¿Qué sabes sobre los antecedentes de las técnicas que hoy día resultan tan comunes en trabajos de afirmado? Parte III La compactación

Antecedentes

     La densificación de los materiales empleados en los rellenos, en las explanadas y en las capas del firme ha sido siempre un asunto de capital importancia para la estabilidad de la estructura, su geometría y durabilidad.

    Los compactadores son hoy día tan corrientes y obvio su empleo que cuesta imaginar que se necesitó casi un siglo, a lo largo del XVIII y XIX,  para desarrollarse e imponerse sobre la densificación con pisones o la realizada por el tráfico.

    Hasta avanzado el siglo XVIII, no se disponía de mecanización alguna y se confiaba en los rellenos a su densificación natural, dejando "pasar varios inviernos" para que el efecto del agua, su peso propio y el tráfico de entonces  llevase a su consolidación.  

Evolución de la compactación, del "cilindrado" con hipotracción a la Compactación Inteligente

Equipos remolcados, con tracción animal

    Si bien en la agricultura se empleaban rodillos cilindros remolcados por animales para aplanar los terrones desde la Antigüedad, en la construcción viaria el desarrollo y aplicación de equipos de compactación es mucho más tardío. Los primeros antecedentes se situarían en Inglaterra, donde allá por 1619 John Shotbolt obtuvo una patente para usar varios artilugios “fuertes y macizos” para el cilindrado de los caminos, sin embargo, su invención no fue ampliamente aceptada, como tampoco la de los diseños de un rodillo de hierro incluidos por el científico e ingeniero prusiano Jacob Leupold en su publicación de 1725 Theatrum Machinarum Generale (Théorie Générale des Machines).

     Años más tarde, en 1787, el ingeniero francés Louis Alessandre de Cessart propone  a la Asamblea de Ponts y Chausees el empleo de un rodillo cilíndrico de fundición de 3500 kg de peso, aunque tampoco tuvo éxito.  

    Por fin, hacia 1820 en Prusia y, sobre todo, en la zona de Hanover se empieza a usar un rodillo con cajones para almacenar lastre y aumentar su peso. Sobre esta idea, hacia 1840 Charles Henri Schattenmann usa una variante del “rodillo prusiano” de 6 t de peso, lastrable hasta 12t, que se remolcaba con un tiro de 8 caballos (Fig 2). Lo emplea en numerosas aplicaciones en Alsacia entre 1840 y 1842  y en 1844 en Paris, donde fue objeto de pruebas y estudios recogidos en los Annales des Ponts et Chaussées, aunque los resultados no siempre fueron muy buenos, pues en algún caso se llegaron a precisar hasta 42 pasadas para llegar a una compactación aceptable. 

Fig 2 El rodillo de  Schattenmann

    Antoine Rémi Polonceau, importante ingeniero francés de Ponts et Chausées, además de ser conocido por sus puentes metálicos (como el parisino Pont du Carrousel, en fundición), fue quién introdujo en Francia los afirmados de macadam, por lo que preconiza en sus publicaciones desde 1829 y, sobre todo en 1844, el empleo de un cilindro compresor de gran diámetro (2 m) y peso (3700 kg) lastrable con 1200 l de agua en su interior. Este rodillo iría arrastrado por 4 caballerías

Fig 3- El cilindro compresor propuesto por Polonceau

    Las primeras versiones tenían el inconveniente de las maniobras de inversión de sentido de marcha al final de la pasada, debiendo desenganchar el tiro y situarlo en la dirección opuesta. Este inconveniente se solucionó más tarde, cuando en 1868 Amies & Bradford en Inglaterra, crearon un cilindro compresor, también rellenable con agua, provisto de un anillo horizontal que permitía un cambio fácil del sentido del arrastre.  Pero estábamos ya al final de la era de los compactadores movidos con  hipotracción, pues desde 1860 se empezaba a ir imponiendo los de tracción a vapor, los  steam rollers

Fig 4 Sistema de Amies & Bradford

Los Etablissements Féchet ofrecían en 1880 un extenso catálogo con varios modelos de cilindros remolcables, lastrables. En la Fig.5 se muestra el modelo Cantonal, con bastidor de tiro doble para inversión de marcha y cajones para lastre, disponible con pesos desde 2200 kg hasta 3800 kg, que con lastre llegaban a 4500 y 6500 kg. Como curiosidad, su precio entonces era de 1200 a 1700 francos.

