Ensayo Del Hidrometro

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LABORATORIO DE SUELOS I

2011

Ensayo del Hidrómetro I.- OBJETIVO: Realizar una distribución granulométrica de la muestra de suelo que pase por el tamiz Nº 200, esto basándon basándonos os en e n la relació relaciónn de la veloci velocidad dad de un unaa esfera qu quee cae libremente bremente a través de un flui fluido do y su diámetro. 

Deter De termi minar nar la clasificació clasificac iónn de una mues muestra tra de suelo s uelo que pasa por el tamiz Nº 200.



Obtener el porcentaje de arcilla (porcentaje más fino que 0.002 mm) ya que la curva de distribución granulométrica cuando más del 12% del material pasa a través del tamiz No.200 no se utiliza como criterio dentro de ningún sistema de clasificación de suelos y no existe ningún tipo de conducta particular del material que dependa intrínsecamente de la forma de dicha curva. La conducta de la fracción de suelo cohesivo del suelo dado depende principalmente del tipo y porcentaje de arcilla de suelo presente, de su historia geológica y del contenido de humedad más más que de la distr distrib ibución ución misma misma de los los tamaños tama ños de partícula.

II.- FUNDAMENTO TEORICO: El análisis hidrométrico se basa en la Ley de Stokes, la cual relaciona la velocidad de una esfera, cayendo libremente a través de un fluido, con el diámetro de la esfera.

V= ((ρs – ρf )/1800n) *D 2 Donde: Velocidad dad de de la la esfera esfe ra (cm/s) v = Veloci ρs

= Densidad de la esfera (g/cm3)

ρf =

Densidad del fluido (g/cm3)

Viscos idad del flui fluido do (g.s/cm² (g.s /cm²)) n = Viscosidad Diámetro de la la esfera esfe ra (mm) (mm) D = Diámetro Se asume que la ley de Stokes puede ser aplicada a una masa de suelo dispersado, con partículas de varias formas y tamaños. El hidrómetro se usa para determinar el porcentaje de partículas de suelos dispersados, que permanecen en suspensión en un determinado tiempo. Para ensayos de rutina con fines de clasificación, el análisis con hidrómetro se aplica a partículas de suelos que pasan el tamiz de 2.00 mm (No.10). Cuando se quiere más precisión, el análisis con hidrómetro se debe realizar a la fracción frac ción de suelo sue lo que pase el tamiz de 75 µm µm (No.200). (No. 200).

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El hidrómetro se encuentra graduado para leer, de acuerdo con la escala que tenga grabada, el peso específico de la suspensión ó los gramos por litro de suspensión. En el primer caso, la escala tiene valores de peso específico que van de 0.995 a 1.038 y estará calibrado para leer 1.00 en agua destilada a 20 °C (68°F). Este Hidrómetro se identifica como 151 H. En el otro caso la escala tiene valores de gramos de suelo por litro (g/l) que van de -5 á+ 60. Se identifica como 152 H y está calibrado para el supuesto que el agua destilada tiene gravedad específica de 1.00 a 20 °C (68 °F) y que el suelo en suspensión tiene un peso específico de 2.65. Las dimensiones de estos hidrómetros son las mismas; sólo varían las escalas. El hidrómetro debe ser calibrado para determinar su profundidad efectiva en términos de lecturas de hidrómetro. Si se dispone de un hidrómetro tipo 151-H ó 152-H la profundidad efectiva puede ser obtenida de las tablas. Si el hidrómetro disponible es de otro tipo, procédase a su calibración de acuerdo a los pasos siguientes: Determínese el volumen del bulbo del hidrómetro. (VB). Este puede ser determinado utilizando uno de los métodos siguientes:

Midiendo el volumen de agua desplazada : Llénese con agua destilada o desmineralizada un cilindro graduado de 1000 ml de capacidad hasta aproximadamente 900 ml. Obsérvese y anótese la lectura del nivel del agua. El agua debe estar aproximadamente a 20 °C. (68 °F). Introdúzcase el hidrómetro y anótese la nueva lectura. La diferencia entre estas dos lecturas es igual al volumen del bulbo más la parte del vástago que está sumergida. El error debido a la inclusión del volumen del vástago es tan pequeño que puede ser despreciado para efectos prácticos.

