Metodo de Ensayo Estandar Para La Gravedad Especifica de Solidos de Suelo Por Picnometro de Agua

METODO DE ENSAYO ESTANDAR PARA LA GRAVEDAD ESPECIFICA DE SÓLIDOS DE SUELO POR BALÓN DE AGUA

Código: P-39 Versión: 3.6 F.E: 03/06/10 F.R: 13/04/15

Laboratorio de Ensayos INSUMA

Aprobado por: Gestor de Calidad

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1. Propósito Este método corresponde a una traducción significativamente equivalente de la norma ASTM D 854 por lo cual no se valida, se realiza una confirmación del método, establece las pautas para la debida realización del Método de Ensayo Estándar para la Gravedad Especifica de Sólidos de Suelo por Picnómetro de Agua.

2. Alcance 2.1 Estos métodos de ensayo cubren la determinación de la gravedad específica de sólidos de suelo que pasan la malla 4,75 mm, por medio del picnómetro de agua. Cuando el suelo contenga partículas mayores a la malla de 4,75 mm, se usará el método P- 47 “Método de prueba estándar para la densidad, relativa (gravedad especifica) y absorción del agregado grueso” para los sólidos retenidos en la malla de 4,75 mm y estos métodos serán serán usados para los solidos de suelo que pasan la malla de 4,75 mm. 2.2 Los sólidos de suelo para estos métodos de ensayo no incluyen sólidos que puedan ser alterados, contaminados con sustancias que prohíbe el uso de estos métodos, o sólidos de suelo orgánico, que contenga material fibroso que flote en el agua. 2.3 Se proveen dos métodos para llevar a cabo la gravedad específica. El método a utilizar será especificado por el cliente, excepto cuando se trate de los suelos especificados en 2.2.1 2.3.1 Método A-Procedimiento para Especímenes Húmedos, descrito en 8.1. Este procedimiento es el preferido. Para suelos orgánicos; suelos finos altamente plásticos; suelos tropicales; y suelos compuestos de Halloisita, usar el método A. 2.3.2 Método B-Procedimiento para especímenes secados al horno, se describe en 8.2. 2.4 Unidades-Los valores establecidos en unidades SI, se considera como estándar. Otras unidades de medida no se consideran en este método de ensayo.

3. Documentos de Referencia Referencia “Reporte trabajo no conforme F-15-00- 01” “Recibo “Recibo de Material F-17-00-01” “Resumen “Resumen de Control” Control” F-17-00-03” “Identifica “Identificación ción de material material madre” madre” F-17-00-04” “Identifica “Identificación ción de material material hijo” F-17-00-05” “Informe de Ensayo F-17-00-02” “Determinac “Determinación ión de de la Densidad Densidad de Sólidos Sólidos F-39-00-01” “Determinación de Contenido de Agua en Suelo y Roca P- 18” “Cálculo de Incertidumbre de las Mediciones de Ensayos P- 24” “Cálculo de la Incertidumbre F-24-00- 01” ASTM D854 Standard Test Methods for Specific Gravity of Soil Solids by Water Pycnometer

4. Responsabilidades Los Asistentes de Laboratorio Laboratorio encargados de realizar dichos ensayos son responsables de actuar según lo establecido, acudiendo en caso de duda a su superior inmediato. El Jefe de Laboratorio es responsable de planificar, controlar y monitorear el cumplimiento de los lineamientos operacionales y administrativos aplicables a los ensayos.





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El Inspector de Calidad es responsable de velar por la trazabilidad e integridad de los ensayos, muestras y especímenes.

