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MECÁNICA DE LOS SUELOS GRANULOMETRÍA

04- Granulometría Presentación Completo

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  • MECNICA DE LOS SUELOS

    GRANULOMETRA

  • GRANULOMETRA

    El conocimiento de la posicin granulomtricade un suelo grueso sirve para discernir sobre lainfluencia que puede tener en la densidad delmaterial compactado. El anlisis granulomtricose refiere a la determinacin de la cantidad enporciento de los diversos tamaos de laspartculas que constituyen el suelo.

  • Para el conocimiento de la composicingranulomtrica de un determinado suelo existendiferentes procedimientos. Para clasificar portamao las partculas gruesas el procedimientoms expedito es el del tamizado. Sin embargo, alaumentar la finura de los granos el tamizado sehace cada vez ms difcil, teniendo entonces querecurrir a procedimientos por sedimentacin.Conocida la composicin granulomtrica delmaterial, se le representa grficamente paraformar la llamada curva granulomtrica delmismo.

  • Como tamao de las partculas puedeconsiderarse el dimetro de ellas cuando esindivisible bajo la accin de una fuerzamoderada, como la producida por un mazo demadera golpeando ligeramente.

  • Procedimiento del tamizado

    La ejecucin de este procedimiento puedeexplicarse claramente en la forma siguiente:

    a) Se toma una muestra representativa de unos20 Kg y se seca al sol o en horno durante unas12 horas.

    b) Por medio de cuarteos a la muestramencionada se sacan unos 2 Kg.

    c) Se pasan los 2 Kg por las mallas de 2, 1 , 1,3/4", 3/8 y No. 4, y se pesa el retenido en cadauna de dichas mallas.

  • d) Del material que pasa la malla No. 4 se tomauna cierta cantidad (generalmente 200 g) y secolocan en un vaso con agua, dejando que elmaterial se remoje unas 12 horas.

    e) Con un agitador metlico se agita elcontenido del vaso durante un minuto y se vacaluego sobre la malla No. 200, se vacanuevamente el material al vaso lavando la mallaen posicin invertida, se agita nuevamente elagua del vaso y se repite el procedimientotantas veces como sea necesario hasta que nose enturbie el agua al ser agitada.

  • f) Se elimina el agua y se pone la muestra asecar en un horno a temperatura constante.

    g) Se pesa y por diferencia a los 200 g se obtieneel porciento que pas la malla No. 200.

    h) Se vaca el material que pas la malla No. 4 yse retuvo en la No. 200, para que pase locorrespondiente por las mallas No. 10, 20, 40,60, 100 y 200, pesando los retenidos.

    i) Conociendo los pesos parciales retenidosdesde la malla de 2 hasta la No. 200 seobtienen los porcientos retenidos parciales, losporcientos retenidos acumulativos y losporcientos pasando.

  • Es necesario aclarar que los retenidos parcialesen cada malla debern expresarse comoporcentajes de la muestra total, y para calcularlos porcientos retenidos en las mallas 10 a 200se divide el peso en gramos retenido en cadamalla entre el peso seco de la muestra para laprueba de lavado (200 g generalmente) y semultiplica este cociente por el porciento quepasa la malla No. 4, determinado en el anlisisdel material grueso.

  • El retenido acumulativo en la malla No. 10 secalcula sumando el retenido parcial en dichamalla al retenido acumulativo en la malla No. 4.El retenido acumulativo en la malla No. 20 esigual al retenido acumulativo en la malla No. 10ms el retenido parcial en la malla No. 20. Deigual manera se calculan los dems retenidosacumulativos hasta la malla No. 200.

  • j) Se traza la curva de la composicingranulomtrica del material en una grfica quetiene por abscisas, a escala logartmica, lasaberturas de las mallas y por ordenadas losporcentajes de material que pasa por dichasmallas, a escala aritmtica.

  • k) La curva resultante se compara con las que setengan como especificaciones, o se obtienen deella relaciones entre ciertos porcentajespasando que dan idea de la graduacin delmaterial. Adems, la forma de la curvagranulomtrica, dibujada a escalasemilogartmica, da una idea de la composicingranulomtrica del suelo. As, un suelo que estformado por partculas de un mismo tamaoquedar representado por una lnea vertical y unsuelo con curva granulomtrica bien tendidaindicar gran variedad de tamaos.

  • Sistema de clasificacin de suelos basado encriterios de granulometra

    Los lmites de tamao de las partculas queconstituyen un suelo, ofrecen un criterio obviopara una clasificacin descriptiva del mismo. Talcriterio fue usado en Mecnica de Suelos desdeun principio e incluso antes de la etapa modernade esta ciencia. Originalmente, el suelo sedivida nicamente en tres o cuatro fraccionesdebido a lo engorroso de los procedimientosdisponibles de separacin por tamaos.

  • Posteriormente, con el advenimiento de latcnica del cribado, fue posible efectuar el trazode curvas granulomtricas, contando conagrupaciones de las partculas del suelo enmayor nmero de tamaos diferentes.Actualmente se pueden ampliar notablementelas curvas en los tamaos finos, gracias a laaplicacin de tcnicas de anlisis desuspensiones. Algunas clasificacionesgranulomtricas de los suelos segn sustamaos, son las siguientes:

  • a) Clasificacin Internacional

  • b) Calcificacin M.I.T

    Fue propuesta por G. Gilboy y adoptada por elMassachussetts Institute of Technology.