Determinación del volumen a partir del peso del hidrómetro : Pésese el hidrómetro con una aproximación de 0.01 g. Debido a que el peso específico del hidrómetro es aproximadamente igual a la unidad, el peso del hidrómetro en gramos, es equivalente a su volumen en centímetros cúbicos. Este volumen incluye el volumen del bulbo y del vástago. El error debido a la inclusión del volumen del vástago es despreciable. Determínese el área "A" del cilindro graduado midiendo la distancia que existe entre dos marcas de graduación. El área "A" es igual al volumen incluido entre las dos graduaciones dividido entre la distancia medida. Mídase y anótese la distancia desde la marca de calibración inferior en el vástago del hidrómetro hasta cada una de las marcas de calibración principales (R). Mídase y anótese la distancia desde el cuello del bulbo hasta la marca de calibración inferior. La distancia "H" correspondiente a cada lectura "R", es igual a la suma de las dos distancias medidas en los pasos anteriores. Mídase la distancia desde el cuello hasta la punta inferior del bulbo. La distancia h/2 localiza el centro del volumen de un bulbo simétrico. Si el bulbo utilizado no es simétrico, el centro del volumen se puede determinar con suficiente aproximación proyectando la forma del bulbo sobre una hoja de papel y localizando el centro de gravedad del área proyectada.

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Determínense las profundidades efectivas "L", correspondientes a cada una de las marcas de calibración principales "R" empleando la fórmula:

L = HR + ½*(h - VB /A) Donde:

L = Profundidades efectivas HR = Distancias correspondientes a las lecturas R. h = Distancia desde el cuello hasta la punta inferior del bulbo. VB = Volumen del bulbo A = Área del cilindro graduado. Constrúyase una curva que exprese la relación entre "R" y "L". Esta relación es esencialmente una línea recta para los hidrómetros simétricos.

Corrección de las lecturas del hidrómetro: Antes de proceder con los cálculos, las lecturas de hidrómetro deberán ser corregidas por menisco, por temperatura, por defloculante y punto cero.

Corrección por menisco (Cm): Los hidrómetros se calibran para leer correctamente a la altura de la superficie del líquido. La suspensión de suelo no es transparente y no es posible leer directamente a la superficie del líquido; por lo tanto, la lectura del hidrómetro se debe realizar en la parte superior del menisco. La corrección por menisco es constante para un hidrómetro dado, y se determina introduciendo el hidrómetro en agua destilada o desmineralizada y observando la altura a la cual el menisco se levanta por encima de la superficie del agua. Valores corrientes de Cm son: Hidrómetro tipo 151 H: Cm = 0,6 x 10-3 g/cm3 Hidrómetro tipo 152 H: Cm = 1,0 g/litro.

Corrección por temperatura (Ct): A cada una de las lecturas de hidrómetro se debe aplicar también un factor de corrección por temperatura, el cual debe sumarse algebraicamente a cada lectura. Este factor puede ser positivo o negativo, dependiendo de la temperatura de la suspensión en el momento de realizar cada lectura. Obténgase el valor del factor de corrección por temperatura para cada lectura de hidrómetro empleando la tabla No.2 y anótense estos valores en su planilla.

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Corrección por agente de dispersión y por des plazamiento del punto cero (Cd): Los granos de suelos muy finos en suspensión tienden normalmente a flocular y se adhieren de tal forma que tienden a precipitarse juntos. Por lo tanto, es necesario añadir a las muestras un agente de disgregación para evitar la floculación durante el ensayo. Los agentes defloculantes siguientes han sido utilizados satisfactoriamente para la mayoría de los suelos:

Agente Defloculante Fórmula Hexametafosfato de sodio amortiguado con Carbonato de NaPO3 o (NaPO3)6 sodio (Calgón) Polifosfato de sodio Tripolifosfato de sodio Tetrafosfato de sodio

