DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN

MECÁNICA DE SUELOS I

DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD NORMA UTILIZADA EN EL ENSAYO

NTP 339.127:1998 SUELOS. Método de ensayo para determinar el contenido de humedad de un suelo. ASTM 02216-71 (Normas ASTM parte 19)

OBJETIVOS Determinar el contenido de la humedad total para asegurar la calidad y uniformidad del suelo. Conocer el uso del calor, como el medio más apropiado para hacer la extracción de la humedad en agregados. Conocer sobre la relación que existe entre la humedad total, la humedad superficial y la absorción.

Laboratorio de Mecánica de Suelos I 1



MARCO TEÓRICO GENERALIDADES Los suelos pueden tener algún grado de humedad lo cual está directamente relacionado con la porosidad de las partículas. La porosidad depende a su vez del tamaño de los poros, su permeabilidad y la cantidad o volumen total de poros. Las partículas de suelo pueden pasar por cuatro estados, los cuales se describen a continuación:

Totalmente seco. Se logra mediante un secado al horno a 110°C hasta que los suelos tengan un peso constante (generalmente 24 horas). Parcialmente seco. Se logra mediante exposición al aire libre. Saturado y Superficialmente seco (SSS). En un estado límite en el que los suelos tienen todos sus poros llenos de agua pero superficialmente se encuentran secos. Este estado solo se logra en el laboratorio. Totalmente Húmedo. Todos los suelos están llenos de agua y además existe agua libre superficial.

El contenido de humedad en los suelos utilización de la siguiente fórmula:

se

puede

calcular

mediante

la

P = [(W – D)/D] * 100 Donde, P: es el contenido de humedad [%] W: es la masa inicial de la muestra [g] D: es la masa de la muestra seca [g] También existe la Humedad Libre superficial de agua que rodea el diferencia entre la humedad total y total es aquella que se define como

donde esta se refiere a la película suelo; la humedad libre es igual a la la absorción del suelo, donde la humedad la cantidad total que posee un suelo.




EL AGUA DEL SUELO Se ha calculado que del total de agua dulce que hay en la Tierra la mayor parte (casi el 80%) se encuentra en forma de hielo, tanto en los polos como en los glaciares. De la que se encuentra en forma líquida, la inmensa mayoría (un 20 % del total) se encuentra como agua subterránea en los acuíferos profundos, lejos del alcance de las raíces de las plantas. Por lo que sólo queda un 1 % de agua dulce que se considera superficial (en lagos, ríos, atmósfera,…). De esta cantidad, la mitad se encuentra en los lagos, mientras que de un 20 a un 40 %, según diversos cálculos, se encontraría en los suelos (en los primeros metros y al alcance de las plantas). Del resto del agua superficial un 10% aproximadamente se encontraría en la atmósfera y sólo un 1 % corriendo por los ríos. FORMAS DE AGUA EN EL SUELO Agua de Combinación Química: Forma parte de compuestos químicos, ej.: limonita. Esta agua no es disponible para las plantas, y es biológicamente inactiva. Agua Higroscópica: Agua contenida en los suelos secos al aire, aquella que está en equilibrio con la humedad ambiente. Inactiva biológicamente. Agua Capilar: Agua contenida en los microporos del suelo. Disponible para las plantas. Biológicamente activa. Agua Gravitacional (no capilar): Agua contenida en los microporos del suelo y que drena por la fuerza de gravedad (agua de drenaje). Si su movimiento es lento, puede ser utilizada por las plantas.




DEFINICIÓN La humedad o contenido de humedad de un suelo es la relación, expresada como porcentaje, del peso de agua en una masa dada de suelo, al peso de las partículas sólidas. La determinación de contenido de humedad es un ensayo rutinario de laboratorio para determinar la cantidad de agua presente en una cantidad dada de suelo en términos de su peso en seco. Como una definición, %

(1-1 )

, donde es el peso de agua presente en la masa de suelos y es el peso de los sólidos en el suelo. Podría definirse el contenido de humedad como la relación del peso de agua presente y el total de peso de la muestra (i. e., peso de agua más suelo); sin en embargo, esto daría una cantidad en el denominador de la fracción que podría depender de la cantidad de agua presente: (1-2) y esto no es deseable pues el contenido de humedad estaría de esa forma relacionado a una cantidad variable y no a una cantidad constante. Esto puede verse fácilmente pues aparece en ambos, numerador y denominador de la fracción: eco (1-2). El contenido de humedad se expresa algunas veces en función del volumen como