  • c) La siguiente clasificacin, utilizada a partir de1936 en Alemania, est basada en unaproposicin original de Kopecky.

  • Debajo de 0.00002 mm las partculasconstituyen disoluciones verdaderas y ya no sedepositan.

    Con frecuencia se han usado otros tipos declasificacin, destacando el mtodo grfico delPublic Roads Administration de los EstadosUnidos, pero su inters es hoy menor cada vez,por lo cual se considera que las clasificacionessealadas son suficientes para dar idea delmecanismo utilizado en su elaboracin.

  • Puede notarse que las clasificaciones anterioresy otras existentes se contradicen en ocasiones, ya un intervalo que se nombra de una manera enuna clasificacin, le corresponde otra palabra enotro sistema. Pero sin duda, la objecin msimportante que puede hacerse a estos sistemases el uso que hacen de las palabras limo y arcillapara designar fracciones de suelo definidasexclusivamente por tamaos.

  • Estos trminos se han usado en ingeniera comonombres para designar tipos de suelo conpropiedades fsicas definidas; la razn por la queestos nombres se introdujeron para ciertasfracciones de tamaos fue la idea errnea de quetales tamaos eran las causas de aquellascaractersticas tpicas. Sin embargo, hoy se sabe quelas caractersticas de una arcilla tpica se deben enforma muy preponderante a las propiedades de sufraccin ms fina. Un suelo formado por partculasde cuarzo del tamao de las arcillas o un depsitonatural de harina de roca de la misma graduacin,tendra que clasificarse como 100% de arcilla, apesar de que el conjunto no presenta ninguna delas propiedades que definen el comportamiento deese material.

  • Por otra parte, un suelo de comportamientotpicamente arcilloso, dentro de lmitesapropiados de humedad, posiblemente nocontengan ms de un 20% de arcilla, segn elcriterio granulomtrico. En los sucesivos, lostrminos limo y arcilla se emplearn nicamentepara designar tipos de suelo, recurriendo a lamencin especfica de un tamao de partculacuando se requiera designar cierta fraccingranulomtrica.

  • A continuacin se resuelve un problema relativoa la granulometra de un material. Supngaseque el peso del material que debe pasar por lasmallas es de 18,715 gramos. El desarrollo delproblema se muestra a continuacin:

  • Haciendo uso de los valores de la columna %que pasa la malla, se grafica la composicingranulomtrica del material analizado y secompara dicha granulometra con la que marcanlas especificaciones.

    Las cuatro curvas marcadas comoespecificaciones corresponden a materiales biengraduados que al ser compactados darn unmnimo de vacos, por lo que servirn decomparacin. Sin embargo, un material cuyaspartculas muestran forma de lajas o de agujaspuede presentar gran cantidad de vacos, apesar de que su curva granulomtrica indiqueuna sucesin adecuada de tamaos.

  • Del mismo modo, cuando se presentanvariaciones de consideracin en la densidad delas partculas de diferentes tamaos, la curvagranulomtrica no dar una idea correcta de lagranulometra del material, por lo que esnecesario hacer la correccin respectiva parareducir los porcentajes expresados en funcindel peso a porcentajes expresados en funcindel volumen.

    Las texturas abiertas, media y cerradas que seindican en la grfica de especificaciones serefieren a la distribucin que tienen entre s laspartculas del suelo.

  • Las caractersticas granulomtricas de un suelopueden expresarse por un trmino numricoindicativo de algn tamao de granocaracterstico y del grado de uniformidad, o bienpor medio de nombres o smbolos que indiquenla fraccin del suelo predominante.

    El mtodo ms predominante es el de AllenHazen, quien descubri que la permeabilidad delas arenas sueltas para filtros dependa de doscantidades que llam dimetro efectivo ycoeficiente de uniformidad.

  • El dimetro efectivo, , es el tamao departculas que corresponde a P=10% en la curvagranulomtrica, de modo que el 10% de laspartculas son ms finas que y el 90% msgruesas. El coeficiente de uniformidad esigual a , en que es el dimetro enmilmetros para el cual el 60% de las partculasson menores que ese dimetro.

    Otro valor numrico que ayuda a conocer lascondiciones granulomtricas de un suelo es elcoeficiente de curvatura, , que es igual a .

  • Un material es el bien graduado debe cumplir lacondicin de que el coeficiente de uniformidadsea mayor de 4 para gravas y mayor de 6 paraarenas, y que el coeficiente de curvatura estcomprendido entre 1 y 3. Cuando el coeficientede uniformidad es menor que los valoresindicados, ello significa que el material no esgraduado sino prcticamente uniforme en eldimetro de sus partculas.

  • nicamente en los suelos gruesos cuyacomposicin granulomtrica puede serdeterminada por medio de mallas puede ladistribucin de tamaos indicar algo de lorelativo las propiedades fsicas del material; as,por ejemplo, los suelos bien graduados tienenmejor comportamiento ingenieril que aqullosde granulometra uniforme. Sin embargo, en lossuelos finos sus propiedades tanto mecnicascomo hidrulicas dependen de su estructura,plasticidad e historia geolgica. Esto hace que ladeterminacin de la granulometra de dichossuelos no conduzca a obtener, por s sola, datosmuy tiles sobre ellos.