Na12P10O31 Na5P3O10 Na6P4O13

La adición de un agente defloculante produce aumento en la densidad del líquido y obliga a realizar una corrección a la lectura del hidrómetro observado. Así mismo, como la escala de cada hidrómetro ha sido graduada para registrar una lectura cero o lectura inicial a una temperatura base, que generalmente es 20 °C (68 °F), existirá un desplazamiento del punto cero, y las lecturas de hidrómetro observadas también deberán corregirse por este factor. La corrección por defloculante se determina generalmente en conjunto con la corrección por punto cero; por ello se les denomina "corrección por defloculante y punto cero". El procedimiento para determinar la corrección por defloculante y punto cero consistirá en los pasos siguientes: Se selecciona un cilindro graduado de 1000 ml de capacidad y se llena con agua destilada o desmineralizada con una cantidad de defloculante igual a la que se empleará en el ensayo. Si en el ensayo no se va a utilizar defloculante, llénese el cilindro sólo con agua destilada o desmineralizada. En este caso la corrección será solamente por punto cero. Realícese, en la parte superior del menisco, la lectura del hidrómetro e introdúzcase a continuación un termómetro para medir la temperatura de la solución. Calcúlese la corrección por defloculante y punto cero (Cd) mediante la fórmula:

-Cd = ' + Cm ± Ct Donde:

' =

Lectura del hidrómetro, en agua con defloculante únicamente

Cm = Corrección por menisco Ct = Corrección por temperatura, sumada algebraicamente. Ing. Civil

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Manejo de hidrómetros: El hidrómetro debe estar limpio antes de ser sumergido. Para limpiar el hidrómetro puede utilizar un papel que no suelte pelusas y etanol o acetona. Si el instrumento, en particular el vástago, está sucio no solamente variará su masa sino también el menisco no se formará correctamente. • Si quiere asegurar una lectura exacta, deje que tanto el instrumento como líquido cuya densidad va

a medir alcancen el equilibrio térmico con el ambiente, o espere a que la diferencia de temperatura entre el hidrómetro y el líquido sea la menor posible. • Tome el hidrómetro por el extremo superior del vástago con las manos limpias de tal forma que

quede vertical. No lo tome del bulbo y menos de de la sección del vástago en que está la escala. • Introduzca verticalmente el hidrómetro en el líquido y suéltelo cuando la línea a la altura de la

que supuestamente debe flotar quede a unos pocos milímetros de la superficie del líquido; luego déjelo oscilar hasta el reposo. Existe la costumbre de hacer girar rápidamente el hidrómetro en el líquido; no lo haga, el hidrómetro no es un trompo, no permitirá que el menisco se forme bien.

• Finalmente, una vez que el hidrómetro se quede quieto, presiónelo suavemente hasta que baje

unos pocos milímetros y suéltelo; con esto oscilará nuevamente y cuando vuelva a estar estático tome la lectura, ya sea a la altura de la superficie horizontal del líquido o en el borde superior del menisco.

Lectura del Hidrómetro: Existen dos formas de leer la escala de los hidrómetros:

a) a la altura de la superficie horizontal del líquido o b) en el borde superior del menisco:

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1) Si el instrumento se lee de la primera manera, es posible determinar la posición del plano que pasa por la superficie horizontal mediante el uso de una pantalla inclinada 45 grados, cuya mitad superior sea negra y la inferior blanca. La pantalla se coloca detrás del recipiente que contiene al líquido en que se sumerge el hidrómetro, de tal forma que la mitad quede unos centímetros por debajo del plano de la superficie del líquido, como se puede ver en la fotografía.

Al quedar el plano de la mirada por debajo de la superficie del líquido podremos observar como se va formando una línea cada vez más estrecha y bien definida a medida que vamos subiendo la cabeza paralelamente a la dirección del vástago. La línea que se forma es la que nos indica en que lugar de la escala debemos tomar lectura.