5. Equipo 5.1 Picnómetro o balón aforado: frasco volumétrico con una capacidad mínima de 250 ml. El volumen del picnómetro será de 2 a 3 veces más grande que la mezcla de suelo-agua utilizada durante la parte de-aireación del ensayo. 5.2 Balanza. Tiene una lectura de 0,01 g. 5.3 Horno de secado. Horno controlado termostáticamente, capaz de mantener una temperatura uniforme de 110 ºC ± 5 ºC en toda la cámara de secado. 5.4 Termómetro. Un termómetro capaz de medir el rango de temperaturas dentro del cual el ensayo se está realizando, con una resolución de 0,1 ºC más cercano y con un rango de profundidad e inmersión de 25 mm a 80 mm. No se usarán termómetros de inmersión total. Un termómetro de mercurio de precisión para propósitos generales o un termómetro digital es el ideal. 5.5 Aparato extractor de aire. Para remover el aire atrapado (proceso de-aireación), use una bomba de aspiración o aspirador de agua, capaz de producir una aspiración parcial de 100 mm de mercurio (100 mmHg) o una presión absoluta menor. 5.6 Malla. Una malla con una abertura de 4,75 mm. 5.7 Mesa Vibratoria. Capaz de mantener el balón junto con la muestra en movimiento o en vibración durante todo el periodo de extracción de aire. 5.8 Contenedor de aislamiento (opcional). De estereofón o madera de tamaño suficiente para contener varios balones, termómetro, jeringa con agua, etc. 5.9 Malla de 4,75 mm 5.10 Equipo misceláneo. Platos para especímenes, guantes aislantes, jeringa con agua, toallas de papel.

6. Agentes 6.1 Pureza del agua: Utilizar agua destilada. Puede ser agua destilada obtenida en comercios. De aquí en adelante al agua destilada se le mencionará simplemente como agua.

7. Espécimen del ensayo. 7.1 El espécimen del ensayo puede encontrarse húmedo o secado al horno y ser representativo de los sólidos de suelos que pasan la malla de 4,75 mm en su totalidad. La Tabla 1 brinda unas recomendaciones en cuanto a la masa seca del suelo versus el tipo de suelo y el tamaño del picnómetro.




Laboratorio de Ensayos INSUMA 7.1.1

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Dos factores importantes en relación con la cantidad de solidos de suelo que se ensayan son los siguientes. Primero, la masa de los sólidos de suelo dividida por su gravedad específica producirá cuatro datos significativos. Segundo, la mezcla de sólidos de suelo y agua es un compuesto semilíquido, no un fluido altamente viscoso (similar a pintura pura) durante el proceso de extracción de aire. Tipo de suelo

Masa seca del espécimen (g) cuando se utiliza el picnómetro de 250 ml 60 ± 10 45 ± 10 35 ± 10

SP, SP-SM SP-SC,SM,SC Limo o arcilla

Masa seca del espécimen (g) cuando se utiliza el picnómetro de 500 ml 100 ± 10 75 ± 10 50 ± 10

Tabla 1. Masa recomendada para especímenes. Nomenclatura del suelo

Descripción del suelo

SP

Arenas uniformes o con graduación discontinua, arena gravosa. Arenas limosas, arenas limosas gravosas. Arenas arcillosas, arenas arcillosas gravosas.

SM SC

8. Método

Tabla 2. Descripción del suelo.

8.1 Método A- Especímenes húmedos: 8.1.1. Determine el contenido de agua de una porción de la muestra en concordancia con el método de ensayo P18 “Determinación de contenido de agua en suelo y roca”. Usando este contenido de agua, calc ule el rango de masas húmedas para el espécimen de gravedad específica en concordancia con el punto 7.1. De la muestra obtenga un espécimen dentro de este rango. No muestree para obtener una masa exacta predeterminada. 8.1.2. Para dispersar el suelo ponga alrededor de de 100 ml de agua dentro del contenedor de mezclado de una batidora o dispositivo equivalente. Agregue el suelo y mezcle. El volumen mínimo de suspensión que puede ser preparado por este método usualmente requerirá el uso de un balón de 500 ml. 8.1.3. Usando el embudo, vierta la mezcla de lodo dentro del picnómetro. Enjuague cualquier partícula que permanezca en el embudo de manera que caiga dentro del picnómetro, utilizando una botella de aspersión o chorro. 8.1.4. Proceda como se describe en 8.3. 8.2 Método B – Para especímenes Secados al horno: 8.2.1 Seque el espécimen correspondiente a masa constante en un horno manteniendo una temperatura de 110 ºC ± 5 ºC. Rompa cualquier terrón de suelo usando mortero y mazo. Si el suelo no se dispersa fácilmente después del secado o ha cambiado su composición, use el Método A. Refiérase a 2.2.1 para suelos que requieran el uso del Método A. 8.2.2 Coloque el embudo dentro del picnómetro. El vástago del embudo debe extenderse lo suficiente dentro del balón para mantenerlo firme. Con una cuchara agregue los sólidos de suelo dentro del embudo. Enjuague cualquier resto de partículas remanentes en el embudo y cuello del picnómetro de manera que caigan dentro del balón.