  • Los lmites granulomtricos expresadosmediante el porcentaje que para cada malla,como se indica en la grfica de especificaciones,tiene la desventaja de que si se permitetolerancias amplias en dichos porcentajes esmuy posible que falten totalmente algunas delas fracciones. Por lo anterior, es convenienteespecificar, adems del porcentaje que pasacada malla, el mnimo que debe quedar retenidoentre cada par de mallas sucesivas.

  • Granulometra por sedimentacin

    Las propiedades fsicas de los suelos departculas finas se identifican con mayorseguridad mediante la determinacin de laplasticidad de los mismos que mediante sudistribucin granulomtrica. No obstante,cuando se requiere conocer la susceptibilidad delos suelos finos a la accin de las heladas, esnecesario conocer el porcentaje de materialmenor a 0.02 mm de dimetro. De igual manera,cuando se requiere emplear como medio declasificacin de un suelo el dimetro de suspartculas, se requiere un anlisisgranulomtrico por sedimentacin.

  • El mtodo de sedimentacin tiene por objetocontar con datos muy aproximados de lacomposicin granulomtrica de las partculas desuelo menores de 0.2 mm aproximadamente (endimetros mayores las turbulencias provocadaspor las mismas partculas alteran de manerasignificativa la ley de sedimentacin).

  • Como mediante el anlisis con mallas se puedellegar hasta tamaos de partcula de 0.074 mmque caen dentro de la ley de Stokes, en la cual sebasa el mtodo de sedimentacin, se puede, portanto, obtener una granulometraininterrumpida.

    Los procedimientos que se van a seguir para ladeterminacin de los tamaos de partculasmenores a 0.074 mm estn basados en la ley deStokes, que da la velocidad de sedimentacin departculas slidas esfricas en un lquido.

  • La velocidad de sedimentacin est daba por lafrmula:

    2. .

    9.

  • En la que:

    Velocidad de cada de las partculas en cm/seg.

    Aceleracin de la gravedad de cm/seg. Radio de la esfera en cm. Densidad absoluta del material en g/cm. Densidad absoluta del agua en g/cm. Viscosidad absoluta del agua en g/cm.seg. Altura de cada de la esfera en cm. Tiempo transcurrido, en seg.

  • Con agua a 20 C, 0.0101/. !" ycon esferas de densidad absoluta de 2.65 g/cm,que es un valor medio entre los minerales quese encuentran en el suelo, la frmula anterior setransforma, quedando as:

    35,613.86

  • Mtodo de la pipeta

    En la determinacin prctica de los dimetros delas partculas menores de 0.2 mm lasedimentacin se hace en agua, determinandoel porcentaje en peso de slidos en las muestrasque se extraen de una suspensin, inicialmenteuniforme, a tiempos previamente calculados y aun punto cuya distancia (H) a la superficie de lasuspensin sea conocida. El mtodo de la pipetaha demostrado, cuando se ejecutacuidadosamente, que puede competir enexactitud para los fines prcticos con mtodoscomo el del hidrmetro y el sifonado.

  • Basado en la ley de Stokes, el Cuerpo deIngenieros del Ejrcito de los Estados Unidos deAmrica ha elaborado un nomograma quebrinda el tiempo necesario para que laspartculas menores que un dimetrodeterminado queden en suspensin, o sea eltiempo que debe transcurrir entes de laextraccin de los 100 cc de solucin que debehacerse para cualquier tamao deseado de laspartculas.

  • El equipo necesario para llevar a cabo la pruebaes el siguiente: un cilindro metlico desedimentacin de 55 cm de alto y 5.08 cm dedimetro interior con marca de aforo a los 1000cc, orificio de salida de 2.3 mm (3/32) dedimetro a 20 cm debajo de la marca de aforo,tapn para dicho orificio, probeta graduada de100 cc, un cronmetro, una balanza conaproximacin de 0.01 g, un horno contemperatura controlable, una malla No. 60,cpsulas para determinar humedades, unamano de mortero y un defloculante(bicarbonato o silicato de sodio).

  • El anlisis granulomtrico por sedimentacin sehace en muestras en las que la mayor parte delmaterial pasa la malla No. 60. Para suelos msgruesos hay que efectuar al anlisisgranulomtrico combinado, como ms adelantese indica.

  • Procedimiento para determinar el porcentaje dematerial menor de 0.02 mm

    1. Se seca la muestra de material fino (que ya sesabe pasa prcticamente toda la malla No. 60) yse toman 50 g de ella.

    2. Se pulveriza con una mano de morterocubierta de goma y se vaca en un vaso demezclar.

  • 3. Se mezcla con suficiente agua para formaruna lechada delgada, se aaden 20 cc desolucin defloculante (silicato o bicarbonato desodio al 5% y se deja reposar dos horas para lossuelos no plsticos y hasta 12 horas para lossuelos plsticos.

  • 4. Se pasa la lechada al cilindro desedimentacin lavando todos los finos del vasopara transferirlos al cilindro. Se agrega aguahasta alcanzar la marca de 1000 cc.

  • 5. Se agita el cilindro vigorosamente durante unminuto, usando la palma de la mano izquierdacomo tapn e invirtindolo completamenteextremo con extremo.

  • 6. Despus de agitarlo se coloca el cilindro enuna base firme donde no est a la luz directa delsol u otro calor lateral.

    7. Despus de 9 minutos de intervalo se quita eltapn del agujero de drenaje y se extraen 100 ccde suspensin en la probeta graduada.

  • 7. Se vacan los 100 cc de suspensin en una cpsula de evaporacin y se coloca en el horno hasta que se evapore el agua.

