Coeficiente de esponjamiento y compactación: cómo aplicarlos
Introducción
En obra civil el manejo de volúmenes y masas de terreno es crítico para el control económico y técnico de movimientos de tierras. Dos conceptos básicos que condicionan mediciones, presupuestos y control de ejecución son el coeficiente de esponjamiento y el coeficiente de compactación. Esta guía técnica sintetiza definiciones, tipos, factores de control y recomendaciones prácticas para su correcta aplicación en proyectos en España, orientada a ingenieros y responsables de obra.
Definición técnica del concepto
Coeficiente de esponjamiento: es la relación entre el volumen que ocupa un material una vez excavado y transportado en estado suelto (o apilado) y el volumen que ocupaba en masa en su situación natural en el terreno. Se puede expresar mediante relaciones de volúmenes o, de forma más robusta, derivarse a partir de la conservación de la masa usando densidades en estado in situ y en estado suelto. Es decir, la masa excavada es constante, por tanto la relación entre volúmenes se obtiene a partir de las densidades correspondientes.
Coeficiente de compactación: recoge la relación entre la densidad seco o húmeda alcanzada in situ tras compactación y la densidad de referencia del material determinada en ensayo de laboratorio. En la práctica se utiliza para establecer metas de ejecución y criterios de aceptación, y también puede expresarse en términos de volumen: el volumen final compactado depende de la masa disponible y de la densidad conseguida en obra.
Tipos / Clasificación
Por naturaleza del material:
– Materiales granulares: arenas, gravas y mezclas con poca cohesión. Su esponjamiento es controlado por granulometría y humedad.
– Materiales cohesivos: limos y arcillas. Presentan comportamiento de esponjamiento y retracción distinto por la humedad.
– Materiales orgánicos o con materia orgánica: inapropiados para uso estructural sin tratamiento.
Por estado de referencia:
– Estado in situ (masa natural).
– Estado suelto (desmenuzado, apilado o transportado).
– Estado compactado (en obra, tras labores de compactación).
Por método de referencia de compactación:
– Ensayos de referencia de laboratorio (métodos normal y reforzado).
– Especificaciones de proyecto que definen densidad objetivo y criterio de control.
Factores técnicos clave
Densidad y masa: la relación entre densidades en distintos estados permite convertir volúmenes. Para cualquier fracción de material, la masa excavada M se expresa como M = rho_in situ * V_in situ = rho_suelto * V_suelto = rho_comp * V_comp. A partir de aquí se calculan los volúmenes requeridos para transporte y relleno.
Granulometría y contenido de finos: afectan la porosidad y, por tanto, el esponjamiento y la respuesta a la compactación. Material bien graduado ofrece mejores compactaciones y menor esponjamiento aparente.
Humedad: controla la trabajabilidad y la densidad alcanzable. Existe un rango de humedad óptimo para compactación; fuera de ese rango se incrementan gases o huecos y disminuye la eficiencia.
Energía y método de compactación: el equipo (rodillo vibratorio, placa vibrante, apisonador), el modo de paso y la energía aportada determinan la densidad conseguida. La selección debe ajustarse a la naturaleza del material y al objetivo de densidad de proyecto.
Espesor de capa (capas de aportación): capas demasiado gruesas impiden alcanzar densidades objetivo; demasiado delgadas elevan costes. El control del espesor en proyecto y obra es esencial.
Stockpiles y transporte: el esponjamiento en pilas y la segregación durante transporte afectan a la cantidad neta aprovechable. El control de pilas, desagregación y humectación puede reducir incertidumbres.
Ensayos de control: ensayos de referencia en laboratorio y densidad in situ mediante métodos acreditados son imprescindibles para determinar coeficientes propios del material y validar la ejecución.
Aplicación práctica y fórmulas básicas
Para convertir volúmenes entre estados se recomiendan procedimientos basados en densidades:
– Calcular masa excavada M a partir de densidad in situ y volumen en planta: M = rho_in situ * V_in situ.