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8.3 Preparación del lodo de suelo. Agregue agua hasta que el nivel del agua este entre 1/3 y ½ de la profundidad del cuerpo principal del balón. Agite el agua hasta que se forme la mezcla lodosa. Enjuague cualquier suelo que se haya adherido en el balón para que sea agregado a la mezcla lodosa. 8.3.1 Si el lodo no se forma, en lugar es una pasta viscosa, use un picnómetro que tenga un mayor volumen (ver 7.1.1). 8.4 De-aireación de la mezcla lodosa de suelo. El aire atrapado en la mezcla lodosa puede ser removido usando ya sea calor (hervirlo), aspiración o la combinación de ambos. 8.4.1 Cuando se utilice únicamente el método de calor (hervido) utilice al menos dos horas después de que la mezcla de suelo y agua ha hervido. Use solamente el calor suficiente para mantener el lodo líquido en ebullición. Agite la suspensión según sea necesario para evitar que el suelo se pegue o se seque sobre el vidrio por encima de la superficie de la suspensión. 8.4.2 Si se utiliza solo la bomba de vacío, el picnómetro estará continuamente agitándose por al menos 2 horas mientras se extrae el aire de la muestra . “Continuamente agitándose” significa que los sólidos de limo/arcilla permanecen en suspensión y la mezcla de suelo y agua está en constante movimiento. El vacío se mantendrá relativamente constante y será suficiente para causar burbujeo al inicio de la extracción de aire. 8.4.3 Si se usa una combinación de calor y vacío, los balones pueden ser colocados en un baño de agua caliente (nomas de 40 ˚C) mientras se aplica el vacío. El nivel del agua en el baño estará ligeramente por debajo del nivel del agua dentro del balón, si el vidrio del balón se calienta, el suelo normalmente se adherirá o se secará sobre el vidrio. La duración de vacío y calor será de al menos 1 h después del inicio de la ebullición. Durante el proceso la mezcla lodosa será agitada según sea necesario para mantener la ebullición y prevenir que el suelo se seque en el balón. 8.5 Llenado del balón con agua: Llene el balón con agua desairada (ver nota 1) por medio de una pieza de diámetro pequeño y flexible (Jeringa) la cual llegue justamente a la superficie del líquido o hasta la marca de calibración, con el fondo del menisco al nivel de la marca. Si el agua agregada se vuelve turbia, no agregue agua por encima de la marca de calibración. Añada el agua restante al día siguiente. Nota 1: El agua será desairada para asegurar que no hay burbujas de aire en el agua. El agua puede ser desairada usando calor, vacío o una combinación de ambas. Esta agua no será usada hasta que haya sido equilibrada a temperatura ambiente. Además, esta agua será agregada al balón siguiendo el punto 8.5. 8.6 Sí se ha usado calor, permita que el espécimen se enfrié aproximadamente a temperatura ambiente. 8.7 Equilibrio térmico: Coloque los balones dentro de un contenedor aislado cubierto o en una misma habitación junto con el medidor de temperatura, la botella con agua o gotero desairada, los tapones. Mantenga estos artículos en el contenedor cerrado o la habitación durante la noche o hasta que se logre el equilibrio térmico. 8.8 Determinación de la masa del balón: Si el contenedor cerrado o la habitación donde se dejaron los balones y el resto de instrumentos no está cerca de la balanza lleve los mismos hacia donde está la balanza. Sólo toque el borde del picnómetro porque el calor de las manos puede cambiar el equilibrio térmico. Coloque los balones sobre un trozo de estereofón o trozo de tela (ver nota 2) usando la misma balanza usada para la calibración del picnómetro, tomando el picnómetro por el cuello. Nota 2: Si los balones y la balanza están dentro de la misma habitación no será necesario el uso de estereofón o tela para colocar los balones. Estos se podrán colocar sobre la mesa de trabajo.



Laboratorio de Ensayos INSUMA 8.8.1


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Ajuste el agua hasta la marca de calibración: ajuste el agua hasta la marca de calibración con la parte inferior del menisco al nivel de la marca. Si tiene que añadir agua, use el agua térmicamente equilibrada del contenedor o la habitación. Si se tuviera que remover agua, use un pequeño tubo de succión o toalla de papel. Cerciórese de que no hayan gotas de agua en el cuello del balón o en exterior del mismo, de ser así remuévalas.

