Densimetro Nuclear[1]

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MECANICA DE SUELOS DENSIMETRO NUCLEAR

ALUMNOS: DÁVILA C JUANGREGORIO MAMANI ESPILCO ISABEL

INDICE INTRODUCCIÓN

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1. OBJETIVOS

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2. MARCO TEORICO

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2.1. DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD IN SITU 2.2. METODOS 3.

2.2.1. METODO CONO DE ARENA 2.2.2. DENSÍMETRO NUCLEAR EQUIPO DENSIMETRO NUCLEAR 3.1. DEFINICIÓN 3.2. PARTES Y ACCESORIOS 3.3. FUNCIONAMIENTO 3.4. CARACTERÍSTICAS 3.5. TIPOS DE MEDICIONES CON DENSÍMETRO NUCLEAR: 3.6. TIPOS DE FUENTES RADIOACTIVAS 3.7. PRINCIPALES MARCAS 3.8. NORMAS

4. CORRELACIÓN ENTRE DENSÍMETRO NUCLEAR Y CONO DE ARENA 4.1. ANÁLISIS DE LOS SUELOS ESTUDIADOS 4.2.

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18 ANÁLISIS DE RESULTADOS 20

5. ASPECTOS DE SEGURIDAD EN EL USO DE DENSÍMETROS NUCLEARES

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6. CONCLUSIONES

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7. BIBLIOGRAFÍA

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INTRODUCCION

La compactación de un material mediante medios mecánicos es también llamada densificación, en este proceso la densidad se podrá incrementar al disminuir el volumen de vacíos por lo mismo disminuiría el volumen del material sin disminuir el contenido de humedad.

Existen diferentes procedimientos, entre ellos el densímetro de Washington y el método del cono de arena , el Método del Balón de goma, el de los Bloques, y EL DENSIMETRO NUCLEAR que además de ser muy práctico en su uso y ser un método no detructivo

se debe tener un especial cuidado en su manipulación por ser una fuente

radioactiva .

El poder conocer la densidad que posee un suelo en terreno o en su estado natural, ha sido un gran reto para los investigadores de mecánica de suelos y científicos del área en general. Se realiza esta determinación para comprobar el grado de compactación en rellenos compactados artificialmente.

En la década de los años 50 se empezaron a utilizar equipos nucleares para determinar la humedad y densidad de los suelos y la densidad de los productos bituminosos. Los resultados en principio no fueron muy brillantes, dado que los márgenes de error eran del +/-15%, a causa de la composición química de los materiales de ensayo. Ante esta situación, se diseñó equipos que utilizaban la técnica de transmisión directa para los suelos, y la retrodispersión con los betunes, reduciendo los errores de esta forma hasta un +/-1,0%, en determinaciones de humedades y densidades.

Estos equipos empezaron a utilizarse por las empresas de construcción y de carreteras en todo el mundo, llegando incluso a convertirse en el método estándard de ensayo de la American Society for Testing and Material (ASTM).

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Al cambiar la política viaria, se produjo un aumento importante en la utilización de recubrimientos de hormigón asfáltico, de espesores comprendidos entre 2,5 y 6,3 centímetros. Los equipos nucleares existentes promediaban el valor de la densidad de una capa de espesor comprendido entre 7,5 y 10 centímetros, lo que les incapacitaba de ser utilizados con precisión en estos tipos recubrimientos a causa de la influencia del material subyacente. Sin embargo los fabricantes desarrollaron un equipo nuclear capaz de medir con precisión y sin influencias, la densidad en recubrimientos superficiales delgados y hasta de 12 pulgas, además posee una vida media de más de 30 años.

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DENSÍMETRO NUCLEAR

1. OBJETIVOS 1. El uso de este equipo para desarrollar el

método de ensayo para determinar el peso unitario (densidad) de los suelos en el terreno. 2. Aprender a determinar este cálculo en campo y saber cuales son ventajas y desventajas en la aplicación al diseño o construcción. 3. Tomar decisiones de acuerdo a tipos de de información que se obtengan en estos laboratorios para adquirir experiencia cuando se este realizando una obra de gran magnitud. 4. El empleo de este aparato como una herramienta muy útil y agil, siempre y cuando se tomen las medidas de seguridad para su práctica.