– Obtener volumen suelto V_suelto = M / rho_suelto.
– Obtener volumen compacto V_comp = M / rho_comp.
De forma alternativa puede definirse el coeficiente de esponjamiento k_e = V_suelto / V_in situ y el coeficiente de compactación k_c = V_comp / V_in situ, pero su uso debe sustentarse en ensayos representativos del material y condiciones reales de obra.
Normativa aplicable en España (general; no inventar artículos)
La aplicación de coeficientes y controles de compactación debe ajustarse a la normativa técnica vigente en obras públicas y privadas, a las especificaciones de proyecto y a las normas reconocidas de ensayo y control. Entre los marcos aplicables cabe citar la normativa técnica de carreteras y de obras públicas, las normas UNE y europeas para ensayos geotécnicos y de suelos, y los pliegos técnicos que establecen criterios de control de calidad y aceptación. Asimismo, deben considerarse requisitos ambientales y de gestión de materiales que determinan tratamiento y reutilización de excavados.
Errores comunes
Uso de coeficientes genéricos sin ensayo: aplicar factores tabulados sin contrastarlos con muestras de obra conduce a desviaciones importantes en mediciones de volumen y coste.
Confundir estados y unidades: no distinguir entre volumen in situ, volumen suelto y volumen compactado genera errores en presupuestos y control de ejecución.
No considerar humedad y estacionalidad: variaciones de humedad entre muestreo de laboratorio y condiciones de obra alteran resultados de esponjamiento y compactación.
Mala gestión de pilas y transporte: la segregación y el incremento de esponjamiento en stockpiles pueden provocar falta de material apto o exceso de reprocesos.
Espesor de capa inadecuado y equipo mal seleccionado: ambos reducen la eficiencia de compactación y obligan a repeticiones.
Control documental insuficiente: no registrar densidades, masas y volúmenes en cada fase impide reconstruir balances y justificar variaciones de contrato.
Preguntas frecuentes
¿Qué es exactamente el coeficiente de esponjamiento?
Es la relación entre el volumen que ocupa un material tras ser excavado y apilado en estado suelto y el volumen que ocupaba en masa en su situación natural. Se recomienda determinarlo mediante ensayos representativos y no usar valores genéricos sin verificación.
¿Cómo se calcula en obra de forma práctica?
A partir de la conservación de la masa: medir densidad in situ y densidad del material suelto en laboratorio o en pilas; con esas densidades puede obtenerse la conversión de volúmenes de forma fiable.
¿Con qué ensayos de laboratorio debo trabajar?
Ensayos de densidad, ensayos de compactación de referencia y caracterización granulométrica y de humedad. Seleccione normas y procedimientos reconocidos por la administración o el pliego.
¿Cómo se traduce el coeficiente a cantidades de movimiento de tierras?
Convierte el volumen in situ a volumen suelto para transporte y a volumen compactado para rellenos aplicando las relaciones de masa y densidad. Mantenga trazabilidad de cálculos.
¿Se puede reducir el esponjamiento?
Sí, mediante gestión de stockpiles, control de humedad, evitar sobreexcavación innecesaria y elegir equipos y procedimientos de excavación que minimicen la desagregación.
¿Cómo se elige el objetivo de compactación?
El objetivo debe fijarse en función del proyecto (capas estructurales, subrasantes, rellenos de estabilización) y validarse con ensayos de laboratorio y criterios de control in situ acordados con la dirección de obra.
¿Qué hacer si el material no alcanza la densidad objetivo?
Reevaluar humedad, energía de compactación, espesor de capa y composición del material. Puede requerirse tratamiento, sustitución o mezcla con material más apto.
¿Es legal reutilizar excavados sin tratamiento?
Depende de su caracterización, de los requisitos del proyecto y de la normativa ambiental y de obra. La reutilización exige control documental y cumplimiento de especificaciones técnicas.
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