    8. Se pesa el residuo secado al horno, con una aproximacin de 0.01 g.

    9. Se calcula el porcentaje de partculas menores de 0.02 mm as:

    Peso seco total de slidos de la muestra original = Pt = 50 g

    Peso seco total del residuo de los slidos = Pi = 2.63 g

  • % 0.02 )*+,!-.!+/+/-.*)*+,!-.!+01*2!0

    100 3/3

    1000100

    100 2.6350

    1000 2.6350

    263050

    52.6%

  • Para obtener completa la curva granulomtricade un suelo de partculas finas debendeterminarse varios puntos de la curva pormedio del anlisis por sedimentacin. Con lospuntos correspondientes a los dimetros 0.05,0.02 y 0.005 es suficiente.

  • El procedimiento indicado es correcto paracondiciones medias, o sea temperatura del aguaa 20 C y densidad absoluta del suelo de 2.65g/cm. Pequeas variaciones en las condicionesmedias no afectan en forma apreciable laexactitud de los resultados. Sin embargo,grandes variaciones, ya sean en la densidadabsoluta del material o en la temperatura delagua, debern corregirse variando el intervalode tiempo antes de destapar.

  • El tiempo que debe transcurrir antes de drenarpara determinar el porcentaje de cualquiertamao de partculas con diferentes densidadesabsolutas y temperaturas de suspensin sepuede obtener del nomograma antes visto.

  • ANLISIS GRANULOMTRICO COMBINADO

    Para suelos gravosos se toman 200 gramos delmaterial que pasa la malla No. 4.

    a) Se seca la muestra que pasa la malla No. 4 enel horno y se anota su peso.

    b) Se pulveriza la muestra, se toman 200 gramosy se les coloca en un vaso que contenga unos500 cc de agua con 20 cc de solucindefloculante, se mezcla vigorosamente y se dejareposar.

  • c) Se procede con el anlisis granulomtrico porsedimentacin ya descrito, con la excepcin deque el material del cilindro de sedimentacin noes desechado despus de extraer la muestra delos 100 cc.

    d) Despus de terminado el anlisisgranulomtrico por sedimentacin, se agita elcilindro a fondo y se lava arrastrando todo elsuelo sobre una malla No. 200. Se enjuaga elcilindro para pasar a la malla todo el material.

  • e) Se lava el material en la mallaconcienzudamente con un chorro de agua paraque los finos sean lavados y desechados. Se pasael material retenido en la malla No. 200 a unvaso y se mete al horno a secar.

    f) Se pesa el material, se pasa por las mallasNos. 10, 20, 40, 60, 100 y 200, se pesan losretenidos en cada malla y se hacen los clculos.

  • El clculo de la granulometra chica por malla sebasa en el peso original de la muestra que pasla malla No. 4, y se realiza como ya se indic. Enel campo, el porciento de material que seasienta en 30 segundos se considera comomayor a la malla No. 200.

  • PRUEBA DEL HIDRMETROLa mayor parte de los hidrmetros (densmetros)estn calibrados para medir la relacin del pesoespecfico de un lquido respecto al del agua, a unacierta temperatura de calibracin, que suele ser 20C. Para determinar el peso especfico relativo dellquido (en relacin con el agua a 4C), se debemultiplicar la lectura del hidrmetro por el pesoespecfico relativo del agua a la temperatura decalibracin; si 456 es el peso especfico relativo dela suspensin, la lectura del hidrmetro a latemperatura de calibracin, y 7 el peso especficorelativo del agua a la temperatura de calibracin, setendr 456 que puede escribirse:

  • 1 8 1 1 8 1

    8 18 1 1

    Pero, en la prctica, el producto 1 1 es despreciable, pues tanto

    como son muy prximas a la unidad; por lotanto resulta:

    9:;: 9: 8 ;:

  • Como el bulbo del hidrmetro toma latemperatura T de la suspensin, al sersumergido en ella, no dar lectura correcta, a noser que la temperatura de la suspensin seaigual a la de calibracin. Para fines prcticos, essuficiente suponer que la lectura del hidrmetrovara en forma directamente proporcional alcambio volumtrico del bulbo, despreciando sucuello o vstago. Si se denota por:

  • => Coeficiente de dilatacin trmica del vidrio.

    ? Temperatura de la suspensin.

    ? Temperatura de calibracin del hidrmetro.

    ) Volumen del bulbo a ?.

    AB Lectura del hidrmetro a ?.

  • La variacin en la lectura, correspondiente acualquier temperatura, est expresada por laecuacin:

    AB

    )

    1 8 => ? ? )

    11 8 => ? ?

    9:CD

    < EF D D:

  • La simplificacin anterior es vlida porque=> ? ? es pequea, en comparacin con 1.Entonces, usando el desarrollo conocido:1

    1 8 88 1 IJIJ 8

    Se ve que la simplificacin realizada, equivale adespreciar las potencias de => ? ? a partirdel cuadrado.

    Si los dos miembros de la ecuacin anterior semultiplican por AB se tiene:

    AB AB=> ? ?

  • Pero AB es muy aproximadamente igual a 1, porlo que puede escribirse:

    9: CD EF D D:

    Valor que llevado a la ecuacin de 745 produce:

    KL5: 9:;: CD < 8 ;: EF D D:

  • Por hiptesis, en el tiempo t y a la profundidadH, las partculas mayores de la suspensin sonde dimetro equivalente D y, a esa profundidad,todas las partculas menores que D estn a laconcentracin original. Sean:

    ) Volumen total de la suspensin.MN Peso de todas las partculas menores que D.

