UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CHIAPAS FACULTAD DE INGENIERÍA CAMPUS I
COMPORTAMIENTO DE SUELOS. ING. RAÚL MORENO COSSÍO
TRABAJO PRACTICAS DE LABORATORIO 1,2 Y 3..
6º C. JOSÉ MARCOS SÁNTIZ LÓPEZ. GONZALEZ DIAZ FRANCISCO DE JESUS BURGUETE FLORES JOSE EDUARDO ESPINOSA ROJAS JULIO ALONSO VAZQUEZ SANCHEZ LUIS JAVIER
Tuxtla Gutiérrez, Chiapas; Octubre del año 2014.
Índice Introducción
3
Marco teórico
4
Práctica 1
12
Procedimiento según el manual de la SCT
12
Procedimiento seguido en el laboratorio
15
Cálculos y resultados
20
Práctica 2
21
Procedimiento según el manual de la SCT
21
Procedimiento seguido en el laboratorio
29
Practica 3
36
Procedimiento según el manual de la SCT
36
Procedimiento seguido en el laboratorio
39
Conclusión
46
Bibliografía
47
Anexos
48
Introducción El suelo es una parte esencial para la vida en la tierra, pues además de formar parte de la corteza terrestre, es uno de los elementos del planeta que han permitido que se forme una biodiversidad tan compleja como la que conocemos hoy en día. Dentro de esta biodiversidad, entra el hombre y la civilización humana, que ha estado íntimamente ligada al suelo a lo largo de gran parte de su historia, y ha sido este último uno de los pilares para el desarrollo del sedentarismo y el progreso de la humanidad, esto se logró en los inicios de la historia a través del desarrollo de la agricultura, actividad dependiente casi en su totalidad de la aptitud del suelo para sostener vida vegetal. Hoy en día, las necesidades de la sociedad humana y la tecnología que tenemos a nuestro alcance han crecido, y los usos del suelo van más allá de la agricultura: minería, ganadería, explotación forestal, y la construcción, esta última siendo obviamente de vital importancia para nuestra área de estudio: la ingeniería civil. La construcción ha estado presente desde que el ser humano creó los más rudimentarios refugios, y ha progresado hasta convertirse en la industria que conocemos actualmente. Para construir en tierra firme, es indispensable el uso de suelo, ya sea para cimentar y posteriormente elevar ahí una estructura; o para extraer materiales. Sin embargo, el suelo no es constante en todas las regiones del planeta, ni siquiera se comportará de la misma manera todo el año en un mismo sitio, pues sus propiedades variarán dependiendo tanto de su ubicación como de otros factores, citando a la humedad y el clima como ejemplos. Esto nos deja muy en claro que en el planeta existe no sólo uno, sino varios tipos de suelo distintos, siendo cada uno tan complejo y tan distinto de los demás que se necesita de áreas de especialización para su estudio. Siendo la industria de la construcción tan vital en la economía mundial, y el suelo tan necesario (y variante) para ésta, es natural que a lo largo de los años el hombre lo haya tomado como un objeto de estudios, estudios que continúan hasta el día de hoy, manifestándose en el desarrollo de ciencias como la ingeniería geotécnica o la mecánica de suelos, ampliamente utilizadas en la ingeniería civil. Las ciencias anteriormente mencionadas tienen uno de sus principales centros de operaciones (unos más especializados que otros) en el laboratorio de materiales, lugar donde podemos efectuar diversas pruebas a toda gama de materiales de construcción para conocer de manera práctica su comportamiento o para probar su calidad. ¿Qué pruebas pueden efectuarse para conocer el comportamiento y las propiedades del suelo? En el presente reporte se presentarán algunas de las pruebas más usuales y básicas aplicadas a un tipo específico de suelo: Humedad del suelo, granulometría y límites de consistencia.
Suelo En geología comúnmente se denomina suelo al sistema estructurado con características biológicamente activas, que se desarrolla en la capa más superficial de la corteza terrestre. Entre las etapas implicadas en la formación del suelo están la disgregación o meteorización mecánica de rocas; ya sea por frío, calor, lluvia, oxidaciones, hidrataciones, y es de esta manera en la que la roca es gradualmente fragmentada. Los fragmentos de roca se van mezclando con restos orgánicos: heces, organismos muertos o en etapa de descomposición, restos de vegetales, así como la instalación de seres vivos sobre los sustratos orgánicos, propiciando de esta manera el enriquecimiento del sustrato. Con el paso del tiempo la estratificación de todo este conjunto de materiales da lugar a la formación de suelos (Ciencias de la Tierra y del Medio Ambiente, 20007)
Tipos de suelo: Los tipos de suelos se clasifican de dos maneras: una es según la función del suelo y la otra es según las características del suelo. Tipos de suelo según su funcionalidad
Suelos arenosos: son aquellos suelos que no retienen el agua, al poseer poca materia orgánica no son aptos para la agricultura. Suelos calizos: en estos suelos abundan las sales calcáreas, suelen ser de color blanco y también árido y seco, y por ende no son buenos para la agricultura. Suelos humíferos (también llamados tierra negra): son aquellos que posee gran cantidad de materia orgánica en descomposición, son fantásticos para retener el agua y por lo tanto son excelentes para cultivar. Suelos arcillosos: estos suelos están formados por pequeños granos finos de color amarillo y retienen el agua en charcos. Mezclados con humus pueden resultar muy efectivos para la agricultura. Suelos pedregosos: formas por toda clase de rocas y piedras, al no retener el agua resultan pésimos para cultivar. Suelos mixtos: una mezcla del suelo arenoso y del suelo arcilloso.
Tipos de suelo según sus características:
Litosoles: suelo que suele aparecer en afloramientos rocosos y a veces en escarpas, son de poco espesor y con poca vegetación. Cambisoles: suelos jóvenes que acumulan arcillas. Luvisoles: cuenta con un horizonte resultado de una gran acumulación de arcillas. Acrisoles: tienen una acumulación de arcilla menor a los luvisoles. Gleysoloes: cuentan con gran cantidad de agua en forma permanente o semipermanente.
Fluvisoles: suelos jóvenes que se han formado debido a la lluvia, suelen tener mucho calcio. Rendzina: suelos con muchas materia orgánica ubicados sobre roca caliza. Vertisoles: suelo arcilloso de color negro, se localizan en zonas de poca pendiente.
Arcilla La arcilla es un suelo o roca sedimentaria constituida por agregados de silicatos de aluminio hidratados, procedentes de la descomposición de rocas que contienen feldespato, como el granito. Presenta diversas coloraciones según las impurezas que contiene, desde el rojo anaranjado hasta el blanco cuando es pura. Arcilla del período cuaternario (400.000 años), Estonia. Físicamente se considera un coloide, de partículas extremadamente pequeñas y superficie lisa. El diámetro de las partículas de la arcilla es inferior a 0,002 mm. En la fracción textural arcilla puede haber partículas no minerales, los fitolitos. Químicamente es un silicato hidratado de alúmina, cuya fórmula es: Al2O3 • 2SiO2 •H2O. Se caracteriza por adquirir plasticidad al ser mezclada con agua, y también sonoridad y dureza al calentarla por encima de 800 °C. La arcilla endurecida mediante la acción del fuego fue la primera cerámica elaborada por los seres humanos, y aún es uno de los materiales más baratos y de uso más amplio. Ladrillos, utensilios de cocina, objetos de arte e incluso instrumentos musicales como la ocarina son elaborados con arcilla. También se la utiliza en muchos procesos industriales, tales como en la elaboración de papel, producción de cemento y procesos químicos. Arcilla expansiva Una arcilla expansiva es aquella arcilla susceptible de producir grandes cambios de volumen, en directa relación con los cambios en la humedad del suelo. La mitigación de los efectos de una arcilla expansiva en las estructuras realizadas en las áreas con arcillas expansivas es un desafío en la ingeniería geotécnica. Las arcillas se expanden con la humedad y se contraen al secarse, formando profundas grietas. Este proceso favorece la mezcla de materiales desde horizontes más profundos, ya que al rellenarse las grietas con material externo, cuando la arcilla vuelve a hidratarse, expulsa parte del material más profundo por la falta de espacio. Este proceso repetido durante años acaba generando suelos de tipo vertisol.