, el cual, luego de una manipulación adecuada, puede reescribirse como (1-4) Donde =

volumen de agua presente en la masa del suelo

=

volumen de los vacíos del suelo

=

volumen de los sólidos del suelo

= contenido de humedad, de la eco (1 -1)




= densidad seca del suelo (volumétrica) Esta definición de contenido de humedad es muy raramente usada en los Estados Unidos. MUESTRA DE ENSAYO Para los contenidos de humedad que se determinen en conjunción con algún otro método ASTM, se empleará la cantidad mínima de espécimen especificada en dicho método si alguna fuera proporcionada. La cantidad mínima de espécimen de material húmedo seleccionado como representativo de la muestra total, si no se toma la muestra total, será de acuerdo a lo siguiente:

IMPORTANTE: Se usará no menos de 20 g para que sea representativa. • Si se usa toda la muestra, ésta no tiene que cumplir los requisitos mínimos dados en la tabla anterior. En el reporte se indicará que se usó la muestra completa. • El uso de un espécimen de ensayo menor que el mínimo indicado en 6.2 requiere discreción, aunque pudiera ser adecuado para los propósitos del ensayo. En el reporte de resultados deberá anotarse algún espécimen usado que no haya cumplido con estos requisitos.




• Cuando se trabaje con una muestra pequeña (menos de 200 g) que contenga partículas de grava relativamente grandes, no es apropiado incluirlas en la muestra de ensayo. Sin embargo en el reporte de resultados se mencionará y anotará el material descartado. • Para aquellas muestras que consistan íntegramente de roca intacta, el espécimen mínimo tendrá un peso de 500 g. Porciones de muestra representativas pueden partirse en partículas más pequeñas, dependiendo del tamaño de la muestra, del contenedor y la balanza utilizada y para facilitar el secado a peso constante. Procedimiento 1. Pesar una cápsula o recipiente de aluminio o latón, incluyendo su tapa. Identificar y revisar adecuadamente el recipiente. Las cápsulas de humedad normalmente pueden ser de diferentes tamaños, siendo las más populares las de 5 cm de diámetro por 3 cm de altura y las de 6.4 cm de diámetro por 4.4 cm de altura. 2. Colocar una muestra representativa de suelo húmedo en la cápsula y determinar el peso del recipiente más el del suelo húmedo. Si el peso se determina inmediatamente, no es necesario colocar la tapa. Si se presenta una demora de 3 a 5 minutos o más, coloque la tapa del recipiente para mantener la humedad y coloque la cápsula bajo una toalla de papel húmeda que le permita mantener la humedad en la vecindad del recipiente. 3. Después de pesar la muestra húmeda más el recipiente, remueva la tapa es práctica común colocar la tapa debajo del recipiente- y coloque la muestra en el horno. 4. Cuando la muestra se haya secado hasta mostrar un peso constante, determine el peso del recipiente más el del suelo seco. Asegúrese de usar la misma balanza para todas las mediciones de peso. 5. Calcule el contenido de humedad w. La diferencia entre el peso de suelo húmedo más el de suelo seco más el del recipiente es el peso presente en la muestra. La diferencia entre el peso recipiente y el peso del recipiente solo es el peso

x 100 por ciento

del recipiente y el peso del agua que estaba de suelo seco más el del del suelo y

(1-1)




El suelo debe secarse en el horno a una temperatura de 110 ± 5°C hasta obtener un peso constante; i. e., mientras haya agua presente para evaporar, el peso continuará disminuyendo en cada determinación que hagamos en la balanza. En general, no es muy práctico hacer varias medidas del peso para determinar si se ha obtenido un estado de peso constante en la muestra; lo que se hace comúnmente es suponer que después de un período de horneado de 12 a 18 horas (a menudo durante la noche), la muestra se encuentra en estado de peso constante y dicho peso se registra como el del suelo seco más el del recipiente. La experiencia indica que este método de secado de muestras es bastante adecuado para trabajo rutinario de laboratorio sobre muestras pequeñas. Es práctica común retirar del horno las muestras para contenido de humedad y pesarlas inmediatamente (se debe utilizar un par de pinzas o guantes de asbesto pues se encuentran demasiado calientes). Si por alguna razón no es factible pesar las muestras secas inmediatamente, es necesario poner la tapa del recipiente tan pronto se haya enfriado lo suficiente para manipularla y/o colocar el recipiente de suelo seco en un desecador eléctrico de manera que el suelo no absorba agua de la atmósfera del laboratorio. Para lograr una determinación confiable del contenido de humedad de un suelo se recomienda utilizar la siguiente cantidad mínima de-muestra húmeda (muestra representativa):