    74 Peso especfico relativo del fluido usado en la suspensin.

  • El peso total de partculas por unidad devolumen, a la profundidad H es MN ) y el pesoespecfico relativo de la suspensin en el tiempot y a la profundidad H, est dado por:

    KL5: OPQCR

    8 < OPQ;:CR

    KL

  • El primer trmino de la frmula anterior serefiere a la parte slida de la suspensin; elsegundo trmino al agua contenida en la misma.Lo anterior puede escribirse:

    KL5: OPQ;:CR

    ;: KL 8 KL

  • Igualando, se obtiene:

    OP QCR;:

    ;: KLS CD < 8 ;: KL

    EF D D: TPara V=1,000 cm, como es usual, la ecuacinanterior se transforma:

    OP ;:

    ;: KLCRS CD <

  • Denominado:

    WX CD <

  • Cuando se usa agua como fluido en lasuspensin y OP se expresa como porcentajedel peso OZ que se haya usado en lasuspensin, se obtiene:

    OP%

  • El trmino [\ es funcin de la lectura hecha porel hidrmetro y B depende, tanto de latemperatura, como del mismo hidrmetro. Laecuacin anterior solamente se puede aplicarcuando se emplea agua como fluido en lasuspensin y cuando el volumen total de stasea, 1,000 cm.

    La lectura de [\ se obtiene del hidrmetrodirectamente (una lectura de 1.0153 se anotasimplemente 15.3). La correccin B puedecalcularse para una temperatura de calibracinconocida y puede trazarse en una escala grficapara cada hidrmetro, como funcin de latemperatura de prueba.

  • El dimetro D, al cual corresponde el porcentajede partculas calculadas con la anteriorecuacin, debe obtenerse con la aplicacin de laley de Stokes, a fin de reducir estos clculos almnimo. Para disear la escala [\ no bastamedir la distancia del centro del bulbo a lasdistintas graduaciones de su vstago; estasdistancias deben reducirse en una cantidadconstante que tome en cuenta eldesplazamiento de la suspensin causada por laintroduccin del aparato.

  • A este respecto, conviene mencionar que laexperiencia indica que no es conveniente dejarel bulbo en la suspensin todo el tiempo de laprueba, pues la acumulacin de suelo sobre l yla disminucin del rea de sedimentacinintroducen errores de mayor consideracin quelos que se tienen extrayendo cuidadosamentetras cada lectura e introducindolo, con elmismo cuidad, para la lectura siguiente. Lacorreccin de la profundidad por el movimientode la superficie de la suspensin se ilustra acontinuacin:

  • La verdadera H que debe tomarse en cuenta, puede relacionarse con la aparente (Hc) por la expresin:

    ] )*+,!-.!+2,+2*

    2 !0.!+01*2!0En efecto, el volumen del bulbo es del aguadesplazada que, entre el rea de la probeta, dala sobreelevacin del nivel de la suspensin; lamitad de tal sobreelevacin es el incremento dela distancia H producido por la introduccin delhidrmetro. El valor de H as obtenido es el queha de usarse en la ley de Stokes.

  • Los hidrmetros estn calibrados para dar lecturascorrectas al nivel de la superficie de la suspensin,pero en la prctica esas lecturas debern hacerseen el borde superior de un menisco, dada laopacidad de la suspensin; el problema se subsanapara cada aparato haciendo una lectura de agualimpia, para determinar la lectura del meniscoformado; a fin de tener las mismas condiciones, seexige, tanto en el momento de determinar lacorreccin en agua limpia, como en el momento dela prueba, que el menisco se desarrolle porcompleto, para lo cual el vstago del hidrmetrodeber, en los dos casos, limpiarse previamente conjabn.

  • En ocasiones, se hace preciso aadir a lasuspensin algn defloculante, a fin de facilitarla formacin de una suspensin uniforme y deimpedir la asociacin de partculas; eldefloculante aumenta el peso especfico delagua, por lo cual se hace preciso hacer unanueva correccin a la lectura del hidrmetro;esta correccin es opuesta a la de menisco.

    Un hidrmetro mide el peso especfico relativopromedio en la longitud del bulbo; esto implicaun error que es de importancia en suelos muyuniformes; en suelos no uniformes el errortiende a ser despreciable.

  • Grfica de correccin por temperatura para hidrmetros calibrados en peso especfico relativo a la temperatura (Tc)

  • Para tener una aproximacin satisfactoria en laprueba, se hace necesario medir la temperaturade la suspensin con aproximacin de 0.5C y elpeso especfico relativo debe conocerse dentrode un margen de 1%. Las lecturas debenhacerse a intervalos tales que los puntoscorrespondientes en la grfica granulomtricaacumulativa semilogartmica estnaproximadamente a igual espaciamiento y ennmero suficiente para definirlaadecuadamente.

  • Pueden usarse muchos agentes defloculantes,entre los que el silicato de sodio presentaventajas particulares, pues los lmites en lascantidades adecuadas son ms amplios que enotros agentes y, adems, es de fcilmanipulacin. El defloculante debe aadirsemientras la muestra est dispersndosemecnicamente en el agua.