2. MARCO TEORICO El ensayo que se realiza con el Densímetro nuclear permite obtener la densidad de terreno y así verificar los resultados obtenidos en faenas de compactación de suelos, en las que existen especificaciones en cuanto a la humedad y la densidad. Tanto el método del cono de arena como el del balón de caucho también son aplicables en suelos cuyos tamaños de partículas sean menores a 50 mm. y utilizan los mismos principios, o sea, obtener el peso del suelo húmedo (P hum) de una pequeña perforación hecha sobre la superficie del terreno y generalmente del espesor de la capa compactada. Obtenido el volumen de dicho agujero (Vol. Exc), la densidad del suelo estará dada por la siguiente expresión: g hum = P hum / Vol. Exc ( grs/cc ) Si se determina luego el contenido de humedad (w) del material extraído, el peso unitario seco será: g seco = ghum / ( 1 + w ) ( grs/cc )

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. 2.1 DETERMINACION DE LA DENSIDAD IN SITU 2.2 METODOS 2.2.1. Método del cono de arena .- Es el método lejos más utilizado. Representa una forma indirecta de obtener el volumen del agujero utilizando para ello, una arena estandarizada compuesta por partículas cuarzosas, sanas, no cementadas, de granulometría redondeada y comprendida entre las mallas Nº 10 ASTM (2,0 mm.) y Nº 35 ASTM (0,5 mm.). 2.2.2. Método con densímetro nuclear.- La determinación de la densidad total ó densidad húmeda a través de este método, está basada en la interacción de los rayos gamma provenientes de una fuente radiactiva y los electrones de las órbitas exteriores de los átomos del suelo, la cual es captada por un detector gamma situado a corta distancia de la fuente emisora, sobre, dentro o adyacente al material a medir. Como el número de electrones presente por unidad de volumen de suelo es proporcional a la densidad de éste, es posible correlacionar el número relativo de rayos gamma dispersos con el número de rayos detectados por unidad de tiempo, el cual es inversamente proporcional a la densidad húmeda del material. La lectura de la intensidad de la radiación, es convertida a medida de densidad húmeda por medio de una curva de calibración apropiada del equipo.

Existen tres formas para hacer las determinaciones, retrodispersión, transmisión directa y colchón de aire, entregando resultados satisfactorios en espesores aproximados de 50 a 300 mm.

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Estos métodos son útiles como técnicas rápidas no destructivas siempre y cuando el material bajo ensaye sea homogéneo. - Calibración del equipo. - Curvas de calibrado. Estas se establecen determinando la razón de conteo nuclear de cada uno de varios materiales de densidades conocidas, trazando la razón de conteo contra densidad y ajustando una curva a través de los puntos resultantes. El método usado para establecer la curva, es el mismo que se usa para determinar la densidad in situ. La densidad de los materiales usados para establecer la curva (como por ejemplo bloques de granito, aluminio, magnesio, caliza, etc.), deben ser uniformes y variar dentro de un rango de densidades que incluya la del suelo a medir.

Figura 2.13. Métodos de ensayo. Fuente: Manual de compactación CAT., 1990. Las curvas de calibración deberán chequearse si el equipo esta recién adquirido o si los resultados de los ensayos de rutina se estiman que sean inexactos. Si se utiliza el método del cono de arena para chequear la curva de calibración, se compara el

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promedio de por lo menos 5 mediciones con el instrumento nuclear y una con el cono de arena en exactamente la misma posición en terreno. Si la densidad de cada uno de los ensayes de comparación determinados por el cono de arena varía menos de 0,08 grs/cc de la densidad determinada por el instrumento nuclear y si el promedio de los ensayes del cono de arena difiere menos de 0,032 grs/cc del promedio de las mediciones nucleares, no es necesario hacer ajustes a la curva de calibración. Por el contrario, si el promedio de las determinaciones de densidad por el cono de arena esta a más de 0,032 grs/cc por sobre ó bajo del promedio de las mediciones nucleares, los ensayes siguientes deben ser ajustados en el monto de la diferencia de los promedios, trazando así una curva de calibración corregida, que será paralela a la original. - Precisión. La precisión (P) del sistema esta determinada por la gradiente de la curva de calibración y la desviación standard de los rayos gamma detectados en cuentas por minuto (CPM), mediante la siguiente expresión: P = S / m; donde: S = desviación normal (CPM) m = gradiente (CPM/kgs/m3) Se determina la pendiente de la curva de calibración en el punto 1760 kgs/m3 en CPM por kgs. por m3. Luego se determina la desviación normal de 10 lecturas repetitivas de 1 minuto, cada una tomadas en un mismo punto, en un material que tenga una densidad de 1760  80 kgs/m3. Si el valor resultante (P) es menor que 20 kgs/m3, el equipo se considerará en estado óptimo. - Normalización. Cada día de uso y cuando las medidas de los ensayos sean dudosas, se chequeará la operación del equipo con un patrón de referencia provisto con cada medidor. Luego de emplear un tiempo de estabilización para el equipo de acuerdo a las instrucciones del fabricante, se realizan por lo menos 4 lecturas repetitivas de 1 minuto cada una sobre el patrón de referencia. Los límites de aceptación están dados por la expresión:

donde:

Ns = No  1,96  No

Ns = cuenta medida al chequear la operación sobre el patrón de referencia No = cuenta establecida previamente en el patrón de referencia (promedio de 10 lecturas) Los criterios de evaluación serán:

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- si la media de las lecturas repetitivas esta fuera de los límites de aceptación, se repite el chequeo, - si el segundo chequeo cumple con los límites de aceptación, el equipo se considerará en condiciones satisfactorias, - si el segundo chequeo no cumple con los límites establecidos, deberá chequearse la curva de calibración, - si el chequeo de la curva de calibración muestra que no hay cambios significativos en ella, se deberá efectuar un nuevo conteo de referencia (No) y - si el chequeo de la curva de calibración muestra que no hay diferencias significativas, reparar y recalibrar el instrumento.

