08. Prueba de papel filtro

Práctica No.8 Determinación de la succión por el método del papel filtro.

OBJETIVO: El alumno conocerá y desarrollará el procedimiento existente para evaluar la succión de un suelo mediante la técnica del papel filtro. OBJETIVO ESPECÍFICO: El alumno conocerá y desarrollará el procedimiento del papel filtro para evaluar la succión total en un suelo. GENERALIDADES: La succión de un suelo es una medida de la energía libre del agua en los poros del suelo, en términos prácticos es una medida de la afinidad del suelo para retener agua y está relacionada con el contenido de agua del suelo a través de la curva característica agua-suelo también llamada curva de retención como la mostrada en la figura 8.1 (Hillel, 1971). Existen tres tipos principales de succión (Hillel, 1971): Succión mátrica. Es la diferencia de presión que hay a través de una membrana que separa una solución de suelo in situ de la misma solución pero suelta. La membrana será permeable para la solución, pero no para las partículas sólidas o el aire.

Figura 8.1 Curva de retención (Hillel 1971)

Succión osmótica. Es la diferencia de presión que hay a través de una membrana semipermeable que separa la mayoría de las fases del agua libre y la solución de suelo. Influye principalmente la composición mineralógica y la concentración de sales en este tipo de succión.

Succión total. Es la suma de la succión mátrica y la osmótica. También se define como la diferencia de presión a través de una membrana semipermeable que separa al agua pura del suelo que contiene solución. Lo anterior se puede expresar de la siguiente forma: h = h m

+ h s

(8.1)

H = Succión total de un suelo (kPa). Hm = Succión mátrica de un suelo (kPa). Hs = Succión osmótica de un suelo (kPa).

Mediciones de succión pueden ser usadas junto con otros parámetros del suelo y parámetros ambientales para evaluar los procesos hidrológicos y el potencial de expansión EDGAR BERNARDO OLVERA RODRÍGUEZ FACULTAD DE INGENIERÍA U.A.Q.

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o contracción, resistencia al esfuerzo cortante, módulos esfuerzo-deformación, esfuerzos in situ y conductividad hidráulica de suelos no saturados (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). Este método de laboratorio expone al papel filtro como un sensor pasivo para evaluar la succión mátrica y la succión total. Este método controla las variables para la medición del contenido de agua del papel filtro que esta en contacto directo con el suelo o en equilibrio con la presión parcial del vapor de agua existente en el aire de un contenedor hermético en cuyo interior se encuentre un espécimen de suelo. El papel filtro se coloca dentro del contenedor hermético junto con el espécimen de suelo hasta que se establezca un equilibrio de la humedad; esto es, que la presión parcial del vapor de agua en el aire está en equilibrio con la presión del vapor del agua del poro en el espécimen de suelo (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). Para la realización de este método deberá utilizarse papel filtro calibrado para la correcta evaluación de la succión. Los valores en unidades del SI son los más utilizados y considerados como estándar. Las unidades pulgada-libra son aproximadas. El método del papel filtro para evaluar la succión es simple y económico en un rango desde 10 hasta 100 000 kPa (0.1 hasta 1000 bares), además ofrece la ventaja de poder evaluar tanto succión mátrica como succión total, esta última se encuentra principalmente compuesta por la succión mátrica y la osmótica (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). EQUIPO:

- Papel filtro, Schleicher and Shuell no. 589 ó Whatman no. 42. - Contenedor del espécimen con tapa y capacidad de 120 a 240 ml de metal o vidrio. - Dos contenedores metálicos de aluminio con capacidad de 70 ml. - Hielera para 5 flaneras (30 x 30 x 50 cm). - Báscula con precisión de 0.0001 g para pesar papel. - Báscula con precisión de 0.01 g para pesar flanera y muestra. - Horno de secado. - Bloque metálico de al menos 500 g de masa con superficie plana. - Termómetro con precisión de máximos y mínimos. - 2 Pinzas de al menos 110 mm de longitud. - Navaja.