La temperatura de 110°C en el horno es demasiado alta para ciertos suelos orgánicos (turbas), para suelos con alto contenido calcáreo o de otro mineral, ciertas arcillas, y algunos suelos tropicales. Estos suelos contienen agua de hidratación levemente adherida, o agua molecular, que podría perderse a estos niveles de temperatura) dando como resultado un cambio en las características del suelo -notable en los límites de Atterberg lo mismo que en la gradación y en la gravedad específica. La ASTM sugiere secar estos suelos a una temperatura de 60° C.




EQUIPO A UTILIZARSE

Horno de secado.- Horno de secado termostáticamente controlado, capaz de mantener una temperatura de 110 ± 5°C. Balanzas.De capacidad conveniente y con las siguientes aproximaciones: de 0.1 g para muestras de menos de 200 g de 0. 1 g para muestras de más de 200 g Recipientes.Recipientes apropiados fabricados de material resistente a la corrosión, y al cambio de peso cuando es sometido a enfriamiento o calentamiento continuo, exposición a materiales de pH variable, y a limpieza. Utensilios para manipulación de recipientes.- Se requiere el uso de guantes, tenazas o un sujetador apropiado para mover y manipular los recipientes calientes después de que se hayan secado. Otros utensilios.- Se requiere el empleo de cuchillos, espátulas, cucharas, lona para cuarteo, divisores de muestras, etc.




MÉTODOS UTILIZADOS El método tradicional de determinación de la humedad del suelo en laboratorio, es por medio del secado a horno, donde la humedad de un suelo es la relación expresada en porcentaje entre el peso del agua existente en una determinada masa de suelo y el peso de las partículas sólidas, o sea:

w

=

(Ww / Ws) * 100

(%)

donde:

w Ww Ws

= contenido de humedad expresado en % = peso del agua existente en la masa de suelo = peso de las partículas sólidas

Otros métodos para determinar el contenido de humedad

Método del alcohol metílico. Consiste en saturar con alcohol metílico una muestra de suelo previamente pesada y encenderle fuego, obteniendo el secado de la muestra por combustión. Se repite el ensayo hasta obtener pesos constantes y luego se determina el contenido de humedad. La limitante es que este método no entrega buenos resultados en suelos orgánicos. - Método del Speedy. Consiste en mezclar una muestra de suelo previamente pesada con carburo de calcio molido en el interior de una cámara de acero hermética, la cual posee en su base un manómetro que registra la presión originada por el gas acetileno, entregando indirectamente la humedad del suelo referida al peso húmedo de la muestra. La limitante es que este método entrega resultados falsos en suelos plásticos y además la muestra empleada es de tamaño muy reducida. - Método del picnómetro de aire diferencial. Consiste en introducir en un cilindro calibrado una muestra de suelo previamente pesada y colocarlo en una prensa del aparato para ejercer sobre él una presión por medio de una bomba de mercurio, produciendo una expansión de aire por los vacíos del suelo. De esta forma se obtiene el volumen de




aire de la muestra mediante una tabla de aforo. Con los datos obtenidos se calcula la humedad del suelo mediante una fórmula que está en función de la gravedad específica del suelo y del agua, el volumen de aire y el peso total de la muestra de suelo.

