ANALISIS GRANULOMETRICO POR EL METODO DEL HIDROMETRO

El análisis de hidrómetro es un método ampliamente utilizado para obtener un estimado de la distribución granulométrica de suelos cuyas partículas se encuentran desde el tamiz No. 200 (0.075 mm) hasta alrededor de 0.001 mm. Los datos se presentan en un gráfico semilogarítmico de porcentaje de material más fino contra diámetro de los granos y puede combinarse con los datos obtenidos en el análisis mecánico del material retenido, o sea mayor que el tamiz No. 200 (u otro tamaño cualquiera).

El principal objetivo del análisis de hidrómetro es 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 es utilizada 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 que de la distribución misma de los tamaños de partícula.

El análisis de hidrómetro utiliza la relación entre la velocidad de caída de esferas en un fluido, el diámetro de la esfera, el peso específico tanto de la esfera como del fluido, y la viscosidad del fluido, en la forma expresada por el físico Inglés G. G. Stokes (ca. 1850) en la ecuación conocida como la ley de Stokes:

Al resolver la ecuación (1-1) para D utilizando el peso específico del agua, se obtiene:

El rango de los diámetros D de partículas de suelo para los cuales esta ecuación es válida, es aproximadamente:

0.0002 mm < D < 0.2 mm

pues los granos mayores causan excesiva turbulencia en el fluido y los granos muy pequeños están sujetos a movimientos de tipo Browniano (i. e., sujetos a fuerza de atracción y repulsión entre partículas). Obviamente, para resolver la ec. Es necesario obtener el término velocidad o, conocer los valores correctos de γS y -γ'w y tener acceso a la tabla de viscosidad del agua. Como el peso específico del agua y su viscosidad varían con la temperatura, es evidente que esta variable también debe ser considerada. Para obtener la velocidad de caída de las partículas se utiliza el hidrómetro. Este aparato se desarrolló originalmente para determinar la gravedad.

El hidrómetro usado más comúnmente es el tipo 152H (designado por la norma ASTM) y está calibrado para leer g de suelo de un valor de Gs = 2.65 en 1000 cm3 de SUS-pensión siempre que no haya más de 60 g de

suelo en la solución. La lectura por consiguiente está directamente relacionada con la gravedad específica de la solución. Esta calibración particular del hidrómetro es una ayuda considerable. Por esta razón este tipo dé hidrómetro se utiliza muy ampliamente, a pesar de existir otros tipos de hidrómetros que pueden ser leídos en términos de la gravedad específica de la suspensión suelo-agua. Para estos últimos hidrómetros, debe tenerse mucho cuidado en no usar más de 60 g de solución de suelo por litro de solución para evitar la interferencia entre las partículas granulares durante la sedimentación, lo cual empobrece los resultados obtenidos de la aplicación de la ley de Stokes. El hidrómetro determina la gravedad específica de la suspensión agua-suelo en el centro del bulbo. Todas las partículas de mayor tamaño que aquéllas que se encuentren aún en suspensión en la zona mostrada como L (la distancia entre el centro de volumen del bulbo y la superficie del agua) habrán caído por debajo de la profundidad del centro de volumen, y esto hace decrecer permanentemente la gravedad específica de la suspensión en el centro de volumen del hidrómetro. Además es obvio que como el hidrómetro tiene un peso constante a medida que disminuye la gravedad específica de la suspensión, el hidrómetro se hundirá más dentro de la suspensión (aumentando así la distancia L). Es preciso recordar también, que la gravedad específica del agua (o densidad) decrece a medida que la temperatura aumenta (o disminuye) de 4°C. Esto ocasiona adicionalmente un hundimiento mayor del hidrómetro dentro de la suspensión.

REFERENCIAS NORMATIVAS

AASHTO T87-70 y T-88-70

ASTM D421-58 y D422-63

NTP 339. 128

APARATOS Y MATERIAL NECESARIO.