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- Cinta de aislar. - O-rings o alambre para sostener el papel filtro. - Tijeras. - Papel parafilm. - Desecador con gel de sílica o sulfato de calcio anhídrido (diorita). - Guantes de látex. - Varios. Cuchillos, franela. PROCEDIMIENTO: Etapas significativas: 1. Preparación del papel filtro. 2. Calibración del papel filtro. 3. Determinación de la succión total. Antes de comenzar recuerde utilizar el anexo 1 al final de este manual para determinar la precisión de la báscula necesaria. Preparación del papel filtro. Antes de comenzar a manipular el papel filtro, deben de protegerse las manos con los guantes de látex, posteriormente se procede a realizar el corte del papel filtro en círculos de 5.5 cm de diámetro (ver figura 8.2). Se debe tener especial cuidado en no marcar con lápiz o plumón, ni perforar los papeles filtro al momento del cortado, por lo que no deberá usarse compás (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). Se secan los papeles filtros seleccionados para la prueba al menos 16 horas o toda la noche en el horno de secado a 110° C Figura 8.2 Cortar el papel filtro en círculos de 5.5 cm de diámetro. +/- 5° C, para después colocar el papel filtro en un desecador con sílica. El papel filtro puede ser tratado sumergiendo cada papel en una concentración al 2% de pentaclorafenol diluido en metanol antes de usarse para prevenir el crecimiento de organismos o descomposición biológica del papel filtro. La descomposición biológica puede ser significativa cuando el papel filtro esta sujeto a humedad, en un ambiente cálido por más de 14 días (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América).

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Calibración del papel filtro. Antes de comenzar la calibración se preparan varias soluciones de succión conocida compuestas de agua destilada y de cloruro de sodio o potasio. Se pueden elaborar las soluciones con la ayuda de tablas críticas estándar para evaluar la humedad relativa del agua en equilibrio con solución de sal como se ilustra en la siguiente tabla 8.1. Tabla 8.1 Concentraciones de soluciones de sal para evaluar la succión del suelo (ASTM D 5298-94, 1994). Succión kPa

20° C Log kPa

pF

atm

Rh

gNaCl

gKCl

En 1000 ml de agua

En 1000 ml de agua

1.3

1.7

-98

1.99

3.0

-0.97

0.99927

-310

2.49

3.5

-3.02

0.99774

3.8

5.3

-980

2.99

4.0

-9.68

0.99278

13.1

17.0

-3099

3.49

4.5

-30.19

0.97764

39.0

52.7

-9800

3.99

5.0

-96.77

0.93008

122.5

165

Se deben preparar diferentes soluciones a diferentes concentraciones para poder ensayar varios papeles filtro simultáneamente, obtener sus distintas humedades y así poder evaluar el rango de medición del papel filtro. En la tabla 8.1 se muestran 5 diferentes concentraciones de solución; para preparar soluciones con concentraciones intermedias a las anteriores se debe realizar una interpolación (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). Una vez preparadas las soluciones a diferentes concentraciones, se procede a colocar dichas soluciones de agua destilada dentro del contenedor de vidrio. Estos contenedores deberán tener por lo menos 50 cm3 de solución en su interior (ASTM D 529894, Estados Unidos de América). Se retiran dos papeles filtro del desecador (ya tratado con pentaclorofenol si se realizó el tratamiento) con ayuda de las pinzas y se colocan inmediatamente sobre la solución que se encuentra dentro del contenedor (ver figura 8.3), pero aislándolos de la misma con una canastilla de alambre, un O-ring, u otro elemento inerte con un área superficial mínima entre el papel filtro y la solución. El papel filtro debe tomarse con pinzas y usar guantes para toda su manipulación. Las orillas del papel filtro deberán estar un poco suspendidas para facilitar su remoción del contenedor con el uso de las pinzas después de haberse logrado el equilibrio (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). Se coloca en su lugar la tapa del contenedor y se sella con una capa de cinta de aislar. Después se coloca el contenedor en una caja aislada térmicamente y se introduce en un