 

Fig 5- Féchet- Modelo Cantonal

Los firmes con macadan dieron un enorme impulso al desarrollo de los compactadores remolcados por tracción animal, como los que se muestran en las fotos que siguen

Fig 5 -Rodillo pesado con cajón de lastre arrastrado con 10 caballerías (Regíón de Toulouse)

Fig 6- Rodillo liso con tiro animal en la compactación de macadam 1880
(Deutsches Straßenmuseum, Germersheim, Rhineland-Palatinate, Germany.)

Fig 7- Rodillo liso con tiro animal en la compactación de macadam

 Equipos autopropulsados a vapor (Steam rollers)

     La aparición de las máquinas a vapor, al igual que pasó con las motoniveladoras, hizo que esta técnica se trasladase a los compactadores, de modo que a partir de 1860 se dispuso de una nueva generación de equipos más capaces, más pesados y con mucho mayor rendimiento, teniendo un significativo impacto en la mejora del nivel de densificación que se podía obtener con ellos en las capas a compactar.

    Fue en 1859 cuando Louis Lemoine, ingeniero en Burdeos,  hizo construir el primer compactador propulsado por vapor, con un peso de 10 t. Este sistema, que se mejoró con un diseño en tándem de doble cilindro y con inversión de marcha, conoció muy pronto un enorme éxito con los compactadores Ballaison construidos en Paris por Gellerat Et Cie.  (Fig.8)

Fig.8  Compactador a vapor Gellerat de 1867, sistema Ballaison mejorado (de The Engineer 1867/2)

     Pocos años después de la aparición de este primer rodillo a vapor, la firma inglesa Aveling &Porter, probó con éxito en 1865 su primer compactador a vapor con una potencia de 12 Caballos, esos sí, de vapor. Como su especialidad era la producción de locomotoras y tractores a vapor, el diseño de este triciclo compartía con ellas los elementos de caldera y tracción. La Fig 9 muestra el primer triciclo de producción, de 30t de peso, hecho en 1967 para la Liverpool Corporation, actuando en las calles de Liverpool.

Fig.9 - Triciclo a vapor de Aveling&Porter en las calles de Liverpool en 1897

 (The Illustrated London News-Oct 1897).

Las 30 t de peso de este primer rodillo de impresionante aspecto de Aveling&Porter resultaban excesivas, por lo que  los diseños posteriores aligeraron la máquina, lo que contribuyó a su éxito, exportándose al resto de Europa, India y EEUU. Las evoluciones del diseño se aprecian en la Fig.10 (dibujo que muestra el primer rodillo a vapor que en 1969 se empleó en América) , en la Fig.11 (modelo ligero de 7.5t  de 1873 cuyo rodillo delantero directriz estaba ingeniosamente partido en dos cilindros cónicos que permitían tanto el paso del eje vertical de giro por la parte superior, como que la huella de compactación fuese contínua), y en el de 10t de 1889 de la Fig.12. 

Fig.10- Aveling&Porter 1969- Primer steam roller en America- Central Park.NY

Fig.11- Aveling & Porter, modelo de 1873

Fig.12 Aveling&Porter, Clase 10R, de 10t, de 1889

En la Fig.13 se muestra un modelo de 1888 de la firma Badford&Perkins movido por un motor de vapor de 4 Hp que movía un peso en vacío de 10 t, que podia llegar a 12 t lastrándolo con agua. El ancho y diámetro del rodillo eran de 1.35 m.

