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El ensayo granulométrico por hidrómetro

El ensayo granulométrico por hidrómetro es fundamental para estimar la distribución de tamaños de partículas pasantes por el tamiz #200. A partir de esta prueba, es posible determinar la proporción de limos y arcillas en una muestra de suelo, información de suma importancia para predecir el comportamiento del terreno ¿Quieres aprender más sobre los fundamentos de este ensayo y su aplicación en la Ingeniería Geotécnica? Continúa leyendo este post…

Contenido

Fundamentos del ensayo granulométrico por hidrómetro

Puesto que el análisis granulométrico mediante tamizado resulta impráctico para partículas de tamaños inferiores a 0,076 mm (correspondiente a la abertura del tamiz #200), para suelos finos puede emplearse el ensayo de hidrometría.

 

En el análisis hidrométrico, una muestra de suelo es dispersada en agua, y posteriormente se deja la solución en reposo, de manera que las partículas de suelo sedimenten individualmente. Desde el punto de vista práctico, se asume que las partículas son esféricas, y que el proceso sigue la Ley de Stokes.

Figura 1 La Ley de Stokes

Dicha ley, enunciada hacia 1850, establece que existe una relación directa entre la velocidad de sedimentación de una partícula en un fluido y el tamaño de la partícula. Adaptando este principio a la Mecánica de Suelos, esto significa que la velocidad de sedimentación de las partículas sólidas de una muestra de suelo es directamente proporcional a su tamaño, y que a medida que pase el tiempo, las partículas más grandes sedimentarán más rápidamente que las de menor tamaño. En base a lo anterior, es posible obtener el valor de cierto diámetro equivalente de una esfera, cuya gravedad específica es la misma que la de las partículas de suelo cuya distribución granulométrica se está analizando, durante un proceso de sedimentación.

 

El hidrómetro es un instrumento de medición, desarrollado a partir de las investigaciones del químico británico William Nicholson a finales del siglo XVIII, con el cual es posible medir la concentración de una suspensión suelo-agua a cierta profundidad L. Así, es posible estimar el diámetro de las partículas que se asentaron por debajo de L en un tiempo t desde el inicio de la prueba, a partir de la Ley de Stokes antes mencionada.

 

Básicamente, el ensayo hidrométrico consiste en preparar 1.000 mL de una solución de aproximadamente 50 g de material pasante por el tamiz #40, agitarla (de manera de alcanzar cierta homogeneización), y posteriormente dejarla reposar para que se produzca la sedimentación de las partículas. Durante este proceso, se toman lecturas con el hidrómetro a diferentes tiempos (usualmente a los 15 s, 30 s, 1 min, 2 min, 4 min, 15 min, 30 min, 1 h, 2 hs, 4 hs, 8 hs, 16 hs, y 24 hs), y posteriormente se efectúan los cálculos correspondientes, siguiendo los principios antes mencionados. En la Figura 2 se ilustra el proceso brevemente descrito hasta aquí.

Figura 2 Fundamentos del ensayo de hidrometría

Resulta oportuno mencionar que en el laboratorio de Mecánica de Suelos se emplea el hidrómetro ASTM 152 H. Asimismo, a fin de limitar la formación de flóculos entre las partículas de suelo, se agrega a la solución un agente dispersivo, usualmente hexametafosfato de sodio. De esta manera, se analizará la distribución de tamaños de manera mucho más precisa.

 

Desde el punto de vista normativo, los estándares ASTM D-422 y AASTHO T-88 incluyen el procedimiento detallado de este ensayo, por lo que resultaría oportuno revisarlos.

Lecturas y correcciones

Como se mencionó anteriormente, en Mecánica de Suelos se emplea el hidrómetro ASTM 152 H, el cual es calibrado a 60 lecturas, a una temperatura de 20˚C, para un suelo con Gs = 2,65. Pero, ¿qué significa la lectura que se toma en un hidrómetro durante el ensayo?