Pozo a cielo abierto
Para determinar las propiedades de un suelo en laboratorio es preciso contar con muestras representativas de dicho suelo. Un muestreo adecuado y representativo es de primordial importancia, pues tiene el mismo valor que el de los ensayes en sí. A menos que la muestra obtenida sea verdaderamente representativa de los materiales que se pretendan usar, cualquier análisis de la muestra solo será aplicable a la propia nuestra y no al material del cual procede, de ahí la imperiosa necesidad de que el muestreo sea efectuado por personal conocedor de su trabajo. La muestra pueden ser de dos tipos: alterados o inalterables. Se dice que una muestra es alterada cuando no guarda la misma condiciones que cuando se encontraba en el terreno de donde procede, e inalterada en caso contrario.
Muestras La toma u obtención de muestras es el procedimiento que consiste en recoger partes, porciones o elementos representativos de un terreno, a partir de las cuales se realizará un reconocimiento geotécnico del mismo. Las muestras son porciones representativas del terreno que se extraen para la realización de ensayos de laboratorio. Según la forma de obtención, pueden clasificarse de forma general en dos tipos:
Muestras alteradas: conservan sólo algunas de las propiedades del terreno en su estado natural.
Muestras inalteradas: conservan, al menos teóricamente, las mismas propiedades que tiene el terreno "in situ".
Nivel freático El nivel freático corresponde al nivel superior de una capa freática o de un acuífero en general. A menudo, en este nivel la presión de agua del acuífero es igual a la presión atmosférica. También se conoce como capa freática, manto freático, napa freática, napa subterránea (del francés nappe=mantel), tabla de agua (traducción incorrecta del inglés, puesto que table significa mesa) o simplemente freático. Al perforar un pozo de captación de agua subterránea en un acuífero libre, el nivel freático es la distancia a la que se encuentra el agua desde la superficie del terreno. En el caso de un acuífero confinado, el nivel del agua que se observa en el pozo corresponde al nivel piezométrico.
Pruebas
Humedad de suelo Se denomina humedad del suelo a la cantidad de agua por volumen de tierra que hay en un terreno. Su medición exacta se realiza gravimétricamente, pesando una muestra de tierra antes y después del secado. Esta es de gran importancia debido a que el agua constituye un factor determinante en la formación, conservación, fertilidad y productividad del mismo, así como para la germinación, crecimiento y desarrollo de las plantas cultivadas. Su medición in vivo plantea más dificultades, siendo el TDR y la sonda de neutrones los sensores con mejores respuestas. Para terrenos salinos o muy áridos, se emplea experimentalmente el SBIB capaz de medir la humedad del suelo sin que le afecten las características del mismo y con mayor sensibilidad en terreno árido. Para medidas a largo plazo también se emplean métodos manuales como bloques de yeso. Contenido de Humedad. El contenido de agua o humedad es la cantidad de agua contenida en un material, tal como el suelo (la humedad del suelo), las rocas, la cerámica o la madera medida en base a análisis volumétricos o gravimétricos. Esta propiedad se utiliza en una amplia gama de áreas científicas y técnicas y se expresa como una proporción que puede ir de 0 (completamente seca) hasta el valor de la porosidad de los materiales en el punto de saturación. El contenido volumétrico de agua, θ, se define matemáticamente como:
Donde es el volumen del agua total (que es
es el volumen ).
El contenido de humedad también puede estar basado en su masa o peso. Así el contenido gravimétrico de agua del agua se define como:
Donde es la masa del agua y (o para el suelo) es la masa en material bruto. Para convertir del contenido gravimétrico de agua al contenido volumétrico, multiplicamos el contenido gravimétrico por la gravedad específica de material en bruto.
Granulometría La granulometría es la medición de los granos de una formación sedimentaria y el cálculo de la abundancia de los correspondientes a cada uno de los tamaños previstos por una escala granulométrica. El método de determinación granulométrico más sencillo es hacer pasar las partículas por una serie de mallas de distintos anchos de entramado (a modo de coladores) que actúen como filtros de los granos que se llama comúnmente columna de tamices. Pero para una medición más exacta se utiliza un granulómetro láser, cuyo rayo difracta en las partículas para poder determinar su tamaño. Escala granulométrica Partícula
Tamaño
Arcillas
< 0,002 mm
Limos
0,002-0,06 mm
Arenas
0,06-2 mm
Gravas
2 mm-6 cm
Cantos rodados
6-25 cm
Bloques
>25 cm
Procedimiento Para su realización, se utiliza una serie de tamices con diferentes diámetros que son ensamblados en una columna. En la parte superior, donde se encuentra el tamiz de mayor diámetro, se agrega el material original (suelo o sedimento mezclado) y la columna de tamices se somete a vibración y movimientos rotatorios intensos en una máquina especial. Luego de algunos minutos, se retiran los tamices y se desensamblan, tomando por separado los pesos de material retenido en cada uno de ellos y que, en su suma, deben corresponder al peso total del material que inicialmente se colocó en la columna de tamices (Conservación de la Masa).
Tomando en cuenta el peso total y los pesos retenidos, se procede a realizar la curva granulométrica, con los valores de porcentaje retenido que cada diámetro ha obtenido. La curva granulométrica permite visualizar la tendencia homogénea o heterogénea que tienen los tamaños de grano (diámetros) de las partículas. Desde el punto de vista de la Sedimentología, un material heterogéneo se considera mal escogido o seleccionado, mientras que un material homogéneo se considera bien escogido. El grado de selección se expresa con el término escogimiento. Desde el punto de vista de la Mecánica de Suelos, un material heterogéneo se considera bien gradado si sus propiedades mecánicas ofrecen mayor calidad, y un material homogéneo se considera mal gradado, si sus propiedades mecánicas son deficientes.
Límites de consistencia Generalidades Los límites de Atterberg o límites de consistencia se basan en el concepto de que los suelos finos, presentes en la naturaleza, pueden encontrarse en diferentes estados, dependiendo del contenido de agua. Así un suelo se puede encontrar en un estado sólido, semisólido, plástico, semilíquido y líquido. La arcilla, por ejemplo al agregarle agua, pasa gradualmente del estado sólido al estado plástico y finalmente al estado líquido. El contenido de agua con que se produce el cambio de estado varía de un suelo a otro y en mecánica de suelos interesa fundamentalmente conocer el rango de humedades, para el cual el suelo presenta un comportamiento plástico, es decir, acepta deformaciones sin romperse (plasticidad), es decir, la propiedad que presenta los suelos hasta cierto límite sin romperse. El método usado para medir estos límites de humedad fue ideado por Atterberg a principios de siglo a través de dos ensayos que definen los límites del estado plástico. Los límites de Atterberg son propiedades índices de los suelos, con que se definen la plasticidad y se utilizan en la identificación y clasificación de un suelo. Plasticidad y límites de consistencia Plasticidad es la propiedad que tienen algunos suelos de deformarse sin agrietarse, ni producir rebote elástico. Los suelos plásticos cambian su consistencia al variar su contenido de agua. De ahí que se puedan determinar sus estados de consistencia al variar si se conoce las fronteras entre ellas. Los estados de consistencia de una masa de suelo plástico en función del cambio de humedad son sólidos, semisólido, líquido y plástico. Estos cambios se dan cuando la humedad en las masas de suelo varía.