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Figura 8.3 Colocación de papeles filtro sobre solución de agua destilada y NaCl

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cuarto de temperatura controlada, con variaciones de temperatura menores de 3° C. Una temperatura típica nominal es de 20° C. Debe permitirse el equilibrio entre la succión del papel y la solución dentro del contenedor por un mínimo de 7 días (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). Después se deberá pesar el contenedor metálico para el papel filtro con una precisión de 0.0001 g poco antes de que termine el periodo de equilibrio, designándole a este peso Tc y que corresponde al contenedor frío (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). Al final del periodo de equilibrio, coloque cada uno de los papeles filtro en el contenedor metálico previamente pesado (ver figura 8.4). Utilizando un par de pinzas, se transfiere cada papel filtro del contenedor al contenedor metálico de masa predeterminada (Tc), este proceso entero debe ser completado de 3 a 5 segundos, después se sella el contenedor. La clave para medir exitosamente el contenido de agua del papel filtro está en minimizar la pérdida de humedad durante la transferencia de papel filtro del contenedor y durante la determinación de su masa antes de introducirlo al horno de secado. Se han observado pérdidas en peso de 5% o más debido a la evaporación durante un lapso de 5 a 10 segundos cuando se expone el papel filtro en un cuarto con una humedad relativa (R h) de 30 a 50% (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). Posteriormente se determina la masa M1 del contenedor metálico frío con el papel filtro húmedo con una precisión de 0.0001 g, después se coloca el contenedor dentro del horno a una temperatura de 110° C +/- 5° C con la tapa ligeramente abierta para que el papel filtro pierda toda su humedad (ver figura 8.5). Repetir este procedimiento para el segundo papel filtro utilizando otro contenedor metálico. Figura 8.4 Colocación de papel filtro dentro del contenedor metálico

Figura 8.5 Poner contenedor metálico en el horno a 110° C +/- 5° C.

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Los contenedores deberán permanecer en el horno por un mínimo de 2 horas. Después de este tiempo mínimo, selle y deje los contenedores al horno por lo menos 15 minutos para permitir el equilibrio de temperatura. Saque el contenedor metálico con el papel filtro del horno y después determine la masa total M2 del contenedor metálico caliente con el papel filtro seco con una precisión de 0.0001 g, 90

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inmediatamente saque los papeles filtro y redetermine la masa del contenedor que ha contenido el papel filtro o masa caliente Th con precisión de 0.0001 g. Repetir este procedimiento para contenedores adicionales. Los contenedores metálicos del papel filtro deberán ser colocados en un bloque metálico aproximadamente 30 segundos antes de pesarlos para enfriarlo, ya que dicho bloque reduce las variaciones de temperatura durante la determinación de la masa (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). Una vez que las masas M2 y Th han sido determinadas, deseche los papeles filtro. Bajo ninguna circunstancia deberá reutilizarse papeles filtro secados al horno en concordancia a este estándar de prueba (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). Se calcula la humedad del papel filtro a partir de los datos obtenidos durante la calibración, mediante la siguiente expresión (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América): M

f

= M

2

− Th

(8.2) M ω =(M 1 − Tc

) −(M 2

− Th

)

(8.3)

Donde: Mf = Masa del papel filtro seco (g). M1= Masa del contenedor con el papel filtro previo al secado (g). M2 = Masa del contenedor con el papel filtro seco (g). Th = Masa de contenedor caliente (g). Mω = Masa de agua en el papel filtro (g). Tc = Masa del contenedor frío (g).

El contenido de agua (ω f) del papel filtro, expresado en porcentaje (%), se obtiene con la siguiente expresión (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América): ω f = 100

Mω Mf

(8.3)

Finalmente realizar la curva de calibración del papel filtro graficando en el eje horizontal de las “x” el contenido de agua de los papeles filtro; y en el eje vertical de las “y” se grafica el valor correspondiente de succión para cada uno de los papeles filtro. Con fines prácticos la prueba puede reducirse a determinar la succión con papel filtro de calibración conocida. Se pueden utilizar gráficos como el que se muestra en la figura 8.6 para determinar el contenido de agua del papel filtro.