Fig 13- Badford&Perkins de 1888, lastrable con agua (The Engineer, Junio 1888)

     En las figuras que siguen se muestran algunos modelos de la firma americana Bufalo Pitts. Disponía en 1898 de equipos triciclos de 10, 12 y 15 t, movidos por un motor de vapor de doble cilindro que no precisaba un volante de inercia de gran diámetro para una marcha regular y facilitaba el arranque y los cambios de marcha y de sentido al tener uno de ellos siempre en una posición de trabajo. El rodillo delantero, además de ser el directriz, podia oscilar con inclinación transversal. Era un equipo versátil, incorporando una polea que podia utilizarse para mover equipos de trituración. (Fig.14 y 15 tomadas del catálogo de 1898).  En la fig.16 se muestra otro tipo de equipo de compactación de la misma firma de 1905, con rodillos tandem.  

Fig.14- Modelo de 1898 de Buffalo Pits 

Fig.15 El steamroller de Buffalo Pitts de 1898 como planta motriz de una trituradora

  

Fig.16.  Steamroller de Buffalo ST, tandem (1905)

     Hubo toda una amplia gama de estos entrañables equipos que, por su simplicidad, se siguieron comercializando y usando hasta mediados del siglo XX, muchos años después de la aparición de los rodillos movidos por motores de combustión interna.

Fig 17

     Hoy día, incluso, son objeto de deseo de coleccionistas, de cuidadosas restauraciones y participación en exhibiciones. Hay ejemplares bien restaurados que superan una cotización de 50.000€ 

Fig.18 -  Fowler de 1920, modelo Annie de 8t

Fig.15- Modelo Advance de 8t de Wallis &Steevens de 1923 
(cotizado en 44000 libras)

Fig.16  1892 Aveling & Porter Steam Roller (MA9867) Lisa 5hp

Fig.17 - Evento de 2011: Belper Steam and Vintage (www.tractiontime.co)

Equipos autopropulsados motor de combustión interna

   Con los equipos de compactación con motores diésel entramos en una etapa más familiar y próxima a la actual. Es en 1911 cuando la firma alemana de los hermanos Hamm diseña y construye el primer compactador movido por un motor diésel.

Fig.18 - 1911, el primer compactador diesel, de Hamm.

     En la década de 1920 los rodillos lisos a vapor empezaron a irse convirtiendo a equipos movidos por motores diésel, a la par que iba aumentando su peso, hasta llegar a unas 30 t. En 1932, la firma  Hamm presenta el primer rodillo tandem con giro y tracción en ambos rodillos.
      También en la década de los 30 aparecen compactadores de neumáticos ligeros, de unas 6-8 t, que se aplicaban en capas finas de base granular y para suavizar y eliminar fisuras creadas por los rodillos metálicos 

    Asimismo el innovador y transcendental concepto de compactacíón vibratoria, se desarrolló en Alemania en esa prolifica década, aplicado como placas vibrantes remolcadas con tractor. La aplicación de este concepto a los compactadores es de la década de los 40, con los primeros rodillos vibrantes, tanto remolcados como autopropulsados.

    Desde entonces el desarrollo de la compactación vibratoria ha sido constante, hasta llegar a la actual vibración oscilante orientable.  

La compactacion inteligente.

     Un último y enorme avance se ha dado con la denominada Compactación Inteligente (CI) en la que se monitoriza y registra de modo continuo la eficacia de la compactación, mediante el control en tiempo real de la densificación alcanzada en la capa a través de la respuesta de su rigidez al medirse con acelerómetros incorporados a los rodillos, correlacionables directamente con la densidad de la capa. (Fig.19) 

Fig.19 Compactador con sistema de CI

 Incluso, mediante una red local los sistemas actuales de CI son capaces de monitorizar y controlar varios equipos y registrar el mapa del resultado conjunto. (Fig.20) 

Fig.20 -  Grupo de compactadores con CI

  ¿Hacia la compactación autónoma?

     La compactación inteligente llega actualmente a un grado tal de control de todos los factores que influyen en la operación de compactación que el papel del operador es cada vez menos importante, pudiéndose llegar a pensar que en un futuro la operación pudiera llevarse a cabo de modo autónomo. De hecho, algunos fabricantes, como Hamm, llevan un tiempo experimentando equipos en esa línea.

Fig.20 Esquema de compactador autónomo de Hamm

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