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Análisis granulométrico granulo métrico vía Hidrómet Hi drómetro ro Objetivo:
Familiarizar Familiarizar al estudiante estudiante con este método el cual se utiliza para determinar el porce porcenta ntaje je de arcil arcilla la (porc (porcen entaj taje e mas fino que que 0.00 0.002 2 mm) dent dentro ro de una una distribución distribución granulométrica de suelos en los cuales existe una cantidad apreciable apreciable de partículas inferiores al tamiz no. 200 Generalidades:
El anál anális isis is gran granul ulom omét étri rico co por por medi medio o del del hidr hidróm ómet etro ro es un méto método do amplia ampliamen mente te utili utilizad zado o para para obten obtener er valor valores es esti estima mado dos s de la dist distri ribu buci ción ón granulométrica de suelos cuyas partículas se encuentran desde el tamiz no. 200 (0.075 mm) hasta alrededor de 0.001 mm. Los datos se representan en gráfico semilogarítmico; cabe aclarar que la conducta de esta fracción de suelo cohesivo depende del tipo y porcentaje de arcilla de suelo presente, de su historia geológica y del contenido de agua más que de la distribución misma de los tamaños de partícula (Bowles, Joseph E., 1978). Los tamaños menores del suelo exigen una investigación fundada en otros principios. El método del hidrómetro es hoy, quizá, el de uso más extendido y el único que se verá con cierto grado de detalle. El análisis de hidrómetro utiliza la relación de caída de esferas en un fluido, el diámetro de la esfera, el peso específico específico tanto de la esfera como del fluido, y la viscosidad del fluido, en la forma
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Por otra parte dentro de la Ley de Stokes se deben de cumplir las siguientes hipótesis (ASTM D 422-63, 2007): Se supone que todas las partículas son esferas Al comienzo de la prueba la suspensión es uniforme La concentración agua-suelo es suficientemente baja para que las partículas no se interfieran al sedimentarse.
Es común el uso de un defloculante como el hexametafosfato de sodio para evitar que se formen grumos y lograr que se sedimenten individualmente las partículas. El rango de los diámetros D de las partículas de suelo para los cuales esta ecuación es válida, es aproximadamente 0.0002 < D < 0.2 mm, puesto que los granos mayores causan turbulencia en el fluido y los granos menores están sujetos a movimientos del tipo Browniano (fuerza de atracción y repulsión). Para determinar el diámetro de las partículas en mm se utiliza la siguiente expresión: D = K
L t
Donde: L t
= =
Profundidad efectiva de caída (cm) Tiempo transcurrido (min)
(6.2)
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Tabla 6.1 Valores de K para varias combinaciones de pesos unitarios y temperaturas.* Peso unitario de los sólidos del suelo (g/cm3 ) Temp. 2.50 2.55 2.60 2.65 2.70 2.75 2.80 2.85 (ºC) 16 0.0151 0.0148 0.0146 0.0144 0.0141 0.0139 0.0137 0.0136 17
0.0149
0.0146
0.0144
0.0142
0.0140
0.0138
0.0136
0.0134
18
0.0148
0.0144
0.0142
0.0140
0.0138
0.0136
0.0134
0.0132
19
0.0145
0.0143
0.0140
0.0138
0.0136
0.0134
0.0132
0.0131
20
0.0143
0.0141
0.0139
0.0137
0.0134
0.0133
0.0131
0.0129
21
0.0141
0.0139
0.0137
0.0135
0.0133
0.0131
0.0129
0.0127
22
0.0140
0.0137
0.0135
0.0133
0.0131
0.0129
0.0128
0.0126
23
0.0138
0.0136
0.0134
0.0132
0.0130
0.0128
0.0126
0.0124
24
0.0137
0.0134
0.0132
0.0130
0.0128
0.0126
0.0125
0.0123
25
0.0135
0.0133
0.0131
0.0129
0.0127
0.0125
0.0123
0.0122
26
0.0133
0.0131
0.0129
0.0127
0.0125
0.0124
0.0122
0.0120
27
0.0132
0.0130
0.0128
0.0126
0.0124
0.0122
0.0120
0.0119
28
0.0130
0.0128
0.0126
0.0124
0.0123
0.0121
0.0119
0.0117
29
0.0129
0.0127
0.0125
0.0123
0.0121
0.0120
0.0118
0.0116
30
0.0128
0.0126
0.0124
0.0122
0.0120
0.0118
0.0117
0.0115
* ASTM D 422-63, 2007
