11-Granulometría por sedimentación

Ensayo Nº11 - Granulometría por Sedimentación CAPITULO III - IDENTIFICACIÓN

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GRANULOMETRÍA POR SEDIMENTACIÓN

NORMAS:

ASTM 422 (ASTM STANDARS. SECTION 4, vol. 4.08) IRAM 10515

OBJETIVO:

El análisis granulométrico por sedimentación se utiliza para obtener el tamaño de las partículas en suelos finos.

Esto se logra preparando una solución con un dispersante químico que separe las partículas entre sí al entrar en contacto con el agua. SUELO A ENSAYAR:

El suelo a ensayar debe ser predominantemente fino, más del 50% de partículas que pasan el tamiz Nº200. Consistirá en una muestra alterada secada en la estufa. ELEMENTOS NECESARIOS PARA EL ENSAYO:

Agente dispersante: Este se utiliza para alterar las cargas eléctricas sobre las partículas evitando la formación de flóculos de suelo. Uno de los más utilizados es el hexametafosfato de sodio (también llamado metafosfato de sodio), NaPO3.

Balanza: Equipo donde se pesará el suelo. Debe tener una precisión de 0.1 gr.

Batidora de suelo: Aparato compuesto por un motor eléctrico que hace girar un eje vertical, en cuyo extremo tiene paletas que rotan a más de 10000 rpm para forzar la dispersión del suelo en el agua, dentro del vaso provisto con la misma.

Cilindro de sedimentación: Recipiente cilíndrico alargado de material trasparente, graduado en 1000 ml. Se necesitan dos, uno para la sedimentación y otro de control.


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Cronómetro: Necesario para observar el intervalo de tiempo en que se tomarán las lecturas.

Espátula: Útil para juntar el suelo. Podría ser una cuchilla de 2 cm de ancho y 10 cm de largo.

Estufa: Equipo donde se secará el suelo. Debe mantener una temperatura estable de 110 +/- 5ºC.

Hidrómetro TIPO 152H o Bouyuco: Instrumento que se hace flotar en la solución de agua y suelo, el cual, al tener un peso constante, se hunde más al disminuir la gravedad específica del líquido cuando van sedimentando las partículas, pudiendo leer directamente en su graduación los gramos de suelo de 2.65 de gravedad específica en dilución por cada litro de suspensión.

Termómetro: Debe tener una graduación de 0.1ºC. PROCEDIMIENTO EN LABORATORIO:

1. Pesar 50 gr de suelo seco a ensayar. 2. Pesar 40 gr de metafosfato de sodio o cualquier otro dispersante y

mezclarlo con 1000 ml de agua potable, formando así una solución al 4%. Esta se denominará solución patrón. Nota: Esta solución no debe tener más de una semana preparada, por lo que

se debe rotular con la fecha el envase donde se colocará.

ESPÁTULAHIDRÓMETRO

BATIDORA

CILINDROS DE SEDIMENTACIÓN

AGENTE DISPERSANTE

VASO


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3. Mezclar los 50 gr de suelo con 125 ml de solución patrón y dejar la mezcla preparada reposar durante una hora en el vaso de la batidora. Luego agregar agua potable hasta los 2/3 del vaso y mezclar con batidora de 3 a 5 minutos.

4. Pasar todo el contenido del vaso de la batidora al cilindro de sedimentación, ayudándose con agua para no perder material. Agregar agua al cilindro de sedimentación hasta alcanzar la marca de 1000 ml.

5. Colocar 125 ml de solución patrón en otro cilindro de 1000 ml. Agregar agua hasta alcanzar la marca de 1000 ml, estableciendo así el “cilindro de control”. Recordar utilizar agua de la misma fuente desde el paso 2 para facilitar que el agua en el cilindro de sedimentación y en el de control

tenga la misma temperatura. 6. Tomar la temperatura de la solución en el

cilindro patrón. Además, introducir el hidrómetro y tomar lectura; siendo esta la corrección de cero, .

7. Mezclar el suelo y el agua en el cilindro de sedimentación tapando el lado abierto con la palma de la mano y girando el extremo superior hacia abajo y volviendo a la posición inicial durante 30 segundos. Cuando el cilindro está invertido, observar que no quede suelo pegado a la base.

8. Posar el cilindro de sedimentación en la mesa e insertar el hidrómetro. Tomar lectura del mismo a intervalos de 1, 2, 3 y 4 minutos sin retirar el hidrómetro (en lo posible). Tomar igualmente lectura con el termómetro.

9. Mezclar nuevamente la suspensión, insertar el hidrómetro y tomar otra vez lectura a intervalos de 1, 2, 3 y 4 minutos. Repetir tantas veces como sea necesario hasta obtener dos juegos de lecturas que coincidan a la unidad en cada una de las cuatro mediciones. Esta coincidencia solo es posible de lograr en suelos arcillosos.