2) La lectura en el borde superior del menisco normalmente se realiza cuando los líquidos son opacos. Si la escala del instrumento ha sido calibrada para ser leída a la altura de la superficie del líquido eventualmente será necesario aplicar una corrección para alcanzar el nivel de exactitud deseado. Es común que las calibraciones se realicen leyendo la escala de la primera manera, pues las lecturas son más exactas. Dadas las diferencias que se producen entre ambas formas de realizar las lecturas, es importante que esa información se consigne en los certificados.

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III .- MATERIALES UTILIZADOS: 

Hidrómetro tipo 152 H



Termómetro de 0º a 100ºC



Probeta graduada de vidrio de 100ml.



Silicato de sodio (defloculante)



Tamiz No. 200.

IV.- MUESTRA: Se requiere el peso en su estado seco pudiendo haber variantes de acuerdo a las características del suelo ensayado, así por ejemplo: 

Suelos para clasificación (arenosos, pasa tamiz No. 10)

75 a 100 gramos



Limos y arcillas (pasan el tamiz No. 200)

50 a 60 gramos

Hay dos opciones para obtener el peso de la muestra, que se seque antes del ensayo o después del ensayo. Si la muestra se seca antes del ensayo, entonces se anota el valor de peso de suelo seco en la planilla. Si la muestra se seca después del ensayo, hay que transportar toda la suspensión a un recipiente para luego introducirlo al horno. Luego hay que restar el peso del defloculante, este punto se explicará con más detalle en el procedimiento.

V.- PROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICA: 1.- Preparar 125 ml. de solución (agua con defloculante), el porcentaje del defloculante es aproximado en un 4% en peso de lo que pesa 1000 ml. de agua.

Silicato de Sodio

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2.- La muestra se coloca en un recipiente y mezclarlo con los 125 ml. de solución al 4% de defloculante.

3.- Dejar a la muestra sedimentar durante 24 horas, luego transferir a un vaso donde se pueda batir el material, en este vaso se puede aumentar agua hasta 2/3 del volumen total del vaso, comenzar el batido durante un periodo de 1 minuto (cuando el tiempo de sedimentación es una hora hay que batir durante 5 minutos). 4.- Vaciar el contenido del vaso de mezclado, a una probeta graduada (que se llamará probeta de sedimentación), y aumentar agua común hasta llegar a los 1000 ml.

5.- Se preparara una probeta patrón de control de 1000 ml. que contenga 125 ml. de solución dispersante al 4%, (se puede usar - par -te de la solución descrita en el paso1). Verificar que las temperaturas sean iguales en ambas probetas. 6.- La probeta de sedimentación se tapará con un tapón (utilizar la palma de la mano si es necesario), para evitar que durante la agitación de la misma tenga pérdidas, la agitación tiene que ser alrededor de 1 minuto. 7.- Luego de sacudir la probeta, poner sobre la mesa e introducir el hidrómetro tomando lecturas en los siguientes intervalos de tiempo l, 2, 3, 4 minutos, realizando igualmente lecturas del termómetro.

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8.- Colocar el hidrómetro y el termómetro en el recipiente de control (el cual debe encontrarse a una temperatura que no difiera en más de 1° c. del suelo}. Tomar una lectura para corrección de menisco en el hidrómetro dentro del cilindro de control.

Hidrómetro 9.- Es necesario que en cada medición se evite la agitación en la introducción del hidrórnetro, colocándolo tan suavemente como para requerir alrededor de 10seg en realizar dicha operación. 10.- El proceso se vuelve a repetir, comparando los resultados de las mediciones anteriores, si existe concordancia hay que seguir incrementando los tiempos de mediciones de tiempo de 8, 15, 30, 60 minutos.

VI. ILUSTRACION DE LA PRÁCTICA.-

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VII.- CALCULOS: 

Aplicar la corrección de meniscos a las lecturas de hidrómetro y encontrar en la tabla 65 para obtener el valor de L.



Si el grupo realizó el ensayo del peso especifico de los suelos, entonces adoptar su valor, caso contrario adoptar el valor de Gs = 2.70 (g/cm³).