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Determinación del análisis granulométrico vía Hidrométro EQUIPO: • • • • • • • • • • •
Hidrometro (ASTM 152 H) Defloculante (Hexametafosfato de sodio) 2 probetas de 1000 ml 1 probeta de 500 ml Espátula Cronómetro Embudo Báscula de precisión de 0.01 g Termómetro con precisión de 0.5 ºC 2 flaneras Vernier
PROCEDIMIENTO:
Etapas significativas:
1. Preparación del material
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El material que se utilizará en esta práctica será el mismo que pasa la malla no. 200 de la práctica no. 4 de este manual, cuya cantidad deberá ser aproximadamente 150 g para suelos arenosos y 80 g para limos y suelos arcillosos, se seca al horno 72 horas antes de la realización de esta prueba. Del material secado al horno se obtienen de 75 a 100 g de material arenoso y para limos y arcillas de 50 a 60 g (peso seco), el material se satura dentro de una flanera durante al menos 16 horas (Figura 6.1). Un procedimiento alterno es obtener el peso seco Ws después de la prueba para evitar la formación de
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Figura 6.2 Preparación del defloculante.
Para dispersar los grumos formados por las partículas del suelo se prepara un defloculante. Se disuelve 5 g de hexametafosfato de sodio con 125 ml de agua, lo que representa un concentrado al 4 %, en un vaso de precipitado, (Figura 6.2) (ASTM D 422-63, 2007). Calibración del Hidrómetro Una vez obtenido el material se procede a calibrar el hidrómetro, para esto se debe determinar la profundidad efectiva “L” . En la Figura 6.3 se puede observar que “L” es la distancia que hay de la superficie del agua libre al centro del bulbo
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L
= L1 +
V b L2 − 2 A 1
(6.3) -5 0
En donde “A” se refiere al área transversal de la probeta de 1000 cm 3 utilizada en la prueba. Se calcula a partir de la distancia entre dos lecturas y el L1 volumen alojado entre ellas (Figura 6.4) (6.4) 60 L Volumen Area = Dis tan cia ( S ) L2
S
Figura 6.4 Obtención del área transversal “A”.
“V b” se refiere al volumen del hidrómetro, se obtiene al sumergir el bulbo del
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“L2 ” se refiere a la distancia del extremo inferior del bulbo a la lectura de 60 en el vástago del hidrómetro (Figura 6.3) “L1” es un valor variable y se refiere a la distancia existente entre la lectura de 60 en el vástago del hidrómetro y las demás graduaciones. Para obtener cada una de ellas será suficiente con medir la distancia de la lectura 60 a la lectura cero y posteriormente calcular las demás mediante una interpolación (Figura 6.3)
Para llevar un control en el cálculo de la profundidad efectiva “L” , se recomienda realizar una Tabla como la 6.3, comenzando con el valor de -5 y terminando con el valor de 60 en incrementos de una unidad (ASTM D 422-63, 2007):
Tabla 6.3 Registro de datos para ca lcular la profundidad efectiva “L”. Lect. Hidro.
L1 (cm)
Vb (cm 3 )
L2 (cm)
Area (cm2 )
L (cm)
-5
10
14
68
26.24
15.70
-4
9.8
14
68
26.24
15.55
0 … 60
Las lecturas que se realizan deben de obtenerse correctamente, por lo que, en este aspecto se deben considerar las siguientes correcciones:
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C m Figura 6.6 Corrección por menisco.
Corrección del cero.
Cuando agregamos un agente defloculante a la suspensión aumentamos la densidad de ésta; por lo anterior debemos hacer una corrección del cero del hidrómetro “Cd” . Para determinar el valor de Cd , se sumerge el hidrómetro en agua destilada y tomamos una lectura en la escala del vástago del hidrómetro. Después se vierte el defloculante en agua, se agita vigorosamente por un minuto y se lee nuevamente; la diferencia entre ambas lecturas es Cd (Figura 6.7). Esta corrección es negativa (Bowles, Joseph E., 1978).