Para definir las fronteras en esos estados se han realizado muchas investigaciones, siendo las más conocidas las de Terzaghi y Attergerg. Para calcular los límites de Atterberg el suelo se tamiza por la malla Nº40 y la poción retenida es descartada. La frontera convencional entre los estados semisólido y plástico se llama límite plástico, que se determina alternativamente presionando y enrollando una pequeña porción de suelo plástico hasta un diámetro al cual el pequeño cilindro se desmorona, y no puede continuar siendo presionado ni enrollado. El contenido de agua a que se encuentra se anota como límite plástico. La frontera entre el estado sólido y semisólido se llama límite de contracción y a la frontera entre el límite plástico y líquido se llama límite líquido y es el contenido de agua que se requiere adicionar a una pequeña cantidad de suelo que se colocará en una copa estándar, y ranura con un dispositivo de dimensiones también estándar, sometido a 25 golpes por caída de 10 mm de la copa a razón de 2 golpes/s, en un aparato estándar para limite líquido; la ranura efectuada deberá cerrarse en el fondo de la copa a lo largo de 13 mm. En los granos gruesos de los suelos, las fuerzas de gravitación predomina fuertemente sobre cualquiera otra fuerza; por ello, todas las partículas gruesas tienen un comportamiento similar. En los suelos de granos muy finos, sin embargo fuerzas de otros tipos ejercen acción importantísima; ello es debido a que en estos granos, la relación de área a volumen alcanza valores de consideración y fuerzas electromagnéticas desarrolladas en la superficie de los compuestos minerales cobran significación. En general, se estima que esta actividad en la superficie de la partícula individual es fundamental para tamaños menores que dos micras (0,002 mm) Relación entre las fases sólidas y liquidas en una arcilla Durante mucho tiempo se creyó que los minerales de las arcillas eran de naturaleza amorfa, pero todas las investigaciones de detalle realizadas hasta ahora han demostrado, que son cristalinos y altamente estructurados. Existen suelos que al ser remoldeados, cambiando su contenido de agua, si es necesario, adoptan una consistencia característica que se ha denominado plástica. Estos suelos han sido llamados arcillas originalmente por los hombres dedicados a la cerámica; la palabra pasó a la mecánica de suelos, en épocas más recientes, con idénticos significados. La plasticidad es en este sentido, una propiedad tan evidente que ha servido de antaño para clasificar suelos en forma puramente descriptiva. Pronto se reconoció que existía una relación específica entre la plasticidad y las propiedades físico - químicas determinantes del comportamiento mecánico de las arcillas. Las investigaciones han probado que la plasticidad de un suelo es debida a su contenido de partículas más finas de forma laminar ya que esta ejerce una influencia importante en la compresibilidad del
suelo, mientras que el pequeño tamaño propio de esas partículas hace que la permeabilidad del conjunto sea muy baja. Otras ramas de la ingeniería han desarrollado otra interpretación del concepto de plasticidad, como es el caso del esfuerzo-deformación de los materiales. Al tratar de definir en términos simples la plasticidad de un suelo, no resulta suficiente decir que un suelo plástico puede deformarse y remoldearse sin agrietamiento, pues una arena fina y húmeda tiene esas características cuando la deformación se produce lentamente y, sin embargo, no es plástica en un sentido más amplio de la palabra; hay entre el comportamiento de la arcilla y el de la arena en cuestión una importante diferencia: el volumen de la arcilla permanece constante durante la deformación, mientras que el de la arena varía; además, la arena se desmorona en deformación rápida. Por lo tanto, en mecánica de suelos podemos definir la plasticidad como la propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable y sin desmoronarse ni agrietarse. Estados de consistencia. Límites de plasticidad Para medir la plasticidad de las arcillas se han desarrollado varios criterios de los cuales se menciona el desarrollado por Atterberg, el cual dijo en primer lugar que la plasticidad no es una propiedad permanente de las arcillas, sino circunstancial y dependiente de su contenido de agua. Una arcilla muy seca puede tener la consistencia de un ladrillo, con plasticidad nula, y esa misma, con gran contenido de agua, puede presentar las propiedades de un lodo semilíquido o, inclusive, las de una suspensión líquida. Entre ambos extremos, existe un intervalo del contenido de agua en que la arcilla se comporta plásticamente. En segundo lugar, Atterberg hizo ver que la plasticidad de un suelo exige, para ser expresada en forma conveniente, la utilización de dos parámetros en lugar de uno. Según su contenido de agua en forma decreciente, un suelo susceptible de ser plástico puede estar en cualquiera de los siguientes estados de consistencia, definido por Atterberg. 1. 2. 3. 4.
Estado líquido, con las propiedades y apariencias de una suspensión. Estado Semilíquido, con las propiedades de un fluido viscoso. Estado Plástico, en que el suelo se comporta plásticamente. Estado semisólido, en el que el suelo tiene la apariencia de un sólido, pero aún disminuye de volumen al estar sujeto a secado.
Selección para la determinación de los límites de plasticidad Es importante que las muestras seleccionadas para determinar los límites sean lo más homogéneas que se pueda lograr. A este respecto, ha de tenerse en cuenta, que el aspecto de una arcilla inalterada es muy engañoso; a simple vista puede no presentar la menor indicación de estratificación, ni cambio de color y ello no obstante, su contenido natural de humedad puede variar grandemente en
diferentes zonas de la misma muestra extraída del terreno, con correspondientes variaciones apreciables en los límites líquidos.
MMP. MÉTODOS DE MUESTREO Y PRUEBA DE MATERIALES PARTE: 1. SUELOS Y MATERIALES PARA TERRACERÍAS TÍTULO: 04. Contenido de Agua CONTENIDO Este Manual describe el procedimiento para determinar el contenido de agua en los materiales para terracerías a que se refieren las Normas N·CMT·1·01, Materiales para Terraplén, N·CMT·1·02, Materiales para Subyacente y N·CMT·1·03, Materiales para Subrasante. OBJETIVO DE LA PRUEBA Esta prueba permite determinar el contenido de agua en los materiales para terracerías, con el fin de obtener una idea cualitativa de su consistencia o de su probable comportamiento. La prueba consiste en secar una muestra del material en el horno y determinar el porcentaje de la masa del agua, con relación a la masa de los sólidos. La determinación del contenido de agua se efectúa siguiendo el procedimiento descrito en la Cláusula E.; sin embargo, cuando se requiera una determinación rápida con menor precisión, se podrá aplicar la prueba rápida que se describe en la Cláusula F. de este Manual. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA De la muestra de material para terracerías, obtenida según se establece en el Manual MMP·1·01, Muestreo de Materiales para Terracerías, se toma una porción de tamaño aproximado al indicado en la Tabla 1 de este Manual, según el tamaño máximo del material. Cuando se trate de obtener el contenido de agua del material en el sitio del muestreo, es recomendable que al tomar la muestra en campo, se determine inmediatamente la masa del material húmedo.
EQUIPO
Balanzas Recipientes Horno Desecador
PROCEDIMIENTO DE LA PRUEBA
Se obtiene la masa del recipiente limpio y seco, con su tapa y se anota como Wt, en g. Se coloca la porción de la muestra húmeda en el recipiente, se tapa e inmediatamente después, se determina la masa del conjunto y se registra como W1, en g. Posteriormente se quita la tapa del recipiente y se introduce la muestra en el horno para mantenerla a una temperatura de 105 ± 5°C, hasta obtener masa constante, lo cual ocurre en un lapso aproximado de 16 h. En caso de materiales que contengan materia orgánica o minerales como el yeso que contienen agua en su composición, la temperatura de secado no será mayor de 60°C. Una vez secada la muestra, se saca del horno y se coloca en el desecador, dejándola enfriar hasta la temperatura ambiente; se obtiene la masa en su recipiente original, previamente tapado y se anota como W2, en g.
CALCULOS Y RESULTADOS Se calcula y reporta como el contenido de agua, el resultado obtenido mediante la siguiente expresión:
Donde: ω = Contenido de agua, (%) W1 = Masa de la muestra húmeda más la masa del recipiente y su tapa, (g) W2 = Masa de la muestra seca más la masa del recipiente y su tapa, (g) Wt = Masa del recipiente y su tapa, (g) Ww = Masa del agua, (g) Ws = Masa de los sólidos, (g) PRUEBA RÁPIDA PARA LA DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE AGUA EQUIPO
Balanzas Fuente de calor Recipientes o charolas Vidrios de reloj Pinzas Cuchara
PROCEDIMIENTO DE PRUEBA
Se obtiene la masa del recipiente limpio y seco; se anota como Wt, en g. Se coloca una porción de la muestra húmeda en el recipiente e inmediatamente después se determina la masa del conjunto; se registra como W1, en g. A continuación se coloca en la fuente de calor el recipiente que contiene la muestra, durante el tiempo necesario para que se evapore toda el agua, lo cual se comprueba haciendo pasar repetidamente un vidrio de reloj sobre la muestra, ya que mientras ésta contenga agua, se condensará el vapor en la superficie del vidrio. Con el fin de lograr un secado más rápido y uniforme, se recomienda remover moderadamente la muestra dentro del recipiente durante el proceso de secado, evitando pérdidas de material, como se muestra en la Figura 3 de esta Manual. Una vez secada la muestra, se retira el recipiente de la fuente de calor utilizando las pinzas; se deja enfriar y se obtiene la masa de la muestra con su recipiente y se anota como W2, en g.