8.9 Mida y registre la masa del balón, suelo y agua al más cercano 0,01 g. 8.10 Determinación de la temperatura del picnómetro: Mida y registre la temperatura del lodo suelo/agua al más cercano 0,1 ºC usando un termómetro que esté térmicamente equilibrado en el contenedor cerrado o la habitación. Inserte el termómetro (o la porción de detección de temperatura) hasta aproximadamente la mitad de la profundidad del cuerpo principal del balón para hacer la determinación de temperatura y registrar ese valor. 8.11 Masa del suelo seco. Determine la masa de un recipiente o cápsula al 0,01 g más cercano. Transfiera la mezcla lodosa a este recipiente. Asegurarse de que todo el suelo sea transferido. Se puede adicionar agua para facilitar este proceso. Seque el espécimen a masa constante en un horno manteniendo una temperatura de 110 ºC ± 5 ºC. Selle la bandeja de tal ma nera que el suelo no absorba humedad durante el enfriamiento . Mida la masa seca de los sólidos del suelo más la bandeja al más cercano 0,01 g usando la balanza designada. Calcule y registre la masa seca de los sólidos al más cercano 0,01 g.

9. Cálculo 9.1 Calcular la gravedad específica de los sólidos de suelo a la temperatura de ensayo, G s, como sigue: Gs

Ws 

(Wbw  Ws  Wbws)

(3)

Donde: Gs = la densidad de los sólidos de suelo con respecto a la del agua g/cm 3 / g/cm 3 a la misma temperatura. Wbws= Peso de balón + agua + muestra a T (°C) Wbw = Peso de balón agua a T (°C) (de la curva de calibración) Ws = Peso del suelo secado al horno. 9.2 Calcule la gravedad especifica de los sólidos del suelo a 20 ˚C como sigue: Gs 20 ˚C = K * Gs

Donde: K = Coeficiente de temperatura dado en tabla 5. 9.3 Para sólidos de suelo que contienen partículas mayores a la malla de 4,75 mm en el que se utilizó el método P47 “Método de prueba estándar para la densidad, relativa (gravedad especifica ) y absorción del agregado grueso” para determinar la gravedad especifica de estas partículas , calcule un promedio de gravedad especifica. El método P-47 requiere que el ensayo se realizará a 23,0 ˚C ± 4 ˚C y no requiere que los datos de gravedad específica sean corregidos a 20 ˚C. Use el punto 9.3 para corregir esta medida a 20 ˚C. Use la siguiente ecuación para calcular la gravedad específica promedio:

Gs pro@

=





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Donde: R = Porcentaje de suelo retenido en la malla de 4,75 mm. P = Porcentaje de suelo pasando la malla de 4,75 mm. Gs1@20 ˚C = Gravedad especifica aparente de los suelos retenidos en la malla de 4,75 mm y determinado por el método P- 47 “Método de prueba estándar para la densidad, relativa (gravedad especifica) y absorción del agregado grueso”, corregido a 20 ˚C. Gs2@20 ˚C = Gravedad especifica de los sólidos de suelo pasando la malla de 4,75 mm y determinado por este método.

