 2.400 g de arena en el pozo y su densidad calibrada es de 1,60 g/cm³:
Volumen del pozo = 2.400 / 1,60 = 1.500 cm³
Ese volumen corresponde al material que fue retirado de la capa ensayada.
Cómo se calcula la densidad húmeda
La densidad húmeda se obtiene dividiendo la masa húmeda del suelo extraído por el volumen de la excavación:
Densidad húmeda = masa húmeda del suelo / volumen del pozo
Si la masa húmeda retirada es de 3.000 g y el volumen del pozo es de 1.500 cm³:
Densidad húmeda = 3.000 / 1.500 = 2,00 g/cm³
Cómo se obtiene la densidad seca
Para calcular la densidad seca debe conocerse el contenido de humedad del suelo:
Densidad seca = densidad húmeda / (1 + humedad)
La humedad debe expresarse en forma decimal.
Si la densidad húmeda es de 2,00 g/cm³ y la humedad es del 8,7 %:
Densidad seca = 2,00 / 1,087 = 1,84 g/cm³
Este es el valor que debe compararse con la densidad seca máxima obtenida mediante el ensayo Proctor correspondiente.
Equipamiento necesario
Para realizar la determinación normalmente se requiere:
Cono de arena con válvula.
Frasco compatible.
Placa base.
Arena calibrada.
Balanza con capacidad y resolución adecuadas.
Herramientas para excavar.
Recipientes o bolsas para conservar el material.
Elementos para determinar el contenido de humedad.
Equipo y recipiente de volumen conocido para la calibración.
Elementos de limpieza.
Todo el material extraído debe conservarse hasta completar el pesaje y la toma de la porción destinada a humedad.
En qué suelos puede utilizarse
El método resulta apropiado cuando el suelo puede conservar la forma del orificio durante la excavación y el llenado.
La excavación debe permanecer estable y no deformarse por la manipulación, la presencia del operador o el flujo de la arena.
ASTM D1556/D1556M-24 indica que el método se utiliza generalmente en suelos no saturados y sin cantidades apreciables de partículas mayores de 38 mm.
No resulta adecuado o puede presentar dificultades cuando:
El suelo está saturado y el agua ingresa en la excavación.
El material es muy blando y se deforma fácilmente.
Las paredes del pozo se desmoronan.
El suelo es orgánico o altamente plástico.
Existen vacíos grandes en los que puede introducirse la arena.
Hay una cantidad importante de partículas gruesas.
Las vibraciones o cargas cercanas modifican el volumen del pozo.
Cuando el material contiene partículas mayores o requiere excavaciones de mayor tamaño, deben evaluarse otros procedimientos compatibles.
Cono de arena y volumenómetro a globo
Ambos métodos permiten determinar el volumen de una excavación y calcular la densidad del suelo en el terreno.
En el cono de arena, el volumen se obtiene mediante una arena de densidad conocida que llena el orificio.
En el volumenómetro, una membrana flexible se expande dentro de la excavación y permite medir su volumen.
La elección depende de:
Las características del suelo.
El tamaño máximo de partícula.
La estabilidad de la excavación.
Las condiciones de humedad.
El equipamiento disponible.
La norma o especificación exigida.
No deben considerarse métodos automáticamente intercambiables. La aceptación contractual depende del procedimiento indicado en el pliego o por la dirección de obra.
Errores frecuentes
Utilizar arena sin calibrar
Sin conocer su densidad aparente no puede calcularse correctamente el volumen del pozo.
No descontar la corrección del cono
La arena que llena el cono y la placa no forma parte del volumen excavado.
Perder suelo durante la excavación
Toda partícula retirada pertenece a la masa utilizada para calcular la densidad.
Alterar el volumen del pozo
El desprendimiento o la compactación de las paredes modifica el volumen real de la muestra extraída.
Apoyar mal la placa base
Una superficie irregular permite que parte de la arena se escape por debajo de la placa.
Permitir humedad en la arena calibrada
La humedad modifica su masa, su fluidez y su densidad aparente.
Determinar incorrectamente la humedad del suelo
La densidad seca depende directamente de este dato. La muestra debe ser representativa y conservarse adecuadamente.
Comparar con un Proctor diferente
El resultado debe relacionarse con la densidad máxima correspondiente al mismo material y al método especificado.
No deben mezclarse valores de Proctor estándar y modificado ni resultados obtenidos sobre materiales diferentes.
Ensayar demasiado cerca de bordes o vibraciones
La circulación de personas, maquinaria o equipos puede deformar la excavación o afectar la medición.
Qué información debe registrarse
El informe del ensayo debería identificar, como mínimo:
Obra y sector evaluado.
Ubicación o progresiva.
Capa y material.
Fecha de ensayo.
Masa húmeda extraída.
Contenido de humedad.
Densidad de la arena calibrada.
Corrección del cono.
Volumen del pozo.
Densidad húmeda.
Densidad seca.
Densidad máxima Proctor utilizada.
Método Proctor de referencia.
Porcentaje de compactación obtenido.
Exigencia del proyecto.
Norma o procedimiento aplicado.
Estos datos permiten verificar el cálculo y relacionar el resultado con la capa realmente ensayada.
Controlar la compactación con datos
El cono de arena transforma una excavación pequeña en un dato fundamental para el control de obra.
La confiabilidad del resultado depende de la calibración, la conservación del material extraído, la estabilidad del orificio y la correcta determinación de la humedad.
El porcentaje de compactación no debe interpretarse de manera aislada. Siempre debe compararse con el Proctor correspondiente y con la exigencia establecida para el sector evaluado.
En Parámetro podemos asesorarte en la selección del cono de arena, la placa base, los frascos y los accesorios necesarios para determinar la densidad del suelo in situ.
Consultanos indicando el material, el método y la especificación que necesitás aplicar.
Referencias técnicas
ASTM International. ASTM D1556/D1556M-24 — Standard Test Method for Density and Unit Weight of Soil in Place by Sand-Cone Method.
https://store.astm.org/d1556_d1556m-24.htmlDirección Nacional de Vialidad. VN‑E8‑66 — Control de compactación por el método de la arena.
https://www.vialidad.gba.gov.ar/documentos/archivs/70-Publicaciones%20y%20Biblioteca/202403111140310.Normas%20de%20EnsayoDNV.pdf
Antes de realizar el ensayo con fines de aceptación contractual debe verificarse qué norma, edición y procedimiento exige el pliego o la autoridad responsable de la obra.
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