CALCULOS Y RESULTADOS
Se calcula y reporta el contenido de agua, en la forma indicada en la Fracción E.3. de este Manual. En caso de materiales que contengan materia orgánica en cantidades importantes o minerales que puedan perder su agua de composición debido a un calentamiento excesivo, se efectuará una corrección de acuerdo con lo siguiente: Se toman por cuarteo dos porciones de la muestra, en las cantidades indicadas en la Cláusula D. de este Manual. Se determina el contenido de agua en una de las porciones mediante la prueba estándar, descrita en la Cláusula E. de este Manual, obteniéndose el valor ω.
Se determina el contenido de agua en la porción restante mediante la prueba rápida, descrita en esta Cláusula, obteniéndose el valor ωr. Se calcula el factor de corrección empleando la siguiente expresión:
Donde: C = Factor de corrección, (%) ωr = Contenido de agua determinado mediante la prueba rápida, (%) ω = Contenido de agua determinado mediante la prueba estándar, (%) Para obtener el contenido de agua real, se utiliza la siguiente expresión:
En caso de duda, se efectuarán como mínimo tres determinaciones del factor de corrección C y se tomará el valor promedio de éstas.
Práctica 1. Peso volumétrico
Herramientas y materiales
Cucharon Pala Capsula No.5 Capsula No.7 Horno Balanza Báscula Mechero Vidrio de reloj Recipiente de metal Guantes Mazo Suelo arcilla expansiva color gris
Procedimiento 1. Del material arcilloso, y con ayuda de la balanza, tomaremos dos muestras de 100 g cada una, las cuales se colocarán en cápsulas metálicas diferentes. Se debe medir el peso de cada cápsula vacía antes de verter el material en ellas.
Figura 1.1 Pesaje de las cápsulas.
Figura 1.2 Pesaje del material arcilloso.
2. Las muestras de arcilla nos servirán, por separado, para realizar dos tipos de prueba de secado de suelo: la rápida y la estándar. Prueba de secado rápido 1. Colocar los 100 gramos de material arcilloso de una de las cápsulas en una charola metálica, la cual se colocará sobre el mechero de bunsen previamente instalado en la campana extractora para poder calentar el material.
Figura 1.3 Dispositivo de secado en la campana de extracción.
Figura 1.4 Material arcilloso colocado en el dispositivo de secado.
2. Una vez colocado el material sobre el mechero, poner directamente arriba del material el vidrio de reloj. Observaremos que la humedad de la arcilla empañará el vidrio al manifestarse en forma de vapor. Se quita el vidrio rápidamente para evitar que se caliente demasiado.
Figura 1.5 Vidrio de reloj empañándose sobre el material arcilloso.
3. Se deja la muestra de suelo en el mechero el tiempo suficiente hasta que esta esté completamente seca. En el lapso en que esto ocurre, se colocará y quitará varias veces el vidrio de reloj. Sabremos que la muestra está completamente seca cuando el vidrio deje de empañarse al ser colocado sobre la arcilla.
Figura 1.6 Vidrio de reloj sobre la muestra seca (sin empañarse).
4. Una vez que la muestra de suelo está completamente seca, se quita del fuego del mechero, y vuelve a pesarse en la capsula que lo contenía en un principio, haciendo los cálculos correspondientes, podremos saber su peso actual, y posteriormente, su peso volumétrico.
Figura 1.7 se coloca el material de vuelta en la cápsula metálica.
Figura 1.8 Se vuelve a pesar el material, ahora secado.
Prueba de secado estándar 1. Se toma la segunda cápsula con los 100 gramos de arcilla, y se mete al horno de secado por 24 horas.
Figura 1.9 La cápsula que contiene la muestra de arcilla se mete al horno.
2. Una vez pasadas las 24 horas, se saca la muestra del horno y se pesa nuevamente. Con los datos obtenidos, puede calcularse el peso volumétrico.
Figura 1.10 La muestra de arcilla se pesa una vez después de haberla secado al horno.
Cálculos y resultados Peso de la capsula= 29.65 g Se tomó 100 g de la muestra y se sometió a una prueba rápida Peso de cápsulas con material= 112.23 g
Para factor de corrección se emplea la siguiente expresión
Donde C= Factor de corrección (%) = Contenido de agua prueba rápida (%) Contenido de agua prueba de estándar (%)
Para cápsula prueba estándar = 29.6 g Se tomó 100 g de muestra y se sometió a una prueba estándar Peso de cápsula 7 con material = 112.6 g
MMP. MÉTODOS DE MUESTREO Y PRUEBA DE MATERIALES PARTE: 1. SUELOS Y MATERIALES PARA TERRACERÍAS TÍTULO: 06. Granulometría de Materiales Compactables para Terracerías CONTENIDO Este Manual describe los procedimientos de prueba, estándar y simplificado, para obtener la granulometría de los materiales compactables para terracerías a que se refieren las Normas N·CMT·1·01, Materiales para Terraplén, N·CMT·1·02, Materiales para Subyacente y N·CMT·1·03, Materiales para Subrasante. OBJETIVO DE LA PRUEBA Estas pruebas permiten determinar la composición por tamaños (granulometría) de las partículas que integran los materiales empleados para terracerías, mediante su paso por una serie de mallas con aberturas determinadas. El paso del material se hace primero a través de las mallas con la abertura más grande, hasta llegar a las más cerradas, de tal forma que los tamaños mayores se van reteniendo, para así obtener la masa que se retiene en cada malla, calcular su porcentaje respecto al total y determinar el porcentaje de la masa que pasa. ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO MEDIANTE EL PROCEDIMIENTO ESTÁNDAR EQUIPO Juego de mallas Horno Balanza Vaso de aluminio Agitador de varilla metálico Maquina agitadora para las mallas Cucharón Charolas Tapas y charolas de fondo para las mallas Cepillos o brochas Desecador PREPARACIÓN DE LA MUESTRA La preparación de la muestra de materiales para terracerías, obtenida según se establece en el Manual M·MMP·1·01, Muestreo de Materiales para Terracerías, se hace de la siguiente manera: Selección del material para la prueba De la muestra del material se apartan aproximadamente 15 kg, de acuerdo con lo indicado en el Manual M·MMP·1·03, Secado, Disgregado y Cuarteo de Muestras. Se obtiene la masa de este material y se registra como Wm, en g, con aproximación a la unidad. Obtención de las porciones de prueba Para realizar la prueba, del material apartado se separa la grava de la arena con finos, conforme al siguiente procedimiento: Se vacía poco a poco y cuidadosamente el material sobre la malla N°4 (4,75 mm), sin sobrepasar la capacidad de la malla y recolectando el material que pasa en una charola. Utilizando la brocha, se retiran todas las partículas que se hubieran adherido a la malla para hacerlas pasar también por ella a fin de no perder ninguna porción del material. El material retenido en la malla N°4 se coloca en otra charola. Se vierte en la balanza la porción retenida en la malla N°4; se determina su masa, que representa la grava, registrándola como Wm1, en g, con aproximación a la unidad y se regresa a la charola dicha porción. De la misma forma se obtiene la masa de la fracción que pasa dicha malla, que representa la arena con finos de la muestra, registrándola como Wm2.
De la fracción de material que pasó la malla N°4, se obtiene una porción de 100 g para determinar su contenido de agua (ω2), de acuerdo con el procedimiento indicado en el Manual M·MMP·1·04, Contenido de Agua. De la fracción restante de material que pasó la malla N°4, que tiene el contenido de agua original, se obtiene una porción que corresponda aproximadamente 200 g de material seco, registrándola como Wm3, con aproximación de 0,1 g.
