Los procedimientos para suelos que pasen bajo la malla Nº 4, se diferencian sólo si se trata de suelos cohesivos o no.

Transcripción

1 1.4. DETERMINACIÓN DE LA GRAVEDAD ESPECÍFICA DE LOS SÓLIDOS. El peso específico de un suelo (γ s ) se define como el cuociente entre el peso al aire de las partículas sólidas y el peso del agua, considerando igual temperatura y el mismo volumen. La gravedad específica de un suelo (G s ) se define como el peso unitario del material dividido por el peso unitario del agua destilada a 4º C. La G s se calcula mediante la siguiente expresión: G s = γ s / γ w γ s = peso específico de los sólidos (grs/cm 3 ) γ w = peso específico del agua a 4º C (grs/cm 3 ) De esta forma, la gravedad específica puede ser calculada utilizando cualquier relación de peso de suelo (Ws) al peso del agua (Ww), siempre y cuando se consideren los mismos volúmenes, como se observa en la siguiente expresión: G s = ( Ws / Vs ) / ( ( Ww / Vw ) * γ w ) = Ws / ( Ww * γ w ) Vs = volumen de sólidos Vw = volumen de agua La forma de calcular Gs, difiere según el tipo de suelo analizado y el tamaño de sus partículas. Para suelos que contienen partículas mayores que el tamiz de 5 mm. (malla Nº4 ASTM), el método recomendado a seguir es el C-127 ASTM, llamado gravedad específica y absorción de agregados gruesos. Si el suelo se compone de partículas mayores y menores que 5 mm. la muestra se separa en el tamiz, determinando el porcentaje en masa seca de ambas fracciones y se ensayan por separado con el método correspondiente. El resultado será el promedio ponderado de ambas fracciones. El valor de la gravedad específica para el suelo será: G s = G s (bajo malla Nº 4) * % Pasa malla Nº 4 + G s (sobre malla Nº 4) * % Retenido malla Nº 4 Los procedimientos para suelos que pasen bajo la malla Nº 4, se diferencian sólo si se trata de suelos cohesivos o no. El valor de la gravedad específica es necesario para calcular la relación de vacíos de un suelo, es utilizada en el análisis hidrométrico y sirve para graficar la recta de saturación máxima en el ensayo de compactación Proctor. Ocasionalmente puede utilizarse en la clasificación de minerales del suelo (por ejemplo algunos minerales de hierro tienen un valor de gravedad específica mayor que los provenientes de sílice).

2 Gravedad específica de partículas sobre malla Nº 4 ASTM según método C-127. La finalidad de este ensayo, es determinar la absorción de los agregados gruesos expresada como porcentaje y su gravedad específica. El peso seco de la muestra se determina por secado al horno y su volumen utilizando un recipiente de volumen conocido aplicando el principio de Arquímedes (según el cual un cuerpo dentro de una masa de agua desplaza un volumen de agua igual al del cuerpo sumergido). - Equipo necesario. - Sifón. - Probeta graduada y tarada de 1000 cm 3 de capacidad y 0,1 cm 3 de precisión. - Estanque con agua. - Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5º C. - Herramientas y accesorios. Recipientes plásticos, poruña y paño. - Procedimiento. Para determinar la absorción del material, se toman 1000 grs. de suelo retenido en la malla Nº 4 ASTM y se lava en la malla Nº 200 ASTM (0,08 mm), de modo de eliminar el material fino presente, hasta que el agua salga totalmente limpia. Esta muestra lavada, se seca en el horno hasta masa constante durante 24 horas. Retirada del horno, la muestra se pesa (Ws) y se sumerge inmediatamente durante 48 horas dentro del estanque de agua. Cumplido el tiempo, se retira la muestra y se seca superficial e individualmente con un paño, evitando durante esta operación la evaporación de agua desde los poros de las partículas. Finalmente se pesa la muestra, obteniendo el peso saturado superficialmente seco (W ss ) y se determina el % de absorción (%A). Para determinar el volumen de la muestra, se debe llenar el sifón con agua hasta que ésta se estabilice (esto ocurre cuando desde el sifón deja de escurrir agua). Inmediatamente, bajo la descarga de agua del sifón se coloca la probeta seca, graduada y tarada y se vacía la muestra al interior del sifón. Se espera que el agua deje de caer por la descarga y se determina el volumen desplazado (Vd). La determinación del volumen se determina de dos maneras: - leyendo directamente el volumen en la probeta graduada (V 1 ), - pesando la probeta con el agua desplazada (W 1 ) y descontando el peso de la probeta (W 2 ). Para efectos de corrección se debe medir la temperatura del agua (Tºx), por lo que el volumen de