- Método nuclear. Se realiza en instrumentos que se basan en las leyes físicas de dispersión de los neutrones en el suelo. De esta forma indican el valor de la humedad del suelo en base a la velocidad de dispersión. Una fuente emite neutrones de alta energía, la que se va perdiendo a medida que estos chocan con los núcleos pesados del suelo o con los núcleos de átomos de hidrógeno, los que hacen perder mucha más energía a los neutrones que cuando chocan con átomos más pesados. Luego, un receptor registra los átomos lentos que dependen del número de átomos de hidrógeno interceptados, los que se correlacionan con el contenido de agua. - Método de la aguja Proctor. Consiste en determinar la fuerza necesaria de aplicar para introducir una aguja estandarizada en probetas Proctor compactadas en laboratorio con diferentes humedades, obteniendo una curva de calibrado de humedad v/s esfuerzo. Para obtener la humedad en terreno, se determina la resistencia a la penetración de una muestra de suelo antes de su apisonamiento en el mismo molde Proctor, leyendo el contenido de humedad en la curva de calibración.

Estado de saturación de un suelo.




MEMORIA DE CÁLCULO

ID G6 B8 F3 E4 F7 D3 H1 D8 D1 F6 D5 A5 E7 D6

Wlat 15.40 15.60 15.60 15.50 15.20 15.50 15.60 15.40 15.80 15.40 15.40 15.80 15.60 15.30

Wlat+sh 45.30 48.80 49.10 45.80 41.40 45.40 52.30 44.80 42.20 43.00 46.10 41.70 50.80 58.20

Wlat+ss 44.40 47.70 48.00 44.70 40.90 44.60 51.50 43.30 41.50 42.00 45.20 39.50 49.90 56.80

Ww 0.90 1.10 1.10 1.10 0.50 0.80 0.80 1.50 0.70 1.00 0.90 2.20 0.90 1.40

Ws 29.00 32.10 32.40 29.20 25.70 29.10 35.90 27.90 25.70 26.60 29.80 23.70 34.30 41.50

w(%) 3.10 3.43 3.40 3.77 1.95 2.75 2.23 5.38 2.72 3.76 3.02 9.28 2.62 3.37

Fórmula aplicada: x 100 por ciento

Resultado:

w(%) Promedio 3.63




APLICACIÓN La importancia del contenido de agua que representa un suelo representa junto con la cantidad de aire una de las características más importantes para explicar como el comportamiento de este (especialmente aquellos de textura más fina) como por ejemplo cambio de volumen, cohesión, estabilidad mecánica. El presente informe tiene como finalidad determinar el contenido de humedad de las muestras de los estratos obtenidos en campo, en general todo el proceso y los datos registrados en la práctica se encuentran plasmado en las tablas que se presentan líneas abajo, dichos datos son procesados aplicando las fórmulas correspondientes aprendidas en clase. Realizar estos tipos de ensayos nos permite conocer y verificar la calidad de suelo, conocer los diferentes estratos del suelo de cada zona, región, ciudad Para clasificación de suelos, el contenido de humedad de un suelo es un parámetro muy importante, con la cual lograremos construir un gráfico, muy conocido como la Carta de Casagrande.




CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES La calidad de un suelo viene condicionada por el valor de sus propiedades físico mecánicas, si estas están dentro de un rango de valores permitidos el suelo se comportará adecuadamente ante las solicitaciones de obra, caso contrario se rechazará su uso o se propondrá un mejoramiento. La muestra de suelo ensayada RELATIVAMENTE BAJO igual a 3.63 %

tiene

un

contenido

de

humedad

Los recipientes y sus tapas deben ser herméticos a fin de evitar pérdida de humedad de las muestras antes de la pesada inicial y para prevenir la absorción de humedad de la atmósfera después del secado y antes de la pesada final. Se usa un recipiente para cada determinación. El cambio de humedad en suelos sin cohesión puede requerir que se muestree la sección completa el material está estratificado (o se encuentra más de un tipo de material), se seleccionará un espécimen promedio, o especímenes individuales, o ambos. Los especímenes deben ser identificados apropiadamente en formatos, en cuanto a su ubicación, o lo que ellos representen. Para prevenir la mezcla de especímenes y la obtención de resultados incorrectos, todos los contenedores, y tapas si se usan, deberían ser enumerados y deberían registrarse los números de los contenedores en los formatos de laboratorio. Los números de las tapas deberían ser consistentes con los de los contenedores para evitar confusiones.

BIBLIOGRAFÍA -

Manual de laboratorio de suelos en ingeniería civil, Joseph E. Bowles Fundamentos de Mecánica de Suelos, Juárez Badillo – Rico Rodríguez Fundamentos de Ingeniería Geotécnica, Braja M. Das


DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD

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