Preparación de las mallas Se preparan dos juegos, el primero para la grava y el segundo para la arena, acomodándolas en el primer caso y ensamblándolas en el segundo, en orden descendente de aberturas de acuerdo con lo indicado en la Tabla 1 de este Manual y terminando cada juego con las charolas de fondo. Cribado de la fracción de material retenido en la malla N°4 La porción del material retenida en la malla N°4, separada como se indica en el Inciso D.2.2., se criba por la malla 3. (75,0 mm) y menores. Para el cribado, el material se vierte poco a poco y cuidadosamente por cada malla, a la que se le aplica un movimiento vertical y de rotación horizontal, con el fin de mantener al material en constante movimiento para permitir que las partículas de tamaños menores pasen a través de las aberturas y recolectarlas en una charola, como se muestra en la Figura 1 de este Manual. El material retenido se coloca en otra charola. Este cribado se hará considerando además que: a) La cantidad de material que se vaya colocando sobre la malla será menor que la capacidad de la misma para evitar pérdidas y facilitar el cribado. b) El paso de las partículas a través de las aberturas de la malla se efectuará libremente y sin forzarlas. c) El cribado se suspenderá cuando se estime que la masa del material que pasa dicha malla durante 1 minuto de agitación, es menor de 1 g.
Concluido el cribado, se verifica si las partículas que quedaron retenidas y que tienen forma de laja o de aguja pueden pasar a través de la malla, para lo cual se acomodan con la mano según su dimensión menor y sin forzarlas se introducen entre las separaciones, incorporando a la porción retenida aquellas que de cualquier forma queden atoradas en las tramas de la malla.
En la misma forma indicada en los Párrafos anteriores, la porción del material que pasó la malla 3. (75,0 mm), se criba por la malla 2. (50,0 mm) y así sucesivamente por todas las mallas para grava que se indican en la Tabla 1 de este Manual, obteniendo la masa del material retenido en cada una, donde el subíndice i corresponde a la designación de la malla respectiva.
Cribado de la fracción de material que pasa la malla N°4 La porción del material que pasó la malla N°4, separada conforme a lo indicado en este Manual, se coloca en un vaso metálico donde se le agregan aproximadamente 500 cm 3 de agua y se deja reposar durante 12 h como mínimo. Posteriormente se lava a través de la malla N°200, para lo cual: a) Con ayuda de una varilla, se agita en forma de ochos el contenido del vaso durante 15 s, para formar una suspensión. b) Se deja reposar dicha suspensión durante 30 s e inmediatamente después se decanta sobre la malla N°200, como se muestra en la Figura 3 de este Manual. c) Para facilitar el paso de las partículas finas a través de la malla, se aplica sobre ésta un chorro de agua a baja presión. d) Se repite la operación de lavado, hasta que el agua decantada salga limpia.
Como se muestra en la Figura 4 de este Manual, el material retenido en la malla N°200 se regresa al vaso metálico, utilizando un poco de agua, misma que se decanta al final de la operación, pero evitando el arrastre de partículas. Se seca el material dentro del vaso metálico hasta masa constante, manteniéndolo en el horno durante un lapso no menor de 16 h, a una temperatura de 105 ± 5°C. Posteriormente se retira del horno y se deja enfriar dentro del desecador hasta temperatura ambiente Una vez ensambladas las mallas para la arena, como se indica en el Inciso D.3.1. de este Manual, se vierte el material seco sobre la malla superior y se coloca la tapa, como se muestra en la Figura 5 de este Manual. Se efectúa la operación de cribado imprimiendo al juego de mallas un movimiento vertical y de rotación horizontal durante 5 min; en esta operación es conveniente emplear el agitador mecánico. Concluido el cribado, se quita la tapa y se separa la primer malla (N°10), la cual se agita sobre una charola hasta que se estime que la masa del material que pasa dicha malla durante 1 min no sea mayor de 1 g. El material depositado en la charola, se vierte sobre la siguiente malla (N°20). Este procedimiento de cribado se repite en forma subsecuente con cada una de las mallas restantes, verificando que las partículas que queden atoradas sean regresadas a la porción retenida correspondiente mediante un cepillado de las mallas por su reverso. Finalmente se obtienen las masas de los materiales retenidos en cada una de las mallas y se anotan las masas respectivas como Wi, con aproximación de 0,1 g, donde el subíndice i corresponde a la designación de la malla respectiva.
CALCULOS Y RESULTADOS Para el análisis granulométrico mediante el procedimiento estándar, se calcula lo siguiente, reportándolo como se ejemplifica en el formato mostrado en la Figura 6 de este Manual. La masa del material seco de la muestra, determinada mediante la siguiente expresión: Wd =Wd1 +Wd 2 Donde: Wd = Masa del material seco de la muestra, (g), con aproximación a la unidad Wd1 = Masa del material seco de la fracción retenida en la malla N°4, que se considera igual a Wm1, debido a que el valor del contenido de agua de esta fracción es relativamente pequeño y puede despreciarse sin producir errores de importancia, (g) Wd2 = Masa del material seco de la fracción que pasó la malla N°4, (g), determinada como
Wm2 = Masa de la fracción que pasó la malla N°4, obtenida como se indica en el Párrafo D.2.2.2. de este Manual, (g) ω2= Contenido de agua del material que pasó la malla N°4, obtenido de acuerdo con lo indicado en el Párrafo D.2.2.3. de este Manual, expresado como fracción decimal. De la fracción de material retenido en la malla N°4, se calculan los retenidos parciales en cada una de las mallas con relación a la masa de la muestra seca, mediante la siguiente expresión:
Donde: Ri (%) = Retenido parcial en la malla i con relación a la muestra original, (%), con aproximación de 0,1% Wi = Masa del material retenido en la malla i, (g) i = Designación de la malla utilizada, que va desde la de 3" hasta la N°4 Wd = Masa del material seco de la muestra, (g) De la fracción de material que pasó la malla N°4, los retenidos parciales en cada una de las mallas con relación a la masa de la muestra seca, se obtienen mediante la siguiente expresión:
Donde: Ri (%) = Retenido parcial en la malla i con relación a la muestra original, (%), con aproximación de 0,1% Wd = Masa del material seco de la muestra, (g) Wd2 = Masa del material seco de la fracción que pasó la malla N°4, (g) Wd3 = Masa del material seco que pasó la malla N°4, (g), determinada como:
Wm3 = Masa de la porción que pasó la malla N°4, obtenida como se indica en el Párrafo D.2.2.4. de este Manual, (g) ω2= Contenido de agua del material que pasó la malla N°4, obtenido de acuerdo con lo indicado en el Párrafo D.2.2.3. de este Manual, expresado como fracción decimal. Wi = Masa del material retenido en la malla i, (g) i = Designación de la malla utilizada, que va desde la N°10 hasta la N°200 De la fracción de material que pasó la malla N°4, el contenido de finos que pasan la malla N°200 (0,075 mm) con relación a la masa de la muestra seca, se obtiene mediante la siguiente expresión:
Donde: %F = Contenido de finos con relación a la muestra seca, (%), con aproximación de 0,1% ΣWi = Suma de las masas de los materiales retenidos en las mallas N°10 a la N°200. Wd, Wd2 y Wd3 tiene el mismo significado indicado en el Inciso D.4.3. de este Manual. La cantidad de material que pasa cada malla, conforme a lo siguiente: Se le resta al 100%, que es el total de la masa representativa expresada como porcentaje, el retenido parcial correspondiente a la malla de mayor tamaño empleada, con el fin de calcular la cantidad de material que pasa dicha malla. Lo anterior se puede expresar como:
Donde: P3" (%) = Material que pasa a través de la malla 3", que es la de mayor tamaño, con relación a la muestra original, (%), con aproximación de 0,1% W3" (%) = Retenido parcial en la malla 3" con relación a la muestra original, obtenido como se indica en el Inciso D.4.2. de este Manual, (%) Posteriormente, al valor antes obtenido (P3.) se le resta el retenido parcial en las mallas subsecuentes hasta llegar a la N°200, con lo cual se van calculando los porcentajes que pasan. Lo que se puede expresar como:
Pi (%) = Pi +1 (%) −Wi (%) Donde: Pi (%) = Material que pasa a través de la malla i con relación a la muestra original, (%), con aproximación de 0,1% Pi+1 (%) = Material que pasa a través de la malla inmediata superior, es decir la malla i+1, con relación a la muestra original, (%) Wi (%) = Retenido parcial en la malla i con relación a la muestra original, obtenido como se indica en los Incisos D.4.2. ó D.4.3. de este Manual, dependiendo del tamaño de la malla, (%) i = Designación de la malla utilizada, que en este caso va desde la de 2" hasta la N°200 Con los datos obtenidos como se indica en los Párrafos D.4.5.1. y D.4.5.2. de este Manual, se dibuja sobre un sistema de ejes coordenados la curva granulométrica del material, marcando las aberturas nominales de las mallas, en escala logarítmica sobre el eje de las abscisas y los porcentajes de material que pasa cada malla, sobre el eje de las ordenadas, formando un trazo suave y continuo en la unión de todos los puntos graficados, como se muestra en la Figura 6 de este Manual. Se calculan los contenidos de grava, %G y de arena, %S, mediante las siguientes expresiones:
Donde: %G = Contenido de grava con relación a la muestra seca, (%), con aproximación de 0,1% P3" (%) = Material que pasa a través de la malla 3", con relación a la muestra original, (%), con aproximación de 0,1% P4 (%) = Material que pasa a través de la malla N°4, con relación a la muestra original, (%), con aproximación de 0,1% %S = Contenido de arena con relación a la muestra seca, (%), con aproximación de 0,1% %F = Contenido de finos con relación a la muestra seca, (%), con aproximación de 0,1% Se determinan, mediante las siguientes expresiones, los coeficientes de uniformidad Cu y de curvatura Cc, que se emplean para juzgar la graduación del material como se indica en el Manual M·MMP·1·02, Clasificación de Fragmentos de Roca y Suelos:
Donde: Cu = Coeficiente de uniformidad del material, (adimensional) Cc = Coeficiente de curvatura del material, (adimensional)
D10 = Tamaño de las partículas para el cual el 10% del material es menor que este tamaño, determinado gráficamente de la curva granulométrica, (mm) D30 = Tamaño de las partículas para el cual el 30% del material es menor que este tamaño, determinado gráficamente de la curva granulométrica, (mm) D60 = Tamaño de las partículas para el cual el 60% del material es menor que este tamaño, determinado gráficamente de la curva granulométrica, (mm) ANÁLISIS GRANULOMÉTRICO MEDIANTE EL PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADO El análisis granulométrico mediante el procedimiento simplificado consiste en separar y clasificar por tamaños las partículas que componen un material, empleando un número menor de mallas respecto al análisis granulométrico estándar, con el propósito de determinar los contenidos de grava, arena y finos menores que la malla N°200 (0,075 mm), así como el tamaño máximo del material y juzgar su calidad, relacionando su contenido de finos con las características de plasticidad, para clasificarlo de acuerdo con lo establecido en el Manual M·MMP·1·02, Clasificación de Fragmentos de Roca y Suelos. EQUIPO El equipo para la ejecución de la prueba estará en condiciones de operación, calibrado, limpio y completo en todas sus partes. Estará integrado por: juego de mallas con designación 3., N°4 y N°200, que se indican en la Tabla 1; horno; balanzas; vaso de aluminio y agitador; cucharón; charolas; tapa y charola de fondo para el juego de mallas, y cepillos, según se describen en la Fracción D.1. de este Manual. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA La preparación de la muestra de materiales para terracerías, obtenida según se establece en el Manual M·MMP·1·01, Muestreo de Materiales para Terracerías, se hace como se indica en los Párrafos D.2.2.1. y D.2.2.2. de este Manual, para separar con la malla N°4 (4,75 mm), la grava de la arena con finos y registrar sus masas Wm1 y Wm2, respectivamente, en g, con aproximación a la unidad. PROCEDIMIENTO DE LA PRUEBA La porción del material retenida en la malla N°4, se criba por la malla 3. (75,0 mm), para determinar el por ciento de grava. En su caso, al material retenido en la malla 3., se le determina su masa y se registra como W3”, en g, con aproximación a la unidad. Con la porción del material que pasó la malla N°4, se procede como sigue: Se seca a masa constante en el horno a una temperatura de 105.±.5°C, se saca del horno, se deja enfriar a temperatura ambiente y se determina su masa registrándola como Wd2, con aproximación de 0,1 g. A continuación el material se coloca en un vaso metálico y se somete a un lavado aplicándole una corriente de agua en forma continua y de tal manera que derrame sobre la malla N°200 (0,075 mm) convenientemente colocada; durante este proceso la muestra se agita con una varilla metálica para propiciar el arrastre de los finos, suspendiendo el lavado cuando el agua que salga del vertedero esté clara. El material retenido en la malla N°200 se regresa al vaso metálico, utilizando un poco de agua, misma que se decanta al final de la operación, pero evitando el arrastre de partículas. Se deja escurrir la porción del material que quedó en el vaso y a continuación se seca en el horno a masa constante, a una temperatura de 105 ± 5°C; posteriormente se saca del horno, se deja enfriar hasta temperatura ambiente y se determina su masa registrándola como W’d, con aproximación de 0,1 g. CÁLCULOS Y RESULTADOS Para el análisis granulométrico mediante el procedimiento simplificado no es necesario dibujar la curva granulométrica correspondiente ni determinar los coeficientes de curvatura y uniformidad del material, por lo tanto sólo se calcula y reporta:
La masa del material seco de la muestra, determinada mediante la siguiente expresión:
Donde: Wd = Masa del material seco de la muestra, (g), con aproximación a la unidad Wd1 = Masa del material seco de la fracción retenida en la malla N°4, que se considera igual a Wm1, debido a que el valor del contenido de agua de esta fracción es relativamente pequeño y puede desperdiciarse sin producir errores de importancia, (g) Wd2 = Masa del material seco de la fracción que pasó la malla N°4, determinada como se indica en el Párrafo E.3.2.1. de este Manual, (g) El retenido parcial en la malla 3., en su caso, determinado mediante la siguiente expresión:
Donde: R3. (%) = Retenido parcial en la malla 3. con relación a la muestra original, (%), con aproximación de 0,1% W3. = Masa del material retenido en la malla 3., (g) Wd = Masa del material seco de la muestra, (g) El contenido de grava con relación a la masa de la muestra seca, es decir, la fracción que pasa la malla de 3. y se retiene en la malla N°4, calculado mediante la siguiente expresión:
Donde: %G = Contenido de grava con relación a la muestra seca, (%), con aproximación de 0,1% Wd = Masa del material seco de la muestra, (g) Wd2 = Masa del material seco de la fracción que pasó la malla N°4, determinada como se indica en el Párrafo E.3.2.1. de este Manual, (g) W3. = Masa del material retenido en la malla 3., (g) El contenido de arena con relación a la masa de la muestra seca, es decir, la fracción que pasa la malla N°4 y se retiene en la malla N°200, en %, calculado mediante la siguiente expresión:
Donde: %S = Contenido de arena con relación a la muestra seca, (%), con aproximación de 0,1% W’d = Masa del material seco de la fracción que pasó la malla N°4 y se retuvo en la malla N°200, determinada como se indica en el Párrafo E.3.2.2. de este Manual, (g) Wd = Masa del material seco de la muestra, (g) El contenido de finos con relación a la masa de la muestra seca, es decir, la fracción que pasó la malla N°200, calculado mediante la siguiente expresión:
Donde: %F = Contenido de finos con relación a la muestra seca, (%), con aproximación de 0,1% %S = Contenido de arena con relación a la muestra seca, (%), con aproximación de 0,1% %G = Contenido de grava con relación a la muestra seca, (%), con aproximación de 0,1%
Practica 2. Granulometría Material Para la prueba de lavado de suelo
Vaso de aluminio Varilla pequeña (que sirva de agitador en el vaso) Malla número 200 Agua (la suficiente) Muestra de 200 arcilla expansiva negra/gris saturada previamente por 24 horas.
Para el cribado
Mallas 10, 20, 40, 60, 100, 200 Bascula 6 Capsulas de metal Muestra de arcilla previamente secada al horno por 24 horas
Procedimiento Prueba de lavado de suelo 1. De la muestra de arcilla de 200 gramos, se toma una porción no muy grande y se coloca en el vaso de aluminio con abundante agua. Es recomendable que la mezcla no debe sobrepase la mitad de la capacidad del vaso.
Figura 2.1 Herramientas a usar en el lavado
2. Con ayuda de la varilla se agita la mezcla de arcilla y agua, haciendo movimientos en forma de ocho durante quince segundos.
Figura 2.2 Mezclado de la muestra con el agua.