  • El peso seco de la muestra para la prueba debeser de 50 gramos en suelos plsticos y 100gramos en suelos arenosos; con esas cantidadesse logran suspensiones uniformessuficientemente diluidas como para que durantela sedimentacin, cada partcula no interfieracon las dems y, a la vez, apropiadas pararealizar lecturas apreciables.

  • El peso seco suele determinarse antes de la prueba;sin embargo, en suelos finos plsticos el secadopuede producir ciertos cambios irreversibles en lafraccin coloidal y, por ello, es recomendable que lamuestra entre en suspensin con su contenidonatural de humedad, para lo cual el peso secodeber determinarse al final de la prueba; para ellodeber evaporase la suspensin, secndola en unrecipiente de gran superficie. El tiempo de secadose abrevia aadiendo unas gotas de cidoclorhdrico a la suspensin en el recipiente, pues sefavorece la floculacin del suelo, permitiendo laextraccin del agua por medio de un sifn.

  • Procedimiento de prueba para el anlisis pormedio del hidrmetro

    Equipo necesario

    Un hidrmetro graduado para medir pesosespecficos relativos, calibrado a 20C y conescala de 0.995 a 1.060.

    Una balanza con 0.1 gramos de aproximacin y800 gramos de capacidad.

    Un batidor mecnico.

    Una probeta de 1,000 cm.

    Recipientes para evaporar.

    Un termmetro, con aproximacin de 0.1C.

    Un desecador.

  • Adems, de la descripcin de la prueba sedesprender la necesidad de usar ciertassustancias qumicas, tales como, por ejemplo,defloculantes, etc. Tambin se precisarn ciertoselementos de existencia obligatoria en todolaboratorio, como horno, esptulas, aguadestilada, reloj, etc.

  • Calibracin del hidrmetro

    El hidrmetro se hunde en una suspensin hastaque su peso se equilibre con el peso especficorelativo promedio de la suspensin desplazada.Segn ya se dijo, sin embargo, la distancia de lasuperficie libre de la suspensin al centro delbulbo, indicada por la lectura del hidrmetro,debe corregirse. La calibracin de un hidrmetroconsiste precisamente en la determinacin, paraun aparato dado, de la verdadera altura de cada(H) en funcin de las lecturas realizadas. Lacalibracin comprende los siguientes pasos:

  • 1. Determnese el volumen del bulbo delhidrmetro )\ , por cualquiera de los dosprocedimientos que sigue:

    a) Midiendo el volumen de agua desplazadapor dicho bulbo; para ello sese una probetagradada de 1,000 cmcon agua destiladahasta un cierto nivel, sumrjase el hidrmetroy lase el nuevo nivel; la diferencia de las doslecturas es el volumen del bulbo, si sedesprecia, como es usual, el efecto delvstago.

  • b) A partir del peso del hidrmetro, pesandoste con aproximacin de 0.01 gramos (labalanza necesaria deber aadirse a la lista deequipo, si se usa este procedimiento). Sueleconsiderarse que el peso especfico delhidrmetro es unitario, por lo que el peso engramos es directamente el volumen en cm.Tambin en este caso se desprecia el efecto delvstago.

  • 2. Determnese el rea (A) de la probeta de1,000 cm que se vaya a usar en la prueba; paraello mdase la distancia entre dos gradaciones. Elrea ser igual al volumen indicado entre lasgraduaciones escogidas, dividido entre ladistancia medida.

    3. Mdase las distancias de la marca decalibracin inferior del vstago a cada una de lasotras marcas ([\).

  • 4. Mdase la distancia desde el extremo superiordel bulbo a la marca de calibracin inferior delvstago. La distancia , correspondiente a unalectura [\, es la suma de las mediciones hechasen los pasos 3 y 4.

    5. Mdase la distancia desde el extremo inferioral superior del bulbo. Esta medida se anotacomo _, altura del bulbo.

  • Calclense las verdaderas alturas ,correspondientes a cada marca de calibracin enel vstago, [\, con la frmula:

    8 1 2` _ )\a

    Dibjese en una curva la relacin [b. Estacurva servir para dibujar la escala [\ a laderecha de la , en el nomograma para solucinde la ley de Stokes.

  • Correccin por menisco

    Se realizar como sigue:

    1. Sumrjase el hidrmetro en agua destilada,limpia.

    2. Hganse dos lecturas cuidadosas, una en labase y otra en el borde del menisco formado; sudiferencia es la correccin por menisco, c ;para tener la seguridad de que el menisco estbien desarrollado, lvese previamente el vstagocon solucin jabonosa o alcohol.

  • Procedimiento de prueba en suelos arcillosos

    1. Psese una cantidad de suelo con sucontenido natural de agua, que equivalga a 30 40 gramos de suelo seco.

  • 2. Adase 0.5 cm de solucin de silicato desodio a 40 Baum a 300 cm de agua destiladay mzclese una parte con el suelo, de modo que,trabajando con esptula, alcance ste laconsistencia de una pasta suave. A veces sernecesario usar otra concentracin de silicato desodio u otro agente dispersor; para determinarel tipo apropiado de solucin defloculante,debern aadirse diferentes cantidades de estosproductos a varias muestras de suspensin desuelo; tras reposar varias horas las muestras,podr verse por simple observacin laefectividad de los distintos defloculantes yconcentraciones usados.

  • 3. Transfirase la pasta fabricada a un batidormecnico y adase el resto de la solucinpreparada segn el paso Mantngase elconjunto en el batidor durante minutos.