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Realización de la Prueba Para iniciar la prueba se debe prepara el defloculante como se indicó anteriormente y se mezcla con el suelo. Se vierte la mezcla suelo – defloculante en la probeta de 1000 ml e inmediatamente se procede a aforar la probeta (Figura 6.8)
Defloculante con suelo
Probeta aforada
Figura 6.8 Agregado de la mezcla defloculante-suelo y aforado de la misma.
Obture la boca de la probeta con la palma de la mano y luego agite vigorosamente. Coloque la probeta en la mesa cuidadosamente y eche a andar el cronómetro. Se sumerge el hidrómetro hasta que comience a flotar y se mantiene dentro de la solución durante los tres primeros minutos (Figura 6.9). Se toman las
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Retire el hidrómetro y detenga el cronómetro. Agite nuevamente de forma vigorosa la probeta 2 veces más y colóquela sobre la mesa. Ponga a correr nuevamente el cronómetro y sumerja el hidrómetro durante tres minutos. Se toman lecturas en los tiempos indicados (20, 40 y 180 s) después de la tercer serie de lecturas no se detiene el cronómetro y se retira el hidrómetro. Realizar una tabla similar a la 6.3 (Bowles, Joseph E., 1978). Se continúa tomando lecturas del hidrómetro y temperaturas en los tiempos indicados a continuación. En cada lectura debe sumergirse el hidrómetro 30 segundos antes de tomar la lectura y retirarlo después de ello (Figura 6.10). Mantenga el hidrómetro dentro de otra probeta con agua destilada. Se debe realizar una Tabla como la 6.5.
Tabla 6.5 Registro de lecturas y temperaturas. Tiempo 4 min 8 min 15 min 30 min 1 hora
Lectura
Temperatura
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RESULTADOS:
Con todos los datos obtenidos se determinará el diámetro de las partículas en mm y el porcentaje mas fino del material usando las siguientes fórmulas (Bowles, Joseph E., 1978).
D = K
L t
(6.5)
Donde: L
= t = K = D
=
Profundidad efectiva de caída (cm) Tiempo transcurrido (min) Constante para varias combinaciones de pesos unitarios y temperaturas (ver tabla 6.1) Diámetro de la partícula (mm)
Lectura corregida del Hidrómetro
R c
= R real - corrección del cero + Ct = Lectura corregida del hidrómetro
Ct
= Corrección por temperatura (tabla 6.5)
R c
Universidad Autónoma de Querétaro Facultad de Ingeniería 25
0.99708
0.00894
25
+1.30
26
0.99682
0.00874
26
+1.65
27
0.99655
0.00855
27
+2.00
28
0.99627
0.00836
28
+2.50
29
0.99598
0.00818
29
+3.05
30
0.99568
0.00801
30
+3.80
* Bowles, Joseph E., 1978.
Porcentaje más fino
PMF =
1.65S S 2.65( S S
−
1)Ws
RC x100
(6.6)
Donde: Ws S S
= Peso de sólidos = Peso específico relativo de sólidos
Para finalizar con la prueba se debe llenar el formato anexo a esta práctica
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dato de la columna “% más fino”, corresponde al porcentaje del material fino que pasó la malla no. 200 del análisis granulométrico por el método mecánico.
% m as
fin o resp. al total
% m ás
fin o x
% de l material que pa só la
=
1 00
malla N º
20 0 respectoal total
(6.7)
Una vez realizados los cálculos deberán relacionarse los diámetros de las partículas existentes en la muestra con el porcentaje de material que pasa respecto al total de la muestra y presentar la curva granulométrica con los datos obtenidos por el método por mallas (práctica no. 4 de este manual) y los obtenidos mediante este método (método del hidrómetro). Emita sus conclusiones.
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FORMATO 6.1
Análisis granulométrico vía Hidrómetro Proyecto: Localización: Realizó:
Fecha: Sondeo Nº: Profundidad:
Hidrom tro Nº: Agente dispersante: Correcci n por defloculante (Cd):
Fecha
Hora
Tiempo transc. (min)
RC = R real − Cd + C t
Saúl Martínez Chávez
SS: Cantidad (gr):
a: W S: Correcci n por menisco (Cm):
Temp. ºC
Lect. Hidrométro Aparente Corregida real
C
%más fino
%más fino =
15
R=RCxCm
RC ( a ) W S x100
L
L/t
K
D (mm)
%m s fino resp. al total
D = K
L t
Laboratorio de Geotecnia I