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Determinación de la succión total. Obtención de la succión total. Antes de comenzar a manipular el papel filtro, deben de protegerse las manos con los guantes de látex, posteriormente se procede a realizar el corte del papel filtro en círculos de 5.5 cm de diámetro (ver figura 8.7). Se debe tener especial cuidado en no marcar con lápiz o plumón, ni perforar los papeles filtro al momento del cortado, por lo que no deberá

Figura 8.6 Curvas de calibración de dos papeles filtro para determinar la succión de un suelo (Fredlund and Rahardjo, 1993).

usarse compás. Se secan los papeles filtros seleccionados para la prueba al menos 16 horas o toda la noche en el horno de secado a 110° C +/- 5° C, para después colocar el papel filtro en un desecador con sílica. El papel filtro puede ser tratado sumergiendo cada papel en una concentración al 2% de pentaclorafenol diluido en metanol antes de usarse para prevenir el crecimiento de organismos o descomposición biológica del papel filtro. La descomposición biológica puede ser significativa cuando el papel filtro esta sujeto a humedad, en un ambiente cálido por más de 14 días (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). Coloque una muestra de suelo inalterado o fragmentos de suelo dentro del contenedor de vidrio. El espécimen de suelo deberá llenar lo mejor posible el contenedor para reducir el

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Figura 8.7 Cortar el papel filtro en círculos de 5.5 cm de diámetro.

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tiempo de equilibrio y minimizar los cambios de succión en el suelo (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). Se retiran dos papeles filtro del desecador (ya tratado con pentaclorofenol si se realizó el tratamiento) y se colocan inmediatamente sobre el espécimen que se encuentra dentro del contenedor, pero aislándolos del mismo con una canastilla de alambre, un Oring, u otro elemento inerte con un área superficial mínima entre el papel filtro y el suelo (ver figura 8.8).

papel debe tomarse pinzas y guantes toda su

El filtro con usar para Figura 8.8 Colocación de papel filtro sobre muestra de suelo.

manipulación. Las orillas del papel filtro deberán estar un poco suspendidas para facilitar su remoción del contenedor con el uso de las pinzas después de haberse logrado el equilibrio (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). Se coloca en su lugar la tapa del contenedor y se sella con una capa de cinta de aislar. Después se coloca el contenedor en una caja aislada térmicamente y se introduce en un cuarto de temperatura controlada, con variaciones de temperatura menores de 3° C. Una temperatura típica nominal es de 20° C. Debe permitirse el equilibrio entre la succión del papel y el espécimen de suelo dentro del contenedor por un mínimo de 7 días (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). Después se deberá pesar el contenedor metálico para el papel filtro con una precisión de 0.0001 g poco antes de que termine el periodo de equilibrio, designándole a este peso Tc y que corresponde al contenedor metálico frío. Se sugiere que el peso del contenedor para papel filtro se determine inmediatamente antes de determinar la masa total del papel filtro y del contenedor (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América).

