Densidad en sitio: método del cono de arena (ASTM D1556)

El ensayo del cono de arena determina la densidad de un suelo en campo (in situ) y, al compararla con la densidad máxima del Proctor, entrega el grado de compactación. Es el control de calidad más usado en terraplenes, rellenos y capas de carretera. Aquí tienes el procedimiento completo, las fórmulas y una calculadora que resuelve el ensayo paso a paso.

Norma vigente: el ensayo se rige por ASTM D1556/D1556M-15 (equivalente a AASHTO T 191; en Perú, MTC E 117). La densidad seca máxima de comparación proviene del ensayo Proctor ASTM D698 (estándar) o D1557 (modificado).

El volumen del hoyo se obtiene con arena de densidad conocida; con la masa del suelo se calcula la densidad in situ y el grado de compactación.

Calculadora del cono de arena

Densidad en campo y grado de compactación. Masas en gramos, densidades en g/cm³.

Calibración (laboratorio)

Densidad de la arena — h (g/cm³)

Arena que llena el cono + placa — k (g)

Datos de campo

Frasco + arena, antes — q (g)

Frasco + arena, después — r (g)

Suelo húmedo del hoyo — o (g)

Humedad de campo — w (%)

¿No tienes la humedad? Calcúlala desde las masas

Húmedo + tara (g)

Seco + tara (g)

Tara (g)

Si completas estos tres campos, la humedad w se calcula sola: w = (húmedo − seco) ÷ (seco − tara) × 100.

Verificación de compactación

Densidad seca máx. Proctor (g/cm³)

Grado de compactación especificado (%)

Resultados

Arena en el hoyo (u)

—

Volumen del hoyo (V)

—

Densidad húmeda (Dₕ)

—

Densidad seca (Dₛ)

—

Grado de compactación

—

Especificado

—

Calculadora del cono de arena · v1.0 · Cueva del Ingeniero Civil Reportar un error: cuevadelcivil@gmail.com

¿Cómo determinar la densidad de un suelo compactado con el método del cono de arena?

A continuación se detallan el objetivo, el material, el equipo de laboratorio y el procedimiento del ensayo de determinación de densidad en sitio por el método del cono de arena.

1. Objetivo del ensayo

Determinar la densidad y el porcentaje de humedad de un suelo natural o de un estrato previamente compactado, para verificar el grado de compactación alcanzado en obra.

2. Material

Se emplea una arena cuarzosa (tipo arena de Ottawa) de partículas redondeadas y uniformes, con la siguiente granulometría de referencia:

Tamiz	% Retenido
N.º 16	0
N.º 30	0 – 4
N.º 50	76 – 77
N.º 100	96 – 100

3. Equipo de laboratorio

• Frasco con cono y válvula.
• Placa base hueca de 6″ de diámetro.
• Clavos, cincel, combo (mazo) y brocha.
• Cuchara, bañador y pocillos.
• Balanza de 20 kg con precisión de 1.0 g.
• Horno de secado.

4. Procedimiento

A) Calibración del aparato

Antes del ensayo se calibra el frasco con cono para conocer la densidad de la arena (h) y la masa de arena que llena el cono y la placa (k):

1. Peso aparato + agua (a).
2. Peso aparato (b).
3. Peso del agua (c) = a − b.
4. Volumen del frasco y tapa (d) = c.
5. Peso aparato + arena seca (e).
6. Peso aparato (f) = b.
7. Peso de arena seca (g) = e − f.
8. Densidad de la arena seca (h) = g ÷ d.
9. Peso aparato + arena seca (i) = e.
10. Peso aparato + arena tras llenar el embudo (j).
11. Peso de arena que llena el cono/embudo (k) = i − j.

B) En sitio

1. Limpiar y nivelar el sector, de modo que la placa no quede suspendida.
2. Colocar la placa perforada y asegurarla con clavos en los cuatro costados.
3. Excavar con cincel y combo unos 12 cm de profundidad.
4. Guardar la muestra excavada en bolsa, a la sombra.
5. Limpiar fondo y paredes con la brocha y recoger el suelo suelto con la cuchara.
6. Pesar el suelo húmedo excavado.
7. Llenar el frasco con cono con arena, por caída libre.
8. Pesar el aparato + arena.
9. Colocar el equipo invertido sobre la placa y abrir la válvula; dejar caer la arena libremente.
10. Cuando deje de caer arena, cerrar la válvula.
11. Pesar el aparato + la arena que queda en el frasco.

C) Determinación del porcentaje de humedad

Con una muestra del suelo extraído:

% Humedad (w) = (Peso del agua ÷ Peso del suelo seco) × 100

D) Determinación del peso del suelo

1. Peso del suelo húmedo retirado del hoyo + vasija (m).
2. Peso de la vasija (n).
3. Peso del suelo húmedo retirado del hoyo (o) = m − n.
4. Peso del suelo seco retirado del hoyo (p) = o × 100 ÷ (100 + w).

E) Determinación del volumen del hoyo

1. Peso arena calibrada + aparato (q) = e.
2. Peso arena que queda + aparato (r).
3. Peso de arena para llenar hoyo + embudo (s) = q − r.
4. Peso de arena en el embudo (t) = k.
5. Peso de arena que llena el hoyo (u) = s − t.
6. Volumen del hoyo (V) = u ÷ h.

F) Determinación de la densidad y el grado de compactación

Densidad húmeda (Dₕ) = o ÷ V  ·  Densidad seca (Dₛ) = Dₕ ÷ (1 + w/100)

Se anota la densidad seca máxima y la humedad óptima del ensayo Proctor de laboratorio, y se calcula:

Grado de compactación = (Dₛ en sitio ÷ Dₛ máx del Proctor) × 100

El valor especificado suele ser 95% (rellenos y subrasantes) o 100% (capas estructurales de pavimento), según el proyecto y la normativa vial. La densidad seca máxima de comparación se obtiene del ensayo Proctor modificado; conviene preparar la muestra con un cuarteo de suelos representativo.

Como complemento, dejamos la hoja de cálculo en Excel del ensayo del cono de arena en nuestro sitio hermano Civil Excel.

Preguntas frecuentes

¿Para qué sirve el ensayo del cono de arena?
Para medir la densidad de un suelo compactado en obra (in situ) y compararla con la densidad máxima del Proctor, obteniendo el grado de compactación. Es el control de calidad típico en terraplenes, rellenos y capas de carretera.

¿Cómo se calcula el grado de compactación?
Se divide la densidad seca obtenida en sitio entre la densidad seca máxima del Proctor y se multiplica por 100. Si el resultado iguala o supera el valor especificado, la compactación cumple.

¿Qué norma rige el ensayo?
ASTM D1556/D1556M-15, equivalente a AASHTO T 191; en Perú se aplica el MTC E 117.

¿Por qué se usa arena calibrada?
Porque su densidad conocida permite convertir la masa de arena que llena el hoyo en el volumen exacto del hoyo, dato imprescindible para calcular la densidad del suelo.

Relacionado: compactación Proctor modificado y la planilla de Proctor y cono de arena.