3. Se hace pasar la mezcla por la malla No. 200, agregándosele agua para facilitar el paso de las partículas más pequeñas (que pueden pasar por las malla).
Figura 2.3 Se hace pasar la arcilla mezclada con agua por la malla No 200.
4. Se puede ayudar al pase de las partículas golpeando ligeramente la criba en un costado con la mano.
Figura 2.4 Se golpea ligeramente la malla para facilitar el paso de la arcilla
5. El material retenido por la malla se devuelve una vez más al vaso, tratando de que la arcilla retenida regrese en su totalidad al recipiente. Agregar agua puede ayudar a que la malla quede lo más limpia posible.
Figura 2.5 Se agrega agua a la malla para limpiarla lo más posible
6. Se repiten los pasos 2 al 5 las veces que sea necesarias, hasta que nos cercioremos de que ya no pasa más material a través de la malla No. 200, esto puede comprobarse en el momento de agregar agua a la malla con el material retenido, pues observaremos que esta sale completamente limpia y que las impurezas del suelo son visibles en la malla.
Figura 2.6 El agua pasa limpia la malla No 200.
Figura 2.7 Las impurezas son visibles en la malla.
7. Una vez terminado el proceso anterior, se deja reposar la mezcla por 30 segundos. Una vez pasado el tiempo mencionado, se coloca el material retenido en el horno por 24 horas, para posteriormente ser pasado por las mallas 20, 40, 60, 100 y 200 en la siguiente prueba.
Cribado 1. Pasar el material por cada una de las mallas, una a una, comenzando por la malla número 10 y terminando con la 200.
Figura 2.8 Se hace pasar el material por una de las mallas
Figura 2.9 Se observa que se retiene material en cada malla
2. Pesar el material retenido en cada malla y se aparta cada uno en una capsula metálica.
Figura 2.10 Se coloca el material en la báscula
Figura 2.11 Se realiza el pesaje en la báscula
Figura 2.12 Material retenido por cada una de las mallas utilizadas
3. Con los datos obtenidos se realiza la gráfica granulométrica.
MMP. MÉTODOS DE MUESTREO Y PRUEBA DE MATERIALES PARTE: 1. SUELOS Y MATERIALES PARA TERRACERÍAS TÍTULO: 07. Límites de Consistencia CONTENIDO Este Manual describe los procedimientos de prueba para determinar los límites de consistencia de los materiales para terracerías a que se refieren las Normas N·CMT·1·01, Materiales para Terraplén, N·CMT·1·02, Materiales para Subyacente y N·CMT·1·03, Materiales para Subrasante. OBJETIVOS DE LAS PRUEBAS Estas pruebas permiten conocer las características de plasticidad de la porción de los materiales para terracerías que pasan la malla N°40 (0,425 mm), cuyos resultados se utilizan principalmente para la identificación y clasificación de los suelos. Las pruebas consisten en determinar el límite líquido, es decir, el contenido de agua para el cual un suelo plástico adquiere una resistencia al corte de 2,45 kPa (25 g/cm 2); éste se considera como la frontera entre los estados semilíquido y plástico. El límite plástico o el contenido de agua para el cual un rollito se rompe en tres partes al alcanzar un diámetro de 3 mm; éste se considera como la frontera entre los estados plástico y semisólido. El índice plástico se calcula como la diferencia entre los límites líquido y plástico. EQUIPO Y MATERIALES Malla no. 40 Copa Casagrande Balanza Horno Desecador Vaso o recipiente Capsulas de porcelana Espátula flexible Cuentagotas Vidrios de reloj Paño Placa de vidrio Alambre de acero CALIBRACIÓN DEL EQUIPO Antes de cada prueba se verificará que la altura de caída de la copa de Casagrande sea de 1 cm, utilizando para ello el mango calibrado del ranurador, que tiene precisamente esa dimensión. Si la altura de caída es diferente, el aparato debe corregirse mediante los tornillos de ajuste. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA La preparación de la muestra de materiales para terracerías, obtenida según se establece en el Manual M·MMP·1·01, Muestreo de Materiales para Terracerías, se hace de la siguiente manera:
De la muestra del material se aparta, de acuerdo con el procedimiento indicado en el Manual M·MMP·1·03, Secado, Disgregado y Cuarteo de Muestras, una porción de tamaño tal que, una vez cribada en forma manual por la malla N°40 (0,425 mm), se obtengan aproximadamente 300.g del material que pase esa malla; éste se coloca en una charola. Se separan aproximadamente 250 g, de acuerdo con lo indicado en el Manual M·MMP·1·03, Secado, Disgregado y Cuarteo de Muestras; se obtiene y se registra la masa del material separado, con aproximación de 0,01 g. Se coloca el material separado en un recipiente apropiado, se le agrega el agua necesaria para saturar el material y se deja en reposo durante aproximadamente 24 h, en un lugar fresco,
cubriendo el recipiente con un paño que se mantendrá húmedo a fin de reducir al mínimo la pérdida de agua por evaporación. DETERMINACIÓN DEL LIMITE LÍQUIDO POR EL PROCEDIMIENTO ESTÁNDAR EQUIPO Y MATERIALES El equipo necesario para efectuar esta prueba es: copa de Casagrande, balanza, horno, desecador, vaso o recipiente, cápsulas de porcelana, espátula, cuentagotas, vidrios de reloj y paño, mismos que se describen en la Cláusula D. de este Manual. PROCEDIMIENTO DE PRUEBA De la fracción del material preparada de acuerdo con lo indicado en la Cláusula F. de este Manual, se toma una porción de aproximadamente 150 g que se coloca en la cápsula de porcelana donde se homogeneiza utilizando la espátula. En la copa de Casagrande, previamente calibrada como se indica en la Cláusula E. de este Manual, se coloca una cantidad suficiente de material para que, una vez extendido con la espátula, se alcance un espesor de 8 a 10 mm en la parte central de la copa, considerando lo siguiente: Para evitar que el material colocado sobre la copa sea insuficiente, es conveniente poner una cantidad ligeramente mayor y eliminar el sobrante al enrasarlo con la espátula. Para extender el material se procede del centro hacia los lados sin aplicar una presión excesiva y con el mínimo de pasadas de la espátula, como se muestra en la Figura 2 de este Manual. Mediante una pasada firme del ranurador se hace una abertura en la parte central del material contenido en la copa, para lo cual, el ranurador se mantendrá siempre normal a la superficie interior de la copa, como se indica en la Figura 3 de este Manual. La ubicación, forma y dimensiones que tendrá la ranura en su parte central se ilustran en la Figura 4 de este Manual. Inmediatamente después de colocado y ranurado el material, se acciona la manivela del aparato para hacer caer la copa a razón de dos golpes por segundo, y se registra el número de golpes necesarios para lograr que los bordes inferiores de la ranura se pongan en contacto en una longitud de 13.mm. Logrado lo anterior se toman con la espátula aproximadamente 10 g de material de la porción cerrada de la ranura y, para determinar su contenido de agua ωn, de acuerdo con el procedimiento indicado en el Manual M·MMP·1·04, Contenido de Agua, se colocan en un vidrio de reloj del que previamente se ha determinado su masa. Una vez que se ha tomado la porción requerida para la determinación del contenido de agua, el material restante se reintegra a la cápsula de mezclado, para lavar y secar la copa y el ranurador. Inmediatamente, mediante el cuentagotas, se agrega agua al material en la cápsula y se homogeneiza con la espátula; dicho material se prueba según se indicó del Inciso G.2.2. al Inciso G.2.7. Este procedimiento se repite hasta completar cuatro determinaciones, que se registran en el formato que se muestra en la Figura 5 de este Manual. La cantidad de agua que se adicione al material será tal que las cuatro determinaciones queden comprendidas entre 10 y 35 golpes en la copa de Casagrande, siendo necesario obtener dos valores por arriba y dos por abajo de los 25 golpes, ya que para consistencias menores de 10 golpes es difícil identificar el momento de cierre de la ranura en la longitud especificada y para más de 35 golpes se dificulta la ejecución de la prueba. Se grafican los puntos correspondientes a cada determinación, representando en el eje de las abscisas en escala logarítmica, el número de golpes n y en el de las ordenadas en escala aritmética, los respectivos contenidos de agua ωn, tal como se muestra en la Figura.5. Se traza una línea recta que una aproximadamente los puntos graficados; a esta recta se le llama curva de fluidez. CÁLCULOS Y RESULTADOS
De la gráfica de la Figura 5 de este Manual, se obtiene el valor del límite líquido ( ωL), determinando en la curva de fluidez el contenido de agua correspondiente a 25 golpes.