 

Tal como se indicó en el apartado anterior, un hidrómetro permite medir la concentración de cierta solución. Así, una lectura de, por ejemplo, “30” en el hidrómetro (R = 30), significa que en un tiempo “t” hay 30 gr de suelo sólido con Gs = 2,65 en suspensión por cada 1.000 mL de una suspensión suelo-agua, a una temperatura de 20˚C, y a una profundidad “L” a la cual se efectuó la medición.

 

Dado que la mayoría de los suelos presentan gravedades específicas diferentes a 2,65; y a que la temperatura del ensayo usualmente es superior a 20C en la mayoría de los laboratorios, es necesario efectuar correcciones sobre las lecturas realizadas.

 

La corrección asociada a la gravedad específica se realiza durante la estimación del diámetro “D”, según se muestra en la Figura 2, puesto que el factor “K” depende de la gravedad específica (Gs); mientras que la corrección por temperatura tiene como objeto considerar los efectos de contracción y dilatación de los instrumentos de medición y ensayo (que son de vidrio).

 

Otras dos correcciones que se realizan durante el ensayo son: la corrección por defloculante (debido a que, al introducirse en la solución altera la densidad de la misma), y por menisco, la cual tiene que ver con la dificultad de leer la escala del hidrómetro correctamente, dada la turbidez de la solución suelo-agua. La Figura 3 ilustra las correcciones antes mencionadas, incluyendo las expresiones y valores típicos de cada una.

Figura 3 Correcciones durante el ensayo de hidrometría. En la figura CT = factor de corrección por temperatura; CM = factor de corrección por menisco; CD = factor de corrección por defloculante; R = lectura tomada en la escala del hidrómetro.

 

A fin de obtener resultados válidos durante el ensayo, es fundamental efectuar las correcciones antes mencionadas de manera precisa.

Coeficientes de uniformidad y curvatura

Una vez completa la información sobre la distribución granulométrica de cierta muestra de suelo, en base a los ensayos de granulometría por tamizado e hidrómetro, es posible analizar la curva resultante, y determinar dos parámetros de suma importancia para la caracterización del terreno: el coeficiente de uniformidad (cu) y el coeficiente de curvatura (cc). La Figura 4 ilustra cómo determinar cada uno.

Figura 4 Coeficientes de uniformidad y curvatura

Estos dos parámetros son empleados en el Sistema Unificado de Clasificación del Suelos (SUCS), que es el sistema de clasificación más ampliamente empleado alrededor del mundo en proyectos geotécnicos. De estos dos coeficientes, el de más fácil interpretación (y posiblemente el de mayor utilidad práctica) es el coeficiente de uniformidad.

 

Al relacionar los tamaños de grano d60 y d10, que se definen como se muestra en Figura 4, permiten determinar qué tan amplia es la curva y, por ende, qué tan amplia es la distribución de tamaños de partículas en la muestra.

 

Así, cuanto mayor es cu, más tamaños tiene la muestra, es decir, que es un suelo bien gradado. Si cu = 1, significa que d60 y d10 son iguales, por lo que se tendría una muestra con un único tamaño de grano (por supuesto, tal muestra no existe, pero es bueno imaginarlo para comprender el concepto).

 

Es importante tomar en cuenta que la escala de las abscisas es logarítmica en toda curva granulométrica. Esto es algo que nos permite tener una idea de la enorme variación de tamaños que puede tener una muestra de suelo: desde partículas de hasta 4” (gravas), hasta partículas que no pueden ser observadas a simple vista, como las arcillas y algunos limos.

 

Con esto cerramos este post sobre el ensayo de granulometría por hidrómetro. Es conveniente revisar las referencias que se muestran abajo, a fin de complementar la información aquí descrita.

Referencias

  • Das, B. (2002) “Soil Mechanics Laboratory Manual”. Fifth Edition. Engineering Press, Inc. California, USA.
  • Head, K. (1980) “Manual of Soil Laboratory Testing – Volume 1: Soil Classification and Compaction Tests”. Pentech Press. London, UK.
  • Mitchell, J.K. & Soga, K. (2005) “Fundamentals of Soil Behavior”. Third Edition. John Wiley & Sons, Inc. New Jersey, USA.

 

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