10. Luego de tomar la lectura del intervalo de 4 minutos que coincide con otro juego de lecturas (si correspondiera), remover el hidrómetro, mezclar la suspensión y comenzar nuevamente


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(11-1)

el ensayo, pero sin tomar lectura antes de los 4 minutos. Tomar lecturas adicionales a los siguientes intervalos: 8, 15, 30 y 60 min, y a 2, 4, 8, 16, 32, 64 y 144 horas. A partir de los 8 min, insertar el hidrómetro antes de tomar lectura y retirarlo después. Nota: Los intervalos para tomar lecturas después de las 2 horas son

aproximados ya que cualquier intervalo suficientemente espaciado daría puntos satisfactoriamente dispersos en la gráfica.

11. Lavar el contenido del cilindro de sedimentación por el tamiz Nº 200. Con ayuda de un poco de agua, verter el material retenido en el tamiz en una bandeja y dejarlo sedimentar hasta que el agua en la parte superior sea transparente. Verter el agua de la parte superior y colocar la bandeja con el suelo y el sobrante de agua en la estufa. Al día siguiente pesar el residuo y tamizar por los tamices Nº 40 y 100, determinando las cantidades retenidas en cada uno de ellos.

CALCULOS

El método del hidrómetro se basa en establecer cuál es el tamaño de una partícula de suelo que comienza a sedimentar, dejando de estar en suspensión, en un determinado intervalo de tiempo y qué cantidad de partículas menores se encuentran en suspensión en ese momento.

1. CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LAS PARTÍCULAS El tamaño de una partícula de suelo que sedimenta se obtiene utilizando

la ley de Stokes, pudiendo resolver para el diámetro de la misma:

Donde:

: Es función de la temperatura de la solución y la gravedad específica de las partículas (ver Tabla 11-1).

: Representa la distancia de caída de una partícula en el intervalo de tiempo , siendo la profundidad efectiva, según la lectura en el hidrómetro 152H, en el tiempo en que se toma dicha lectura. Este valor se obtiene de la Tabla 11-2, cm.

: Intervalo de tiempo, seg.

Las lecturas del hidrómetro siempre se realizan en la parte superior del menisco, sumando luego a la lectura la corrección correspondiente.


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Tabla 11-1 – Valores de . (2)

Gravedad específica Temperatura, ºC 2.45 2.50 2.55 2.60 2.65 2.70 2.75 2.80 2.85

16 0.01510 0.01505 0.01481 0.01457 0.01435 0.01414 0.01394 0.01374 0.01356

17 0.01511 0.01486 0.01462 0.01439 0.01417 0.01396 0.01376 0.01356 0.01338

18 0.01492 0.01467 0.01443 0.01421 0.01399 0.01378 0.01359 0.01339 0.01321

19 0.01474 0.01449 0.01425 0.01403 0.01382 0.01361 0.01342 0.01323 0.01305

20 0.01456 0.01431 0.01408 0.01386 0.01365 0.01344 0.01325 0.01307 0.01289

21 0.01438 0.01414 0.01391 0.01369 0.01348 0.01328 0.01309 0.01291 0.01273

22 0.01421 0.01397 0.01374 0.01353 0.01332 0.01312 0.01294 0.01276 0.01258

23 0.01404 0.01381 0.01358 0.01337 0.01317 0.01297 0.01279 0.01261 0.01243

24 0.01388 0.01365 0.01342 0.01321 0.01301 0.01282 0.01264 0.01246 0.01229

25 0.01372 0.01349 0.01327 0.01306 0.01286 0.01267 0.01249 0.01232 0.01215

26 0.01357 0.01334 0.01312 0.01291 0.01272 0.01253 0.01235 0.01218 0.01201

27 0.01342 0.01319 0.01297 0.01277 0.01258 0.01239 0.01221 0.01204 0.01188

28 0.01327 0.01304 0.01283 0.01264 0.01244 0.01255 0.01208 0.01191 0.01175

29 0.01312 0.01290 0.01269 0.01249 0.01230 0.01212 0.01195 0.01178 0.01162

30 0.01298 0.01276 0.01256 0.01236 0.01217 0.01199 0.01182 0.01165 0.01149

Tabla 11-2 – Valores de la profundidad efectiva, . (2)

Lectura del hidrómetro corregida

por menisco

Profundidad efectiva, ,

cm


por menisco


cm


por menisco


cm

0 16.3 20 13.0 40 9.7 1 16.1 21 12.9 41 9.6 2 16.0 22 12.7 42 9.4 3 15.8 23 12.5 43 9.2 4 15.6 24 12.4 44 9.1 5 15.5 25 12.2 45 8.9 6 15.3 26 12.0 46 8.8 7 15.2 27 11.9 47 8.6 8 15.0 28 11.7 48 8.4 9 14.8 29 11.5 49 8.3