    4. Determnese la correccin por el cambio en ladensidad del agua destilada (d) debido a laadicin del floculante. La correccin se calculaaadiendo a 1,000 cm de agua destilada en unaprobeta graduada, la cantidad de defloculanteque vaya a usarse, introduciendo un hidrmetroy haciendo una lectura. La diferencia entre estalectura y otra previamente hecha en aguadestilada, es la correccin d.

  • 5. Psese la suspensin de suelo a una probetagraduada de 1,000 cm, aadiendo aguadestilada para completar exactamente los 1,000cm.

    6. Agtese la probeta vigorosamente por lomenos durante 1 minuto, invirtindolafrecuentemente, tapada con la mano.

  • 7. Inmediatamente colquese la probeta sobreuna mesa fija, chese a andar un cronmetro eintroduzca el hidrmetro sujetndolo hasta unpoco ms debajo de su nivel de flotacin;despus sultesele dejndolo libre. Elhidrmetro permanecer en la suspensindurante 2 minutos, hacindose lecturas enperodos de 1/2 , 1 y 2 minutos. Tras esto,retrese suavemente el aparato, sumrjase enagua limpia y squese con un pao. Siguiendo elmismo procedimiento hgase otras lecturas alos 4, 8, 15 y 30 minutos, una, dos y cuatrohoras, y despus una o dos veces al da, siempreretirando el hidrmetro tras cada lectura.

  • Mdase la temperatura de la suspensin una vezdurante los primeros 15 minutos, y despus otravez tras cada lectura. La introduccin yextraccin del hidrmetro debe hacerse muysuavemente, disponiendo de unos 10 segundospara cada operacin. De vez en vez, lvese elvstago del hidrmetro con solucin jabonosa,para permitir en cada lectura a completaformacin del menisco. Antes de cada inmersinlmpiese el hidrmetro con un pao suave.

  • La temperatura media en todo el perodo de laprueba no debe definir de la temperatura a que sehizo una medida en ms que 2C, a fin de tenergaranta de que el error en la determinacin deldimetro equivalente no sobrepase un 2%. Se lograeste requerimiento si la mxima diferencia detemperatura en el cuarto en que se efecte laprueba no sobrepasa 8C. Debe tenerse en cuentaque un calentamiento no uniforme de la suspensinproducir corrientes de conveccin que afectan lasedimentacin, por ello la probeta no debe estar alsol ni cerca de un horno.

  • Tapando la probeta entre cada dos lecturas seayudar a impedir la evaporacin de lasuspensin.

  • 8. Al concluir la prueba, determnese el pesoseco del suelo contenido en la suspensin,pasando sta a un recipiente evaporador ydejndola en l hasta que pierda su agua.Aadiendo al recipiente unas gotas de cidoclorhdrico y agitando suavemente, se logra, enmenor tiempo, que la suspensin se precipite yque el agua arriba quede clara; esta agua puederetirarse con una pipeta, acelerando as elproceso de evaporacin. Para pasar lasuspensin de la probeta al recipienteevaporador, debe usarse agua de arrastre, a finde evitar prdidas de material.

  • Procedimiento de prueba en suelos arenosos

    A cualquier suelo en el que ms del 50%, en peso,pase, la malla Tyler No 65 (0.208 mm), puedehacrsele directamente la prueba del hidrmetro. Sims del 50% se retiene en esa malla, es precisoseparar primeramente su fraccin gruesa y hacer laprueba del hidrmetro solamente con lo que pasala malla No 65 citada. As pues, en este tipo desuelos, se hace preciso contar con ese tamiz,adems del equipo mencionado con anterioridad.Todo el procedimiento descrito para suelosarcillosos es aplicable ahora, usando de 50 a 100gramos de suelo. Este peso seco puede obtenerseantes de realizar la prueba.

  • Errores posibles en la prueba

    La hiptesis de la prueba, ya mencionadas,suponen, naturalmente, un cierto margen deerror, al no satisfacerse por completo; peroadems de esto, las siguientes son causasfrecuentes de error:

  • 1. El uso de una cantidad o un tipo noadecuados de defloculantes; la seleccinconveniente no responde a reglas fijas y varapara diferentes tipos de suelo.

    2. La insuficiente agitacin previa de la probeta.Si la suspensin se sedimenta parcialmenteantes del agitado, puede ser preciso efectuarste durante mucho ms que un minuto.

    3. La falta de cuidado en la introduccin yextraccin del hidrmetro, el no retirar ste trasuna lectura, despus de los primeros 2 minutos.

  • 4. El que el vstago no est limpio, lo cual haceque el menisco no se desarrolle por completo.

    5. La no uniformidad de la temperatura de lasuspensin durante la prueba.

    6. La prdida de suelo, al transferir la suspensinal recipiente evaporador.

    7. Cantidad insuficiente o excesiva de suelo.

  • 8. En suelos arcillosos, el obtener el peso secoantes de la prueba, en lugar de despus de ella.

    9. Una variacin excesiva de la temperaturadurante la prueba.

    Los clculos para la aplicacin de la Ley deStokes pueden realizarse con el nomogramaelaborado para tal fin.

  • Procedimiento de prueba para un anlisis mecnico combinado

    Cuando un suelo contienen a la vez suficientematerial grueso y fino como para ameritar unanlisis por medio de mallas y otro por hidrmetro,se hace necesario emplear un procedimiento deanlisis mecnico combinado. Si predominan en elsuelo los tamaos finos, puede efectuarse la pruebadel hidrmetro con la muestra total, tras lo cual, lasuspensin deber cribarse a travs del tamiz No100 (0.149 mm) o 140 (0.105 mm), secando elmaterial retenido antes de someterlo al anlisis pormallas.