Tamices N°10 y N°200 Una balanza de unos 10 kg de capacidad que aprecie 1 g y otra de unos 200 g de capacidad y que

aprecie 0.01 g. Estufa de desecación, con temperatura regulable hasta 115 ºC. Un mortero con manilla, que tenga la parte inferior de goma, y un mazo del mismo material para

desmenuzar los terrones compuestos por las partículas del suelo. Un vaso de precipitados de unos 600 ml de capacidad. Un cepillo y una brocha para limpiar las mallas de los tamices. Agua destilada. Cuarteadores de diferentes pasos. Cilindro de sedimentación (cilindro de 1000 cm3), también conocido como cilindro de hidrómetro. Hidrómetro (modelo 152 H preferiblemente) Aparato para dispersar el suelo (batidora). Agente dispersivo Hexametafosfato de sodio (NaPO3), cuyo nombre comercial es Galgón, o silicato

de sodio (Na2 SiO3) también llamado vidrio líquido. Un baño de temperatura controlada para el cilindro del hidrómetro (opcional). Termómetro

PROCEDIMIENTO

MÉTODO A: Utilizar el siguiente procedimiento siempre que la muestra de suelo tenga entre 80 y 90% del material menor que el diámetro correspondiente al tamiz No. 200. Cuando menos cantidad de la muestra pase a través del tamiz No. 200 y/o se encuentre presente material superior en tamaño al tamiz No. 10, considere la utilización del método B que se da a continuación del presente.

1. Tomar exactamente 50 g de suelo secado al horno y pulverizado (como el que se utilizó en el análisis por tamizado)-y mezclarlo con 125 ml de solución al 4% de NaPO3. Una solución de 4% de metafosfato de sodio puede hacerse mezclando 40 g de material seco con suficiente agua hasta completar 1000 ml.

2. Dejar asentar la muestra de suelo cerca de una hora (la ASTM sugiere 16 horas para suelos arcillosos, pero esto generalmente es innecesario). Transferir la mezcla al vaso de una máquina batidora y añadir agua común hasta llenar 2/3 del vaso. Mezclarlo por espacio de 1 minuto si se emplearon entre 10 y 16 horas en la preparación de la muestra, de lo contrario mezclarlo entre 3 y 5 minutos.

3. Transferir el contenido del vaso de la batidora a un cilindro de sedimentación, teniendo mucho cuidado de no perder material en el proceso. Añadir agua común hasta completarla marca de 1000 ml de cilindro. Preparar el cilindro patrón de control con agua común y 125 ml de la solución de dispersante al 4% "o la misma que se utilizó en el paso N° 1. Verificar que la temperatura del agua común sea igual para ambos cilindros, el de sedimentación y el de control.

4. Tomar un tapón de caucho No. 12 (usar la palma de la mano si no hay un tapón disponible) para tapar la boca del cilindro donde se encuentra la suspensión de suelo y agitarla cuidadosamente por cerca de un minuto. Poner sobre la mesa el cilindro, remover el tapón, inmediatamente insertar el hidrómetro y tomar lecturas con los siguientes intervalos de tiempo: 1, 2, 3 y 4 minutos. Tomar igualmente lectura del termómetro. 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. Es usual dejar el hidrómetro metido dentro de la solución de suelo durante las primeras dos mediciones, y luego removerlo y volverlo a colocar para cada una de las siguientes dos

mediciones. Sin embargo, el error que se introduce al dejar el hidrómetro metido entre la suspensión durante las cuatro mediciones es mínimo. Es necesario evitar en lo posible la agitación de la suspensión cuando se coloca el hidrómetro dentro de ella, colocándolo tan suavemente como para requerir alrededor de 10 segundos en realizar dicha operación.

5. Reemplazar el tapón No. 12, volver a agitar la suspensión y volver a tomar otra serie de medidas a 1, 2, 3 y 4 min. Repetir tantas veces como se necesite con el fin de obtener dos juegos de mediciones que concuerden a la unidad en cada una de las cuatro mediciones.

