Instituto Tecnológico de Tijuana
Ingeniería Civil Mecánica de Suelos I 3IC4 B Unidad IV Análisis de Sedimentación (método del hidrómetro) Cedeño Fernández Damian No. de control: 11210846
Profesor: González Gutiérrez Rafael Lunes 10 de mayo de 2013
El método se basa en que la velocidad de sedimentación de partículas en un líquido es función de su tamaño. Determinando la granulometría de un suelo con el método por tamizado solamente se llegará a tamaños mínimos de 0.074 mm. (Malla N° 200). Los tamaños menores del suelo exigen una investigación fundada en otros principios, por lo que este método se basa en las características de la sedimentación de las partículas del suelo en un medio acuoso. Se aplica a suelos finos que han quedado en la cazoleta y que se denomina pasa la malla N° 200. El método de uso más conocido es el del Hidrómetro (Densímetro).
La prueba del hidrómetro (densímetro) o AASHO Standard. (ASTM 422)
Se toma una probeta con agua al cual se le coloca suelo, se agita hasta que sea uniforme la suspensión; luego se deja en reposo para ir midiendo mediante un densímetro graduado los pesos específicos relativos de una suspensión de un suelo que cambian en un transcurso del tiempo (minutos, horas, días), calibrando dicho densímetro a 20 grados y con escala de 0.995 a 1,060. Los pesos específicos de la suspensión disminuyen a medida que las partículas se asientan. La profundidad del densímetro, variable con la densidad de la suspensión (ARQUIMEDES), es la base para calcular esa distribución de tamaños de granos finos que pasa la malla N° 200. El sistema se calcula con la Ley de Stokes. Para la determinación de los tamaños de las partículas y su distribución granulométrica, se usa un nomograma a base la Ley de Stokes. Para poder utilizar este nomograma es necesario conocer las especificaciones del densímetro, o sea, es necesario calibrarlo.
Ley de “Stokes”
La ley fundamental de que se hace uso en el procedimiento del hidrómetro, es debida a Stokes y proporciona una relación entre la velocidad de sedimentación (descenso) de las partículas del suelo en un fluido y el tamaño de esas partículas. Granos con distintos tamaños, descienden en un líquido con distintas velocidades, y establece que la velocidad de caída de una esfera pequeña en un medio fluido viscoso.
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PROCEDIMIENTO EN LABORATORIO: Calibración del Hidrómetro (densímetro).
La calibración de un hidrómetro consiste en la determinación de la altura de caída (Hg) en función de las lecturas realizadas. Aplicando el nomograma (según la Ley de Stokes) es necesario llevar a cabo la calibración de cada densímetro, ya que l as alturas de caída (Hg) que corresponden a lecturas del peso específico del líquido, son siempre distintos en los densímetros. La calibración comprende los siguientes pasos:
Determinación del volumen del bulbo del densímetro (Vb).
Sumergir el bulbo al agua (dentro de una probeta y medir el aumento del volumen del agua). Determinación del área de la probeta (Ap) (1,000 ml) en uso: Determinar dos marcas y medir el volumen entre ellas y su distancia, luego dividir el volumen entre la distancia medida. Medir la distancia entre los dos extremos del bulvo (h). Medir los diferentes valores H1 (las distancias entre el extremo superior del bulbo y las diferentes lecturas del peso específico relativo). Calcular las alturas de caída Hg que corresponden a las alturas del peso específico relativo). Relativo de la suspensión: Hg = H1 + ½ ((h - (Vb / Ap)) En el nomograma (ábaco para el análisis granulométrico por sedimentación) se encuentran esos valores Hg, al lado izquierdo de la escala para las lecturas del densímetro. Se anota al lado derecho de esa misma escala los datos correspondientes del peso específico o sea las lecturas correspondientes del densímetro en uso.
Corrección de las lecturas del densímetro en uso por menisco y uso de defloculante.
Durante la prueba por sedimentación, debe utilizarse un defloculante (silicato de sodio) que impide el descenso demasiado rápido de las partículas. A fin de impedir que las partículas menores de suelo se unan entre sí formando granos más pesados y por consecuencia mayor velocidad de sedimentación, haciendo cometer errores. Las lecturas del peso específico relativo de la suspensión, debe corregirse por el cambio de la densidad del agua, debido a la adición del defloculante (agua + defloculante) (C´d).- (Se mezcla la cantidad de defloculante que vaya a usarse con agua que salga una suspensión con 1000 ml.; se le agita y mide la densidad inicial. Esta suspensión solo sirve como referencia para la lectura inicial, luego se descarta).
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Cantidad de la muestra por ensayar.
Se realiza en suelos en que la mayor parte del material, pasa el tamiz N° 80 ó puede ser del suelo que pasa la malla N° 200. La cantidad de la muestra del suelo por someter a la prueba de sedimentación, depende del tipo de suelo. Suelo arenoso. 50 - 150 grs. Suelo cohesivos sin arena. 30 – 50 grs. Arcillas grasosas. 10 – 30 grs.
Equipo necesario para la prueba de sedimentación.