DETERMINACIÓN DEL LÍMITE PLÁSTICO EQUIPO Y MATERIALES El equipo necesario para efectuar esta prueba es la balanza, horno, desecador, cápsulas de porcelana, espátula, vidrios de reloj, placa de vidrio y alambre de acero, mismos que se describen en la Cláusula D. de este Manual. PROCEDIMIENTO DE PRUEBA De la fracción del material preparada de acuerdo con lo indicado en la Cláusula F. de este Manual, se toma una porción de tamaño tal que se pueda formar una pequeña esfera de aproximadamente 12.mm de diámetro, la que se moldea con los dedos para que pierda agua y se manipula sobre la palma de la mano para formar un cilindro. A continuación el cilindro se hace girar con los dedos de las manos sobre la placa de vidrio para reducir su diámetro hasta que sea aproximadamente de 3 mm en toda su longitud, como se muestra en la Figura 6 de este Manual. La velocidad de girado será de 60 a 80 ciclos por minuto, entendiéndose por "ciclo" un movimiento de la mano hacia adelante y hacia atrás, hasta volver a la posición de partida. Si al alcanzar un diámetro de 3 mm el cilindro no se rompe en tres secciones simultáneamente, significa que su contenido de agua es superior al del límite plástico (ωP). En tal caso se junta nuevamente todo el material para formar la pequeña esfera, manipulándola con los dedos para facilitar su pérdida de agua y lograr una distribución uniforme de la misma, repitiendo el procedimiento descrito en los Incisos H.2.1. y H.2.2. de este Manual, hasta que el cilindro se rompa en tres segmentos precisamente en el momento de alcanzar dicho diámetro, el cual se verifica comparándolo contra el alambre de referencia. Inmediatamente se colocan sobre un vidrio de reloj los fragmentos del cilindro y se determina el contenido de agua de ese material, ωi, de acuerdo con el procedimiento indicado en el Manual M·MMP·1·04, Contenido de Agua. Para mayor seguridad en los resultados, la prueba se efectuará por triplicado, obteniendo para cada una de las determinaciones, el contenido de agua, ωi. CÁLCULOS Y RESULTADOS Se reporta como resultado de esta prueba, el límite plástico (ωP), obtenido mediante la siguiente expresión:
Donde: ωP = Límite plástico de la muestra, (%), con aproximación a la unidad ωi = Contenido de agua para cada una de las tres determinaciones, (%) En la Figura 5 de este Manual, se ilustra un ejemplo de cálculo del límite plástico. Si no es posible formar cilindros del diámetro especificado con ningún contenido de agua, se considera que el material no es plástico; se reporta como NP (no plástico).
Práctica 3. Límites de consistencia Materiales
Copa de casa grande Ranurador Espátula Barra de contracción lineal 4 capsulas metálicas 4 capsulas de porcelana Balanza Muestra de arcilla cribada por la malla 40, previamente saturada por 24 horas en un vaso de aluminio Horno de secado
Figura 3.1 Herramientas a utilizar
Procedimiento 1. De la muestra en el vaso de aluminio, quitar el material seco en la superficie hasta llegar al material húmedo.
Figura 3.2 Se quita el excedente de material del vaso
2. Una vez que se ha llegado al material húmedo, con ayuda de la espátula separar el material en capas, basándose en la humedad de cada una. Estas capas deben de ser 4, y se colocan por separado en capsulas de porcelana distintas. Las capas más superficiales serán las más secas, y las más profundas, las más húmedas.
Figura 3.3 Separación del material por capas
3. Se toma el material suficiente de cualquiera de las capsulas de porcelana y con la espátula se esparce en la copa de casa grande. Se traza sobre la arcilla una línea vertical de atrás hacia adelante con la ayuda del ranurador.
Figura 3.4 Se coloca el material en la copa casa grande
Figura 3.5 Se traza una línea en el material con ayuda del ranurador
Figura 3.6 Vista del material ranurado
4. Una vez llena la copa, se procede a girar la manivela del dispositivo, a una razón de dos golpes por segundo. Detener los golpes cuando la línea que divide el material haya alcanzado una longitud de 1 cm de unión entre la capa izquierda y la capa derecha.
Figura 3.7 Se hace girar la manivela del dispositivo
Figura 3.8 Las dos porciones de material se han acercado lo suficiente después de que la copa diera los golpes necesarios
5. Se procede a tomar el dato del número de golpes que se necesitó para que dicha unión se efectuara, ya teniendo este dato se tomara una porción de la muestra con la misma espátula agarrándola del centro de la copa de casa grande. 6. La muestra que se obtuvo en el paso 5 se colocara en una capsula metálica, la cual ha sido previamente pesada estando vacía. Se pesa el material en la cápsula, 7. Se repiten los pasos 3 a 6 para las demás muestras de arcilla.
Figura 3.9 Muestra de la arcilla tomada del centro de la copa
Figura 3.10 Pesaje de una de las muestras de arcilla en la capsula de metal
8. En la barra de contracción lineal colocar con la espátula material que haya cerrado entre los 15 y 25 golpes hasta llenarla a ras. Debemos de tomar o conocer las medidas de la barra.
Figura 3.11 Llenado de la barra de contracción con la arcilla
9. Sobre un vidrio de superficie plana, se realiza la prueba de plasticidad, haciendo rollos de arcilla de 3 mm de diámetro aproximadamente, alargándolos hasta que estos se rompan sin necesidad de ser forzados.
Figura 3.12 Prueba de plasticidad
Figura 3.13 Prueba de plasticidad
10. Se meten al horno las capsulas y la barra de contracción lineal durante 24 horas. Una vez pasado el tiempo previamente mencionado, se sacan las muestras del horno. Las cápsulas con arcilla se pesan en la balanza, mientras que el material en la barra de contracción lineal se mide con ayuda de un flexómetro.
Figura 3.14 Se sacan las muestras del horno
Figura 3.15 Muestras secadas al horno
Conclusión Después de haber realizado las pruebas de laboratorio anteriores, pudimos cerciorarnos de que en efecto, el suelo se comporta de distinta manera dependiendo de las condiciones a las que esté sometido. Incluso si se trata del mismo material, sus reacciones ante distintas condiciones variarán de manera considerable, por lo que hay que tenerlas muy en cuenta al momento de trabajar con él en el campo laboral, para evitar futuras complicaciones. El estudio de los suelos en el laboratorio de materiales es un gran aliado de la industria de la construcción y de la ingeniería civil, pues el tener conocimientos en comportamiento de suelos nos permite saber a qué nos estamos enfrentando cada vez que trabajamos con un suelo, ya sea en una obra o en una situación distinta que requiera de su estudio. El saber realizar las pruebas de laboratorio más básicas (como las que se describieron en este trabajo) es el primer escalón para poder comprender otras más complejas que nos permiten conocer aún más y a mayor profundidad cómo reaccionan los materiales existentes en los suelos de nuestras regiones y del mundo. Realizar las pruebas de suelo de manera correcta, nos permite controlar de manera adecuada la calidad de las construcciones a nuestro alrededor, posibilitando que se diseñen de la mejor manera posible al proporcionar al constructor los datos que necesite conocer del suelo.
Bibliografía
Fundamentos de ingeniería geotécnica. Braja M. Das. Thompson Learning.
MMP. MÉTODOS DE MUESTREO Y PRUEBA DE MATERIALES. PARTE: 1. SUELOS Y MATERIALES PARA TERRACERÍAS. TÍTULO: 04. Contenido de Agua
MMP. MÉTODOS DE MUESTREO Y PRUEBA DE MATERIALES. PARTE: 1. SUELOS Y MATERIALES PARA TERRACERÍAS. TÍTULO: 06. Granulometría de Materiales Compactables para Terracerías
MMP. MÉTODOS DE MUESTREO Y PRUEBA DE MATERIALES PARTE: 1. SUELOS Y MATERIALES PARA TERRACERÍAS TÍTULO: 07. Límites de Consistencia
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