10. Reporte 10.1 Determinación de la densidad de solidos F-39-00-01

11.Precisión e incertidumbre 11.1 Precisión. El criterio para juzgar la aceptabilidad de los resultados del ensayo obtenidos por estos métodos en un rango de tipos de suelos usando el Método A (excepto que el suelo fue seco al aire) está dado en las Tablas 3 y 4. Estos estimados de precisión son basados en los resultados del programa de interlaboratorios conducido por el Programa de Ensayo y Referencia de Suelos de la ASTM. En este programa, algunos laboratorios realizaron tres ensayos réplicas por tipo de suelos ( ensayos “tríplicas” de laboratorio), mientras que otros laboratorios realizaron un único ensayo por tipo de suelo (ensayo único de laboratorio). Una descripción de los suelos ensayados se da en 11.5 . La precisión estimada puede variar con el tipo de suelo y el método usado (Método A o B). Se requiere de juicio propio cuando se aplican estas estimaciones a otro tipo de suelo o método. 11.2 Los datos en la Tabla 3 están basados en tres ensayos réplicas realizados por cada ensayo tríplica de laboratorio en cada tipo de suelo. Resultados de dos ensayos apropiadamente conducidos realizados por el mismo operador, en el mimos tipo de material, usando el mismo equipo y en el tiempo efectivo más corto, no deberían diferir por más de los límites 2ds de único operador mostrados en la Tabla 3, Columna 5. Resultados de dos ensayos apropiadamente conducidos, realizados por distintos operarios en días diferentes, no deberían diferir por más de lo límites 2ds de multilaboratorial mostrados en la Tabla 3, Columna 5. 11.3 En el Programa de Ensayo y Referencia de Suelos de la ASTM, muchos de los laboratorios sólo realizaron un ensayo. Esto es común en la industria de diseño y construcción. Los datos en la Tabla 4 están basados en el primer resultado de los ensayos tríplica y en los ensayos únicos de los otros laboratorios. Resultados de dos ensayos realizados apropiadamente por diferentes laboratorios con distintos operadores usando equipos diferentes y en días distintos, no deberían variar por más de los límites 2ds mostrados en la Tabla 4, Columna 5. Los resultados en las Tablas 3 y 4 son distintos porque los conjuntos de datos son distintos. 11.4 La Tabla 3 presenta interpretaciones rigurosas para datos de ensayos tríplicas de laboratorio precalificados. La Tabla 4 es derivada de datos de ensayo que representa la práctica común. 11.5 Tipo de suelo. Basado en los resultados de ensayos multilaboratorial, se describe a continuación los suelos usados. CH-Arcilla gruesa, CH, 99 % de finos, LL=60, IP=39, café grisáceo, el suelo ha sido secado al aire y pulverizado. CL-Arcilla delgada, CL, 89 % de finos, LL=33, IP=13, gris, el suelo ha sido secado al aire y pulverizado. ML-limo, ML, 99 % de finos, LL=27, IP=4, café claro, el suelo ha sido secado al aire y pulverizado. SP-Arena mal graduada, SP, 20 % de arena gruesa, 48 % de arena media, 30 % de arena fina, 2 % de finos, café amarillento. 11.5.1

Sesgo. No hay valores de referencias aceptables, por lo tanto, no se puede determinar la incertidumbre.





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Tabla 3. Resumen de los resultados de ensayos de los laboratorios de ensayos tríplicas (gravedad específica) (1) Tipo de suelo

CH CL ML SP

CH CL ML SP

(5) Rango aceptable de dos resultadosC Resultados de operador único (repetibilidad dentro del laboratorio)º 14 2,717 0,009 0,03 13 2,670 0,006 0,02 14 2,725 0,006 0,02 14 2,658 0,006 0,02 Resultados de multilaboratorio (reproductividad entre laboratorios) 14 2,717 0,028 0,08 13 2,670 0,022 0,06 14 2,725 0,022 0,06 14 2,658 0,008 0,02 (2) Número de ensayo tríplicas de laboratorio

(3) Valor promedio A

(4) Desviación estándar

A

El número de cifras significativas y posiciones decimales son representativos de los datos de entrada. A esta desviación estándar se le conoce como el límite 1s.

B

C

Al rango aceptable de 2 resultados se le conoce como límite 2ds. Y se calcula como 1,960 

2  1 s . La diferencia

entre dos ensayos conducidos apropiadamente no exceder este límite. El número de cifras significativas/posiciones decimales es igual al prescrito para por este ensayo. Además, el valor presentado puede tener el mismo número de posiciones decimales que el de la desviación estándar, aún si el resultado tiene más cifras significativas que la desviación estándar.

Tabla 4. Resumen de resultados de ensayos únicos de cada laboratorio (gravedad específica) A (5) Rango aceptable de dos resultados Resultados de multilaboratorio (ensayo único realizado por cada laboratorio) CH 18 2,715 0,027 0,08 CL 18 2,673 0,018 0,05 ML 18 2,726 0,022 0,06 SP 18 2,660 0,007 0,02 A Ver pies de nota de la Tabla 3. (1) Tipo de suelo

(2) Número de ensayos de laboratorio

(3) Valor promedio

(4) Desviación estándar





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Tabla 5 Densidad del agua y coeficiente de temperatura (K) para varias temperaturas 12. Palabras clave 12.1 Gravedad especifica de los sólidos de suelo: La relación de la masa de una unidad de volumen de los sólidos de un suelo a la masa del mismo volumen de agua destilada libre de gas a 20 ˚C.

Elaborado por: Esteban Saborío C

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Aprobado por: Ing. Gastón Laporte

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