Una balanza. Con 0.1 ó 0.01 gr de aproximación. Un hidrómetro graduado para medir pesos específicos relativos calibrados a 20 ° C (68 ° F) y con escala de 0.995 a 1.110 gr/cm3. Un batidor mecánico – eléctrico (homogenizador). Un termómetro con aproximación de 0.1° C. Una probeta graduada de 1,000 ml. Defloculante (silicato de sodio (Na3 Si O3) – 1 gr ó 5 ml / 20 cc de agua) (hexametafosfato sódico (Na PO3)6 - 45.7 gr/Lt). Espátulas, probetas, estufa, etc.
Ejecución del ensayo a) Procedimiento de prueba en suelos arcillosos.
1. Pesar una cantidad de 30 ó 50 gr de suelo seco (Ps). 2. Añadir 5 ml. de solución de silicato de sodio a 300 ml... de agua y mezclar una parte con el suelo, de modo que alcance este la consistencia de una pasta suave. 3. Añadir el resto de la suspensión (300 ml.) a esta pasta para agitarla en el homogenizador durante 15 minutos. 4. Pasar la muestra mezclada con agua y defloculante a la probeta graduada de 1000 ml. Añadiendo agua para completar los 1000 ml. 5. Agitar la probeta tapada con la mano, invirtiéndola frecuentemente durante 1 minuto.
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6. Colocar la probeta inmediatamente después sobre una mesa fija y que no le llegue directamente los rayos del sol, echar a andar al mismo tiempo un cronómetro e introducir el densímetro a la probeta. Hacer las lecturas (t) en periodos de 15”, 30 ”, 1, 2,
5, 15, 30, 60 minutos; 2, 4, 8, 16 horas etc. Midiendo a la vez la temperatura (T) (según cada lectura). 7. Determinar las lecturas R del densímetro, R = ( γ - 1.0 ) 1000 8. Determinar el correspondiente coeficiente de corrección por temperatura (Ct) (ábacos o tablas). 9. Averiguar los diámetros de las partículas, según el nomograma (ábaco para análisis granulométrico por sedimentación). 10. Determinar los porcentajes correspondientes a cada tamaño de grano empleando la fórmula siguiente: Porcentaje (%) = 100 γs (R + C t – Cd - Cm) Ps (γs - 1)
En donde: Ps: Peso de la muestra seca en el ensayo. γs: Peso específico relativo de los sólidos (de averiguarse por ensayos anteriores).
R: Medida corregida de la lectura (densímetro). Cm: Corrección del densímetro por menisco... Cd: Corrección de la lectura del densímetro por defloculante. Ct: Coeficiente de corrección por temperatura. ( Según ábaco) Coeficientes de corrección por temperatura (Ct).
b) Método del sifonaje.
El factor tiempo es de gran importancia en la construcción, el método de sifonaje es de fácil y rápida realización y que puede ser realizado en el campo como en el laboratorio, es un método práctico que usando un mínimo equipo y tiempo se obtienen resultados semejantes al encontrado por el método del hidrómetro. Este método no es un método sustitutivo de ningún otro, sino como un procedimiento práctico. También se basa en la ley de Stokes.
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c) Análisis Combinado (suelos bien graduados, con granos finos así como granos gruesos).
Cuando un suelo contiene a la vez suficiente material grueso y fino; se hace necesario emplear un procedimiento de análisis mecánico combinado, un análisis por medio de tamices (lavado) y otro por sedimentación (hidrómetro). 1. Determinar con suficiente cantidad de muestra, la granulometría por medio del procedimiento de tamizado – lavado, hasta el tamaño más pequeño de los granos (malla Nº 200 = 0.075mm). 2. Utilizar otra cantidad de muestra seca para la prueba de sedimentación y pasarla por la malla Nº 80; este material que ha pasado por la malla Nº 80 (0.177mm) debe tener el mismo porcentaje como el proceso por lavado. 3. Someter el material pasante por el tamiz N° 80 a la prueba de sedimentación, como arriba mencionado.
d) Errores posibles en las pruebas de Análisis granulométrico.
1. Mala calibración de las balanzas. 2. Error de precisión: Todas las pesadas deben ser realizadas por la misma persona y con la misma balanza durante todo el ensayo. 3. Mal estado de los tamices: Deben encontrarse sin deformaciones, ni roturas y bien limpios. 4. Mal lavado del material, el que debe ser cuidadosamente lavado para evitar la presencia de granos con un volumen irreal debido a los finos adheridos a ellos. Además, durante el lavado no debe derramarse agua por mala manipulación. 5. Diferencia de temperatura excesiva de la muestra y el medio ambiente en el momento de realizar el ensayo. 6. Sobrecarga de los tamices. 7. Tiempo de agitado inexacto, este tiempo debe ser proporcional a la forma de los granos del suelo y a su tamaño. Mientras más angulares sean éstos, mayor será el tiempo de agitado.
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e) Errores posibles en las pruebas de Hidrómetro.
1. El uso de una cantidad o un tipo no adecuado de floculante. 2. La insuficiente agitación previa de la mezcla suelo – agua con floculante. 3. La falta de cuidado en la introducción y extracción del densímetro. 4. Pérdidas de suelo por manipulación descuidada en los procesos de traspasado. 5. Determinación incorrecta del peso específico relativo de los sólidos. 6. Inconstancias en la temperatura.
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