3 agua (V 2 ) corresponderá al cuociente del peso del agua y su densidad a Tºx. Se promedian los dos valores de volúmenes (V 1 y V 2 ) y se determina la gravedad específica (G s ) de la muestra. - Cálculos. - Calcular el porcentaje de absorción (%A) de la muestra: %A = ( W ss - Ws ) / Ws * 100 ( % ) Ws = peso de la muestra seca (grs.) W ss = peso de la muestra saturada y superficialmente seca (grs.) - Calcular el volumen desplazado (Vd) por la muestra: Vd = ( V 1 + ( W 1 - W 2 ) / D ) / 2 ( cm 3 ) V 1 = volumen desplazado leído directamente en la probeta (cm 3 ) W 1 = peso de la probeta más el agua (grs.) W 2 = peso de la probeta (grs.) D = peso unitario del agua a Tºx (grs/cm 3 ) - Calcular la gravedad específica saturada (G h ) de la muestra: G h = ( W ss / Vd ) * ( 1 / γ w ) ( grs/cm 3 )

4 γ w = peso específico del agua a 4º C (grs/cm 3 ) - Calcular el valor de la gravedad específica (G s ) de la muestra: G s = G h / ( %A ) * Gravedad específica de los sólidos bajo malla Nº 4 ASTM según NCh 1532 Of. 80. El ensayo consiste en obtener el volumen de un peso conocido de granos de suelo y dividirlo por el peso del mismo volumen de agua. Para esto se utiliza un picnómetro, en el cual se desplaza indirectamente el volumen del material al vaciarlo dentro de éste. La fuente de error más seria en la determinación experimental de la gravedad específica no es la temperatura del agua del picnómetro ni el uso de agua común, sino la inadecuada desaireación de la mezcla suelo-agua, ya que el agua en condiciones normales contiene aire disuelto al igual que las partículas de suelo. Si este aire es removido de ambos materiales, el volumen de aire producirá una disminución en el peso del frasco que contiene la mezcla suelo-agua. Para lograr la desaireación de la mezcla suelo-agua puede aplicarse vacío y/o calentamiento. El vacío es aplicable para arenas, limos y arcillas. En suelos orgánicos, es aconsejable dejar hervir cerca de 30 minutos la mezcla de suelo-agua añadiendo agua a medida que se hace necesario. - Equipo necesario. - Picnómetro con una capacidad volumétrica igual o mayor que 100 ml. Ante la ausencia de este, se puede ocupar una botella con tapón con capacidad igual ó mayor que 50 ml. (el tapón debe ser del mismo material que la botella y debe tener una perforación central que permita la eliminación de aire y agua sobrante). - Reductor de presión, aspirador o bomba de vacío. - Agua destilada o desmineralizada desaireada, kerosene, alcohol, éter y una solución disolvente de grasas. - Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantenerse en 110º ± 5º C. - Herramientas y accesorios. Balanza de precisión de 0,01 gr., recipientes para muestras, brochas, embudo, pipeta, poruña, termómetro y secador. - Procedimiento. Primero que nada deberá calibrarse el picnómetro, para ello se limpia el picnómetro con amoníaco ó algún disolvente de grasas y luego se enjuaga con agua destilada. Se deja escurrir boca abajo para luego lavar con alcohol y dejar escurrir nuevamente, para lavar ahora con éter, el cual elimina los vapores que queden al interior del picnómetro, dejándolo boca abajo 15 minutos.

5 El picnómetro se pesa limpio, seco y vacío (Mf). Se llena con agua destilada a temperatura ambiente hasta que la parte inferior del menisco coincida con la marca de calibración, se seca tanto el interior del cuello como el exterior del picnómetro y se registra el peso del picnómetro más el agua (Ma). La temperatura de calibración (T i ), se determina con un termómetro inserto en el agua. Del peso del picnómetro más el agua a la temperatura de calibración (Ma Tºi ), se prepara una tabla de valores de Ma para una serie de temperaturas (Tºx) que probablemente prevalezcan durante el ensayo. Se calculan los valores de Ma Tºx, mediante la siguiente expresión: Ma Tºx = ( γ w Tºx / γ w Tºi ) * ( Ma Tºi - Mf ) + Mf Ma Tºx = peso del picnómetro más el agua a una Tºx (grs.) γ w Tºx = densidad del agua a una Tºx (grs/cm 3 ), según la tabla de la figura γ w Tºi = densidad del agua a la Tº de calibración (grs/cm 3 ), según la tabla de la figura Ma Tºi = peso del picnómetro más el agua a la temperatura de calibración (grs.) Mf = peso del picnómetro vacío (grs.) Para determinar la gravedad específica, el tamaño de muestra a emplear tendrá un mínimo referido a su peso seco de 25 grs. cuando se usa el picnómetro y de 10 grs. cuando se usa la botella con tapón. La muestra de ensaye, podrá encontrarse con su humedad natural o seca en horno. Para una muestra con humedad natural, su masa seca (Ms) se debe determinar al final del ensayo evaporando el agua en el horno a temperatura de 110º ± 5º C. Para una muestra de ensaye seca en horno, se debe dejar secar en el horno hasta masa constante, se enfría en un secador y se pesa (Ms). Luego de esta operación la muestra debe sumergirse en agua destilada por lo menos 12 hrs. Se coloca la muestra en el picnómetro, evitando tener pérdidas de material una vez determinada su masa seca. Se agrega una cantidad de agua destilada cuidadosamente (para evitar la formación de burbujas de aire), hasta alcanzar aproximadamente las 3/4 partes de la capacidad del frasco o la mitad de la botella Temperatura (º C) Densidad (grs/cm 3 ) K (adimensional) 0 0, , , , , , , , , , , , , ,00174