Con Gs y la temperatura de ensayo para cualquier lectura del hidrómetro, entrar el la tabla 6-4 para obtener el valor correspondientes de K.



Con los valores de L, K y el tiempo transcurrido (1 min.), calcular el valor de D, con la siguiente ecuación:

    √ () () D = Diámetro de la partícula L = Profundidad efectiva de caída de las partículas en un tiempo dado K = Constante de las características del suelo 

Calcular la lectura corregida del hidrómetro a través de la siguiente fórmula Rc = R real – corrección de cero + Ct

(1-2)

Rc = Lectura corregida del Hidrómetro Real = Lectura directa del Hidrómetro Ct = Corrección por temperatura

(tabla 6-3)

La corrección de cero se presenta cuando existan lecturas negativas en el Hidrómetro.



Utilizando el resultado de la ecuación (1-2), se calcula el porcentaje mas fino correspondiente al diámetro de la partícula D. Porcentaje mas fino =(Rc*a*100)/Ws

(1-3)

Ws = Peso original de suelo colocado en la suspensión g. a = Factor de corrección para el peso unitario de sólidos (tabla 6-2). Rc = Corrección por cero + (Ct de la tabla 6-3 a 22ºc).

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Tabla de datos recogidos en laboratorio:

Tiempo transcurrido en min.

Temperatura en °C

1

21

3 6 10 15 25 40 70 812 877 960 1137 7167

21 21 21 21 21 21 21 17 17 19 19 18

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Para el desarrollo practico de los cálculos, se los realizo en una hoja de cálculo de Excel con el siguiente formato: a n m u l o C

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Procedimiento Es el valor del tiempo en minutos en que se deja la solución de arcilla con silicato de sodio Es la temperatura en un tiempo indicado en la columna 1 en °C Este es el valor extraído de tabla para la corrección de temperatura solución con arcilla Sera la temperatura corregida en grados centígrados (Temperatura ± Ct) Es la lectura realizada con el hidrómetro Es la resultante de la columna 5 más/menos la columna 3 Porcentaje más fino es igual a la lectura corregida *0.99*100/entre el peso total de la muestra Es la corrección por menisco para el tipo de hidrómetro que es el 152 H que es 1,0 g/litro Valor obtenido de la tabla, el cual se encuentra con el valor del hidrómetro corregido por menisco Valor obtenido de la relación del valor L de la columna 9 entre el tiempo de la columna 1 Valor obtenido de la tabla 6.4 a la cual entramos con los pesos unitarios y al temperatura corregida Diámetros de tamices obtenidos con la ecuación 1.1 "D=K*(L/t)^0.5

1

2

3

n e o d i r r u . c n s i n a m r t o p m e i T

C ° n e a r u t a r e p m e T

t C

1 3 6 10 15 25 40 70 812 877 960 1137 7167

21 21 21 21 21 21 21 21 17 17 19 19 18

0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 -0,7 -0,7 -0,3 -0,3 -0,5

4 C ° n e a a d r i u g e t a r r r e o p C m e T

21,2 21,2 21,2 21,2 21,2 21,2 21,2 21,2 16,3 16,3 18,7 18,7 17,5

5 . l a e r R l a e R a r u t c e L

48 36 30 20 11 3,5 2 1 2,5 2,5 1,5 1,5 1,5

6 . c R a d i g e r r o c a r u t c e L

48,2 36,2 30,2 20,2 11,2 3,7 2,2 1,2 1,8 1,8 1,2 1,2 1

7

8

o n i f s á m e j a t n e c r o P

o c s i n e m r o p n ó i c c e r r o C

63,624 47,784 39,864 26,664 14,784 4,884 2,904 1,584 2,376 2,376 1,584 1,584 1,32

49 37 31 21 12 4,5 3 2 3,5 3,5 2,5 2,5 2,5

9

10

a l b a t L

t / L

8,3 10,2 11,2 12,9 14,3 15,6 15,8 16 15,7 15,7 15,9 15,9 15,9

8,3 3,4 1,8667 1,29 0,9533 0,622 0,395 0,2286 0,0193 0,0179 0,0166 0,0140 0,0022

11

a l b a t K

0,0133 0,0133 0,0133 0,0133 0,0133 0,0133 0,0133 0,0133 0,014 0,014 0,0136 0,0136 0,0138