6. Si existe suficiente concordancia entre dichas lecturas, es posible continuar el ensayo; de otra forma, es necesario volver a agitar y repetir el proceso hasta lograr dicha concordancia. Una vez que se haya logrado acuerdo en las medidas (hasta la unidad), se deben tomar medidas adicionales a los siguientes intervalos detiempo: 8, 15, 30, 60 minutos, y 2, 4, 8, 16, 32, 64, 96 horas. Los intervalos sugeridos para tomar mediciones después de 2 horas de comenzado el ensayo son sólo aproximados, ya que en realidad cualquier tiempo sería adecuado siempre y cuando sea tomado con suficiente espaciamiento para permitir una dispersión satisfactoria de los puntos en la gráfica. Registrar la temperatura de la suspensión suelo agua con una precisión de 1°C para cada medición del hidrómetro. El ensayo puede terminarse antes de las 96 horas a discreción. El experimento debe conti-nuarse hasta que el tamaño de las partículas D que se encuentran en suspensión sea del orden de 0.001 mm (se debe hacer simultáneamente el cálculo). Entre lectura y lectura del hidrómetro se debe guardar éste y el termómetro en el cilindro de control (el cual debe estar a la misma temperatura).

7. Pasar a la sección de "cálculos".

MÉTODO B: Este método debe utilizarse para obtener el análisis mecánico e hidrométrico de suelos cuya fracción gruesa es apreciable. En realidad puede utilizarse para cualquier suelo, pero su duración es mucho mayor que el método A antes explicado.

1. Secar al horno una cantidad adecuada de suelo sobre la base del máximo tamaño de agregado. Esta cantidad deberá variar entre 300 g y 1000 g más que las siguientes cantidades: a. 500 g si el máximo agregado de la muestra es de 10 mm o menos (peso total de la muestra). b. 5000 g para suelos cuyo máximo agregado tenga un tamaño de 75 mm o mayor. Usar interpolación lineal y aproximar al millar mayor para diámetros intermedios. Denominar Wo al peso real de la muestra de suelo - y usar 500, 1000, 2000 g, etc. Asegurarse de que la muestra total secada al homo sea mayor, e. g., para una muestra de 500 gr secar al homo una muestra entre 700 y 1000 gr. Wo será 500 g.

2. Lavar cuidadosamente la muestra W0 a través del tamiz No200 como se hizo en el ensayo de tamizado por lavado y secar los residuos al horno. Hacer un análisis mecánico utilizando entre 5 a 8 tamices escogidos desde el tamaño correspondiente al máximo agregado presente en la muestra y en la parte inferior un tamiz No50 y /o No100 y un tamiz No200. El hecho de que se escoja el No50 o No100 (o ambos) depende del tamaño de la serie necesaria para estimar la gradación del material. Dibujar la curva de distribución granulométrica hasta este punto.

3. A partir de la curva de distribución dibujada, obtener el porcentaje de material más fino que los tamices No 50 y No100. Utilizar el tamiz No100 si es necesario usar ambos. El tamiz N°200 debe incluirse para verificar la eficiencia del lavado de la muestra. Llamar Ni al porcentaje de material más fino obtenido.

4. Obtener una muestra, representativa secada al homo y más pequeña a partir de la muestra grande secada al horno de un peso exacto Wt obtenido de la siguiente forma:

Donde N = porcentaje más fino decimal del paso 3. Esto producirá una muestra para hidrómetro entre 50 y 60 g, o sea en el rango de lectura del hidrómetro 152H y con todas sus partículas dentro del rango de validez de la ley de Stokes.

5. Pulverizar esta muestra tanto como se pueda y tamizar en seco a una bandeja a través del tamiz que se haya escogido como límite máximo de la fracción fina (50 ó 100). Guardar el material más fino en la bandeja. Recuperar el residuo de material más grueso y mezclarlo con agua en una cápsula o recipiente adecuado de porcelana hasta que se sature. Permitir a este material saturarse por espacio de varias horas (hasta 24) de forma que todos los grumos existentes se ablanden y disuelvan. A continuación, lavar el material saturado a través del tamiz sobre la bandeja que contenía el material que originalmente había pasado en seco. Utilizar tan poca agua como sea posible, pero suficiente para asegurar un lavado completo de la muestra. Guardar toda el agua (y suelo más fino) en un recipiente adecuado, dependiendo de la cantidad resultante, y dejarlo sedimentar.