6 7 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,99742 Figura Tabla de densidad del agua según su temperatura. Fuente: NCh 1532 Of

7 Luego es necesario remover el aire atrapado por alguno de los procedimientos normalizados. - Procedimiento Nº 1. Someter el contenido a un vacío parcial (presión de aire igual o menor que 100 mm. de mercurio). Para evitar un burbujeo excesivo se va aplicando un vacío gradual que se va aumentando lentamente hasta el máximo, el que deberá mantenerse por 15 minutos a lo menos para conseguir un desaireado completo. El picnómetro debe agitarse suavemente para ayudar a la remoción de aire. - Procedimiento Nº 2. Calentar o hervir a lo menos por 10 minutos, girando ocasionalmente el picnómetro para ayudar a remover el aire, y luego someter el contenido a presión de aire reducida. - Procedimiento Nº 3. Si no se cuenta con sistema de vacío se puede colocar el picnómetro en un baño María de glicerina (por lo general 10 minutos de hervor son suficientes para sacar el aire contenido en el material). En este caso debe esperarse que el picnómetro alcance nuevamente la temperatura ambiente para seguir con la prueba. Una vez que se ha removido el aire atrapado, es necesario tapar el picnómetro con la muestra y cuando corresponda dejar enfriar a temperatura ambiente. Se agrega agua destilada hasta llenar el picnómetro, se limpia y seca el exterior con un paño limpio y seco, para determinar el peso del picnómetro más la muestra y el agua (Mm). Finalmente, determinar la temperatura de ensayo del agua (Tºx), aproximando a 1º C. - Cálculos. - Calcular la densidad de las partículas sólidas (γ s ): γ s = Ms / (Ms + Ma Tºx - Mm) * γ w Tºx ( grs/cm 3 ) (grs.) Ms = peso seco de la muestra de ensayo Ma Tºx = peso del picnómetro más el agua a la temperatura de ensaye (valor tomado de la tabla de valores) Mm = peso del picnómetro más la muestra y el agua a la temperatura de ensayo. - Calcular el valor de G s respecto del agua a 20º C (G s Tºx / 20º C ), mediante la siguiente expresión: G s Tºx / 20º C = G s Tºx / Tºx * K = γ s / ( γ w 20º C ) Gs Tºx / Tºx = Ms / ( Ms + Ma - Mm ) K = γ w / γ w 20ºC (valor de la tabla de la figura 1.17.) - Calcular el valor de G s respecto del agua a 4º C (G s Tºx / 4º C ), mediante la siguiente expresión:

8 G s Tºx / 4º C = G s Tºx / Tºx * γ rw Tºx = γ s / γ w 4º C γ rw Tºx = densidad relativa del agua a la Tº de ensaye (grs/cm 3 ) de otra forma: γ rw Tºx = γ w Tºx / γ w 4º C = γ w Tºx / 1 kg / Lt - Observaciones. - El procedimiento de preparar una tabla de valores es muy conveniente para laboratorios que hacen muchas determinaciones con el mismo picnómetro, aunque también es aplicable a una sola determinación. Llevar el picnómetro y su contenido a una temperatura determinada requiere de un tiempo considerable, por lo que resulta mucho más conveniente trabajar con la tabla de valores Ma. Es importante señalar que los pesos del picnómetro más el agua y la muestra (Ma y Mm respectivamente), se basen en lecturas realizadas con agua a la misma temperatura. - En suelos secos al horno puede usarse kerosene en vez de agua destilada para llenar el picnómetro, debido a que es un buen agente humedecedor para la mayoría de los suelos. - En suelos arcillosos con humedad natural, se debe disgregar la muestra antes de depositarla en el picnómetro Método del picnómetro de Le Chatelier. Este método se aplica para determinar la gravedad específica de suelos no cohesivos, que pasen por el tamiz de 5 mm. Se utiliza un picnómetro del mismo nombre (figura 1.18.), en el cual el volumen desplazado por la muestra seca es leído directamente en el cuello del aparato, que posee una graduación para este efecto.