  • Cuando la fraccin predominante en el suelo seala gruesa, es recomendabla ejecutar laseparacin de las fracciones gruesa y fina antesdel anlisis por hidrmetro, lo cual puedelograrse cribando la muestra, ayudando su pasocon agua (lavado), a travs de la malla No 200 opor decantaciones sucesivas.

    Un procedimiento apropiado para ejecutar unanlisis combinado se indica en lo que sigue:

  • Equipo necesario

    El mismo equipo utilizado en la prueba delhidrometro ms un juego de mallas.

    En la siguiente tabla se muestran las mallas Tylerestandar y U.S. Bureau of Standards con suscorrespondientes aberturas.

    En general, slo algunas mallas son suficientespara definir convenientemente una curvagranulomtrica.

    Por ejemplo, en la Secretara de Obras Pblicasde Mxico, se usan las mallas sealadas conasterisco, en pruebas de rutina.

  • Procedimiento de prueba

    La realizacin de la prueba puede ajustarse a losque sigue:

    1. Squese la muestra en un horno y psese. Ensuelos que contengan poca cantidad departculas mayores de 1/4 (6.35 mm) debernusarse unos 200 gramos de material. En suelosgruesos (con gravas en cantidad apreciable) seusarn 200 gramos de suelo seco menor que1/4" (6.35 mm) ms una cantidad suficiente dematerial mayor. Los finos debern separarse pordecantacin, segn se indicar en los prrafossiguientes.

  • 2. Llnese una probeta con agua destilada a latemperatura ambiente, hasta un poco debajo dela marca de 1,000 cm. A esta agua se le aadirel defloculante necesario, mezclndolo bien.

    3. Colquese la muestra en un recipienteevaporador y adanse 150 cm,aproximadamente, de la solucin mencionadaen el segundo paso.

    4. Retrense, a mano, todas las partculasmayores de 1/4" (6.35 mm), lavndolas en elrecipiente evaporador, para que queden bienlimpias; estas partculas se colocarn en otrorecipiente evaporador.

  • 5. Lvese la muestra que haya quedado,ayudndose con una cuchara durante uno o dosminutos; tras ello, psese la muestra ensuspensin a otra probeta de 1,000 cm,cuidando no perder material.

    6. Adanse otros 100 cm de la primeraprobeta al recipiente evaporador y reptase laetapa 5; hgase esto varias veces, hasta tener laseguridad de que los gruesos del recipienteevaporador estn totalmente limpios de finos.

  • 7. Vulvase a poner en el recipiente evaporador las partculas mayores de 1/4" (6..35 mm) retirandas en el paso 4, y psese el conjunto a un horno de temperatura constante (105-110C).

    8. Psese el agua que haya quedado en la primera probeta a la segunda, que contiene los finos en suspensin, completando sta con agua destilada a la temperatura ambiente, hasta la marca de 1,000 cm.

  • 9. Realcese la prueba del hidrmetro a lasuspensin contenida en la probeta, siguiendo lasnormas indicadas en el procedimiento de pruebapara el anlisis por medio del hidrmetro de estecaptulo. Los porcentajes obtenidos se referirn a lamuestra total.

    10. Tras sacar del horno la fraccin gruesa,enfresela en un desecador y psesela.

    11. Colquese la fraccin gruesa en un juego demallas, dispuesto en orden descendiente deaberturas, incluyendo tapa y charola y efectese uncribado vigoroso durante 5 minutos, como mnimo;es conveniente, para ello, disponer de undispositivo mecnico especial (ro-tap).

  • 12. Psense los retenidos en cada malla,cuidando que ninguna partcula quede adheridaen sus entramados. Se obtienen as losporcentajes retenidos parciales, referidos alpeso total de la muestra. Estos porcentajes,sumados a los de todas las mallas mayores, danel porcentaje retenido total hasta esa ciertamalla, cuyo complemento a 100% es elporcentaje de suelo menor que la abertura detal malla. Con tales datos puede dibujarse lacurva acumulativa.

  • Errores posibles

    Los errores que ms frecuentes puedenproducirse en la prueba del hidrmetro has sidoya sealados con anterioridad. Los erroresadicionales ms importantes son:

  • 1. Lavado insuficiente de los tamaos gruesosantes de efectuar la prueba del hidrmetro. Si lamuestra tienen finos arcilosos, el error puedeser muy importante y puede evitarse nosecando la muestra antes del anlisis, lo quehace necesario obtener el peso seco despus dela prueba, evaporando la suspensin.

    2. Prdida de agua de lavado, con contenido definos, por manipulacin descuidada. Esrecomendable tener el recipiente evaporador yla probeta sobre un receptculo de metal, a finde poder recuperar cualquier prdida ocurridaen el traspaso.

  • Arrastre de arena gruesa en el agua de lavado;ello produce un incremento aparente en losporcentajes de tamaos comprendido entre 0.1y 0.05 mm. Si esto ocurre o hay duda de quepueda haber ocurrido, es recomendable incluirel residuo, detenido por evaporacin tras laprueba del hidrmetro, en la fraccin msgruesa, antes de su cribado en las mallas,lavando el material a travs de ellas, si espreciso.