6. Recuperar el residuo de material más grueso que no logró pasar a través del tamiz, secarlo al homo y obtener el peso seco de dicho residuo Wf. Utilizar el peso inicial seco Wt del paso 4 y repetir el paso 2 para obtener una nueva curva de distribución granulométrica. Dibujar suavemente esta nueva curva sobre la que se obtuvo en el paso 2. Nótese que solo por coincidencia muy feliz se lograrían dos curvas idénticas. Calcular Ws como:

7. Si el material lavado ocupa más de 1000 ml, es necesario dejar sedimentar por un tiempo la suspensión suelo-agua con el fin de decantar el agua limpia de la parte superior hasta obtener un volumen remanente entre 400 y 600 ml.

8. Transferir la suspensión suelo-agua al vaso de un mezclador eléctrico de refrescos y mezclarlo entre 5 y 10 minutos. Verter el material en un cilindro de sedimentación graduado de 1000 ml. Añadir 125 ml. de agente dispersante en solución y suficiente agua común adicional para llenar el cilindro hasta la marca de 1000 ml. Asegurarse de no perder suelo en el proceso anterior, y de que el material que hubiese podido quedar dentro del vaso de la mezcladora sea removido completamente y transferido al cilindro de sedimentación.

9. Referirse al método inicial A, pasos 4 y siguientes para la conclusión del ensayo del hidrómetro.

CÁLCULOS

(MÉTODOS A y B)

1. Aplicar la corrección de menisco a las lecturas de hidrómetro y entrar en la Tabla 1-5 para obtener los valores de L. Si Gs es desconocido, suponer un valor razonable entre 2.68 y 2.74. Hacer una selección tal que impida interpolaciones innecesarias en cualquier suposición. Con Gs y la temperatura del ensayo para cualquier lectura del hidrómetro, entrar en la Tabla 1-4 para obtener el valor correspondiente de K. Con los valores de K, L y el tiempo transcurrido t, para dichas lecturas, calcular los valores para D utilizando la ec. (1-8a). Utilizar la Fig. 1-3 y la "memoria de cálculos" como guías.

2. Utilizando un valor corregido de Rc de la ec. (1-4) en la ec. (1-7), calcular el porcentaje de material más fino correspondiente al diámetro de partícula D del paso 1.

3. Utilizar los datos del párrafo 1 y 2 anteriores para dibujar la curva de porcentaje más fino contra tamaño de partículas - bien sobre el formato donde se dibujaron las curvas del Método B o sobre un nuevo formato del suelo utilizado. Note cuidadosamente que el porcentaje de finos es independiente de la cantidad de suelo

utilizada de forma que el resultado del análisis de hidrómetro puede combinarse con el del análisis mecánico. Si esto se hace, se debe tener presente que el análisis mecánico utiliza una muestra mayor y debería por tanto dar un peso mayor cuando se dibuja la curva de distribución a través de la región discontinua entre las dos ramas de la curva. Si se utiliza el Método B se debe referir al párrafo (b) que se presenta a continuación. Es preciso asegurarse de identificar adecuadamente los puntos obtenidos en el análisis mecánico de los obtenidos en el análisis de hidrómetro.

LOS SIGUIENTES CÁLCULOS DEBEN HACERSE ÚNICAMENTE SI SE UTILIZA EL MÉTODO B:

(a) Comparar el porcentaje de material que pasa el tamiz utilizado para obtener la muestra de hidrómetro con el porcentaje del material más fino en la muestra Wo.

(b) Ajustar la parte de la curva de distribución obtenida por análisis mecánico para los dos juegos de datos de análisis mecánico utilizando un promedio pesado basado en los pesos de la muestra como sigue:

Dibujar estos valores ajustados del porcentaje de material más fino (cada uno de los cuales debe estar entre los dos valores registrados para el determinado tamaño de grano Di ) y dibujar la porción final de la curva de granulometría por análisis mecánico usando una línea fuerte.

4. Mostrar sobre la curva de ser posible, los valores de D85, D60, D30 y D10. Para la rama de la curva obtenida mediante el ensayo del hidrómetro, muestre el porcentaje de arcilla.