10 14.7 30 11.4 50 8.1 11 14.5 31 11.2 51 7.9 12 14.3 32 11.1 52 7.8 13 14.2 33 10.9 53 7.6 14 14.0 34 10.7 54 7.4 15 13.8 35 10.6 55 7.3 16 13.7 36 10.4 56 7.1 17 13.5 37 10.2 57 7.0 18 13.3 38 10.1 58 6.8 19 13.2 39 9.9 59 6.6 60 6.5


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(11-2)

(11-3)

2. CÁLCULO DEL PORCENTAJE PASANTE DE PARTÍCULAS En realidad, lo que se calcula aquí es la cantidad de partículas de suelo

de menor diámetro al calculado en el punto 1. que se encuentran en suspensión.

Donde:

: Gramos de suelo en suspensión en un tiempo dado (corregida para cero y temperatura).

: Peso de la muestra original colocada en suspensión en el cilindro. : Constante de corrección por gravedad específica.

El hidrómetro 152H proporciona en su lectura los gramos de suelo que

aún se encuentran en suspensión, por lo que el porcentaje más fino a un diámetro dado se encuentra en directa relación con esta lectura. Estos gramos de suelo en suspensión se leen directamente en el supuesto de que el suelo tiene una gravedad específica de 2.65 y el agua tiene una densidad de 1.00 gr/cm3, por lo que será necesario corregir la lectura del hidrómetro, ya que el dispersante y la temperatura tendrán efecto sobre la densidad del agua, y la gravedad específica de las partículas de suelo puede no ser 2.65.

La lectura corregida del hidrómetro para los gramos de suelo en suspensión es:

Donde: : Es el factor de corrección de cero, el cual corrige la lectura

por las impurezas y el agente dispersor presentes en el agua. Este se obtiene tomando la lectura del hidrómetro en el cilindro patrón preparado con agua de la misma fuente y con la misma cantidad de agente dispersor utilizado en la preparación del cilindro de sedimentación. El cilindro patrón debe estar a la misma temperatura que el cilindro de sedimentación. Recordar que todas las lecturas se deben tomar desde la parte superior del menisco en ambos cilindros.

: Es el factor de corrección por temperatura, el cual se obtiene de la Tabla 11-3.

Si la gravedad específica del suelo no es 2.65 se corrige el porcentaje de

suelo en suspensión con una constante que se obtiene de la Tabla 11-4.


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Tabla 11-3 – Factor de corrección por temperatura, . (3)

Temperatura ºC

Temperatura ºC

15 -1.10 23 +0.70

16 -0.90 24 +1.00

17 -0.70 25 +1.30

18 -0.50 26 +1.65

19 -0.30 27 +2.00

20 0.00 28 +2.50

21 +0.20 29 +3.05

22 +0.40 30 +3.80

Tabla 11-4 – Factor de corrección por gravedad específica. (2)

Gravedad específica

Factor de corrección

2.95 0.94

2.9 0.95

2.85 0.96

2.80 0.97

2.75 0.98

2.70 0.99

2.65 1.00

2.60 1.01

2.55 1.02

2.50 1.03

2.45 1.05

Una vez obtenida la lectura en el hidrómetro, corregida para cero,

temperatura y gravedad específica, de los gramos de suelo en suspensión, se puede obtener el porcentaje de partículas menores al diámetro calculado según la ecuación 11-2 que se encuentran en suspensión, respecto al suelo seco inicial.

3. PASOS 3.1. Hacer la corrección por menisco a las lecturas del hidrómetro y

obtener de la Tabla 11-2 el valor de . Si la gravedad específica de las partículas de suelo, , no es conocida, se deberá ensayar la misma. Con y la temperatura de la solución para cada lectura entrar a la Tabla 11-1 para obtener el valor de . Con los valores de , y el tiempo, , para cada lectura, calcular el valor del diámetro de la partícula, .


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3.2. Calcular el valor corregido de lectura del hidrómetro, , sumando o restando según sea el caso el factor de corrección de cero, , y la corrección por temperatura, , de la Tabla 11-3. Luego calcular la ecuación 11-2 para obtener el porcentaje de material más fino que el diámetro, , en suspensión.

3.3. Determinar las cantidades de material retenidas en los tamices Nº 40, 100 y 200, según los ensayos Nº7 y Nº10.

3.4. Se debe realizar un gráfico en cuya ordenada se coloca el porcentaje de las partículas más finas en suspensión y en la abscisa el diámetro de la partícula (en escala logarítmica).

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