9 Figura Picnómetro de Le Chatelier. Fuente: ELE Internacional Ltda., Procedimiento. Se usa una muestra seca al horno, junto con bencina para un mejor humedecimiento de la muestra. De 100 grs. de suelo seco al horno, se extraen 55 grs. secos en caliente dejándolos enfriar durante 30 minutos al aire. Luego se pesa nuevamente para determinar la humedad higroscópica, es decir, la humedad que absorbió el suelo desde el aire durante el período de reposo. Se limpia el picnómetro con una mezcla crómica, compuesta de 60 grs. de dicromato de potasio disuelta en 300 cm 3 de agua destilada, se deja enfriar y enseguida se añaden 460 cm 3 de ácido sulfúrico comercial. Se lava el picnómetro para eliminar las grasas, luego se enjuaga con agua destilada y se recubre con alcohol el interior, para finalmente lavar con ácido sulfúrico dejándolo 10 a 15 minutos boca abajo. A continuación se llena el picnómetro con bencina o agua destilada hasta llegar a la marca cero. Se debe esperar aquí la estabilización de la temperatura ambiente entre el líquido (kerosene o agua destilada) y el picnómetro, para ello el picnómetro se sumerge en un recipiente con agua a temperatura ambiente hasta que el menisco permanezca constante. Se verifica la marca cero y si es necesario se sigue llenando con un gotario para llegar a dicho punto. Finalmente, se deposita la muestra por medio de un embudo que llegue hasta el ensanche del cuello y se agita el conjunto para expulsar el aire no disuelto hasta que no se produzcan burbujas. Se pone el picnómetro en una superficie horizontal y se lee directamente en el cuello y en la parte inferior del menisco. Se mide la temperatura del líquido con la muestra dentro del picnómetro para hacer la corrección respectiva.

10 - Cálculos. - Calcular la humedad higroscópica (w h ) mediante la siguiente expresión: w h = ( Wsf - Ws ) / Ws * 100 ( % ) Wsf = peso de la muestra seca y enfriada (grs.) Ws = peso de la muestra seca en caliente (grs.) - Calcular la gravedad específica (G s ) de la muestra, mediante la siguiente expresión: G s = Wsf / Vd * ( 1 / γ w ) Vd = volumen desplazado y leído directamente en el picnómetro (cm 3 )

11 UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Proyecto : Ubicación : Descripción del suelo : Fecha de muestreo : Fecha de ensayo : DETERMINACION DE LA GRAVEDAD ESPECIFICA DE LOS SOLIDOS Gravedad específica y absorción de los sólidos sobre malla Nº 4 Determinación de la absorción Muestra Nº Peso muestra seca Peso muestra S.S.S. % de absorción Determinación de la gravedad específica Muestra Nº Peso muestra Peso muestra + agua Volumen desplazado Volumen desplazado leído Volumen promedio Temperatura agua ensayo Densidad agua a Tºx Gs saturado Gravedad específica Observaciones :

12

13 UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Proyecto : Ubicación : Descripción del suelo : Fecha de muestreo : Fecha de ensayo : DETERMINACION DE LA GRAVEDAD ESPECIFICA DE LOS SOLIDOS Gravedad específica de los sólidos bajo malla Nº 4 Método con extracción de aire Calibración del picnómetro Determinación Nº Peso picnómetro Peso picnómetro + agua Tº calibración Peso picnom. + agua Curva de calibración Temperatura º C Determinación de la Gravedad Específica Determinación Nº Peso muestra seca Peso picnómetro + agua a Tº calibración Peso picnómetro + muestra + agua a Tº de ensayo Temperatura de agua de ensayo ( Tºx )

14 Densidad de los sólidos K Gravedad específica de sólidos a 20º C Gravedad específica agua a Tºx Gravedad específica de sólidos a 4º C

15 UNIVERSIDAD CATOLICA DE VALPARAISO ESCUELA DE INGENIERIA EN CONSTRUCCION LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS Proyecto : Ubicación : Descripción del suelo : Fecha de muestreo : Fecha de ensayo : DETERMINACION DE LA GRAVEDAD ESPECIFICA DE LOS SOLIDOS Gravedad específica de los sólidos bajo malla Nº 4 Método picnómetro de Le Chatelier Determinación de la humedad higroscópica Determinación Nº Peso muestra seca y enfriada Peso muestra seca en caliente Humedad higroscópica ( % ) Determinación de la gravedad específica Determinación Nº Volumen desplazado Temperatura de líquido ( Tºx ) Gravedad específica del líquido a Tºx Gravedad específica de los sólidos Observaciones :

16