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Al final del periodo de equilibrio, coloque cada uno de los papeles filtro en el contenedor metálico previamente pesado (ver figura 8.9). Utilizando un par de pinzas, se transfiere cada papel filtro del contenedor al contenedor metálico de masa predeterminada (Tc), este proceso entero debe ser completado de 3 a 5 segundos, después se sella el contenedor. La clave para medir exitosamente el contenido de agua del papel filtro esta en minimizar la perdida de humedad durante la transferencia de papel filtro del contenedor y durante la determinación de su masa antes de introducirlo al horno de secado. Se han Figura 8.9 Colocación de papel filtro dentro del contenedor observado pérdidas en peso de 5% o más metálico debido a la evaporación durante un lapso de 5 a 10 segundos cuando se expone el papel filtro en un cuarto con una humedad relativa (Rh) de 30 a 50% (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). Posteriormente se determina la masa M1 del contenedor metálico frío con el papel filtro húmedo con una precisión de 0.0001 g, después se coloca el contenedor dentro del horno a una temperatura de 110° C +/- 5° C con la tapa ligeramente abierta para que el papel filtro pierda toda su humedad (ver figura 8.10). Repetir este procedimiento para el segundo papel filtro utilizando otro contenedor metálico (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). Los contenedores deberán permanecer en el horno por un mínimo de 2 horas. Después de este tiempo mínimo, selle y deje los contenedores al horno por lo menos 15 minutos para permitir el equilibrio de temperatura. Saque el contenedor metálico con el papel filtro del horno y después determine la masa total M2 Figura 8.10 Poner contenedor metálico en el horno a 110° C +/- 5° C. del contenedor metálico caliente con el papel filtro seco con una precisión de 0.0001 g, inmediatamente saque los papeles filtro y redetermine la masa del contenedor que ha contenido el papel filtro o masa caliente Th con precisión de 0.0001 g. Repetir este procedimiento para contenedores adicionales. Los contenedores metálicos del papel filtro deberán ser colocados en un bloque metálico aproximadamente 30 segundos antes de pesarlos para enfriarlo, ya que dicho bloque reduce las variaciones de temperatura durante la determinación de la masa (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América).

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Una vez que las masas M2 y Th han sido determinadas, deseche los papeles filtro. Bajo ninguna circunstancia deberá reutilizarse papeles filtro secados al horno en concordancia a este estándar de prueba (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América). RESULTADOS: Se calcula la humedad del papel filtro a partir de los datos obtenidos mediante la siguiente expresión (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América): M

f

= M

2

− Th

(8.2) M ω =(M 1 − Tc

) −(M 2

− Th

)

(8.3)

Donde: Mf = Masa del papel filtro seco, g. M1= Masa del contenedor con el papel filtro previo al secado, g. M2 = Masa del contenedor con el papel filtro seco, g. Th = Masa de contenedor caliente, g. Mω = Masa de agua en el papel filtro, g. Tc = Masa del contenedor frío, g.

El contenido de agua (ω f) del papel filtro, expresado en porcentaje, se obtiene con la siguiente expresión (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América): ω f = 100

Mω Mf

(8.4)

Se puede convertir el contenido de agua del papel filtro, ω f, a un valor de succión por medio de la curva de calibración de referencia o calcular la succión a partir de (ASTM D 5298-94, Estados Unidos de América): h = mω + b f

(8.5)

Donde: h = es la succión total (kPa). m = es la pendiente de la curva de calibración del papel filtro (kPa/%). b = es la intersección de la curva de calibración del papel filtro (kPa).

Todos los datos deberán irse registrando en el formato 8.1 de esta práctica para posteriormente realizar los cálculos necesarios. El formato 8.1 es una hoja de datos para evaluar la succión del suelo usando el papel filtro. Es recomendable apoyarse en ella para realizar los cálculos. Los resultados de la prueba deberán ser descartados si la diferencia de succión entre los dos papeles filtro excede de 0.5 log kPa. EDGAR BERNARDO OLVERA RODRÍGUEZ FACULTAD DE INGENIERÍA U.A.Q.

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Reportar el contenido de agua del suelo correspondiente a la succión total del suelo, temperatura de medición y tiempo de equilibrio, del papel filtro y el peso específico seco del suelo.

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REFERENCIAS:

ASTM D 5298-94. Standard Test Method for Measurement of Soil Potencial (Suction) Using Filter Paper.

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Estados Unidos, 1994 Fredlund and Rahardjo. Soil Mechanics for Unsaturated Soils. Editorial John Wiley. 1993. Hillel, Daniel. Soil and Water. Physical Principles and Processes. Academic Press. Israel, 1971.

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