12 . m m n e o r t e m á i D

0,0383 0,0245 0,0182 0,0151 0,0130 0,0105 0,0084 0,0064 0,0019 0,0019 0,0018 0,0016 0,0006

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Con los resultados anteriores podemos graficar finalmente la curva relacionando el porcentaje que es más fino y el diámetro de las partículas:

CURVA GRANULOMETRICA REALIZADA CON HIDROMETRO 70 60 50

o n i f 40 s a 30 M %20 10 0

0,05

0,005

0,0005

Diametro (mm)

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Con los resultados obtenidos en esta práctica y los de la práctica Nº 2 de granulometría de la arcilla se puede realizar una grafica de la distribución granulométrica, en función del porcentaje más fino que pasa y el diámetro de las partículas, como sigue:

DIAMETRO mm.

PORCENTAJE MAS FINO Nótese que se agrego los resultados de l a practica

2,0000 0,4600 0,0750 0,0383 0,0245 0,0182 0,0151 0,0130 0,0105 0,0084 0,0064 0,0019 0,0019 0,0018 0,0016 0,0006

100,0000 79,4300 2,6900 1,7115 1,2854 1,0723 0,7173 0,3977 0,1314 0,0781 0,0426 0,0639 0,0639 0,0426 0,0426 0,0355

Nº 2 y que el ultimo valor de porcentaje más fino de e sa práctica es:

2,6900% y este porcentaje fue tomado como un 100% y en función a los resultados de esta práctica (hidrómetro ) se saco los porcentajes que se muestran en la tabla, este proceso se lo realizo con fines hacer un empalme en la

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Con los resultados anteriores podemos graficar finalmente la curva relacionando el porcentaje que es más fino y el diámetro de las partículas:

CURVA GRANULOMETRICA 100 90 80

o70 n i f 60 s50 a M 40 % 30 20 10 0 1,024

0,512

0,256

0,128

0,064

0,032

0,016

0,008

0,004

0,002

0,001

0,001

Diametro (mm)

VIII.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: En este tipo de ensayo o prueba del hidrómetro existe un margen de error que fueron ocasionados por las siguientes causas: el uso de una cantidad o un tipo adecuado de defloculante, la sección conveniente no responde a reglas fijas y varían para diferentes tipos de suelos. Como defloculante natural también se puede usar sal, también limón, la leche, etc. La falta de cuidado en la introducción y extracción del hidrómetro puede causar pequeños lapsos de tiempo no medidos con exactitud en los tiempos solicitados. Para trabajar con la muestra de suelo este debe estar seca aunque se podría obtener el peso de la muestra secándola antes o bien después del ensayo teniendo en cuenta la cantidad y el peso con la que trabajaremos en la práctica.

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Si se presenta alguna falla en los datos y resultados puede haber sido que no se dejo reposar la muestra las 24 horas recomendadas, al contrario se realizo el ensayo en el mismo instante de mezclado de esta con la solución de 125 ml. Al realizar la transferencia de la muestra mezclada con la solución de 125 ml a la probeta se debe intentar que no se pierda material como por ejemplo lavando el recipiente si es que en este quedan residuos y echando estos en la probeta. La agitación del recipiente en donde se encontraba la muestra puede haber sido insuficiente al comienzo del ensayo. La perdida de la solución cuando se introduce o se remueve el hidrómetro, esta perdida se presenta comúnmente cuando se extrae rápido el hidrómetro. Si es que el hidrómetro no se encuentra limpio se producirán errores en las mediciones. La presencia de polvo o grasa en el vástago del hidrómetro puede impedir el desarrollo de un menisco uniforme.

VI.- BIBLIOGRAFIA: Mecánica de Suelos. I........................Juárez Badillo - Rico Rodríguez

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