Método retrodispersión. Equipo necesario. • •

• • • •

Fuente gamma emisora de isótopos radiactivos, encapsulada y sellada. Dispositivo de lectura, el cual normalmente contiene la fuente de alto voltaje necesaria para operar el detector y una fuente de bajo voltaje para operar el dispositivo de lectura y equipos accesorios. Detector gamma. Patrón de referencia, de densidad uniforme e invariable, para chequear la operación del equipo. Cajas de construcción sólida que deberán estar provistos los instrumentos mencionados, de modo de protegerlos de la humedad y del polvo. Herramientas y accesorios. Plana o escobilla para emparejar la superficie del terreno.

Procedimiento. • •

•

Se selecciona un lugar de ensaye donde el medidor quede ubicado a más de 150 mm. de distancia de cualquier proyección vertical. El lugar a ensayar, deberá ser removido de todo material suelto y disgregado. El área horizontal será la necesaria para acomodar el medidor, aplanándola hasta dejarla lisa de modo de obtener el máximo contacto entre el medidor y el área a ensayar. El máximo hueco por debajo del medidor no podrá exceder los 3 mm., en caso contrario, se rellenará con arena fina para emparejar la superficie. Finalmente, se asienta y estabiliza el medidor para tomar una o más lecturas de 1 minuto cada una (figura 2.14.).

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Cálculo. Determinar la densidad húmeda in situ utilizando la curva de calibración previamente establecida. Observaciones. • • •

•

•

La densidad determinada, no es necesariamente el promedio de las densidades en el interior del volumen envuelto en la medición. El equipo utiliza materiales radiactivos que pueden ser peligrosos para la salud de los operarios a menos que se tomen las precauciones adecuadas. Los resultados obtenidos pueden ser afectados por la composición química, la heterogeneidad o la textura de la superficie del material medido (ejemplo: materiales orgánicos con alto contenido de sal). La colocación del medidor en la superficie del material a medir, es crítica para la exitosa determinación de la densidad. La condición óptima es el contacto total entre la superficie del medidor y la del material bajo ensaye. Como esto no es posible en todos los casos, para corregir las irregularidades de la superficie, se utiliza una arena fina o material similar. El espesor del relleno no deberá exceder los 3 mm. y el área total rellenada no debe ser mayor que el 10% del área de la base del medidor. Al momento de la medición, no debe haber otra fuente de radiación cercana al medidor que pueda alterar los resultados.

Método transmisión directa. Lo que varía con respecto al método anterior, es que la fuente emisora o el detector pueden ser alojados dentro de una sonda que se inserta en incrementos de 50 mm., en un agujero hecho con anterioridad en el material a medir. La sonda al ser removida a la marca de profundidad deseada, deberá quedar en íntimo contacto con la pared del agujero al momento de realizar las lecturas. Método colchón de aire. Se diferencia de los métodos anteriores en que el equipo medidor se coloca sobre unos soportes o espaciadores que producen un espacio vacío (colchón de aire) entre la base del medidor y el área de la superficie de terreno a ensayar. Se requiere además tomar una o más lecturas en la posición de retrodispersión para chequear las mediciones.

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3. EQUIPO DENSIMETRO NUCLEAR 3.1 DEFINICIÓN Es un equipo portátil que emite radiación ionizante y que se utiliza para medir la humedad y densidad de suelos bases, hormigón y asfalto directamente en obra sin tener que recurrir al laboratorio, lo que conllevaría a mayor tiempo de espera.

3.2 PARTES Y ACCESORIOS DEL EQUIPO:

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Densímetro: instrumento portátil que contiene todos los módulos electrónicos, bloques (conjuntos) de baterías recargables, detectores y fuentes radioactivas.

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Caja de Transporte: es un contenedor diseñado para el transporte de la sonda y sus partes asociadas.

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Bloque de Referencia: proporciona un material que sirve de referencia constante para efectuar los ajustes en la sondad, los cuales son necesarios para compensar la desintegración progresiva de la fuente.

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Placa para raspado/ Guía de varilla de perforación: se utiliza para preparar un orificio cuando se va a colocar el equipo, y para guiar la varilla al hacer la perforación.

•

Varilla de perforación: se utiliza para preparar un orificio cuando se va a efectuar una medición de transmisión directa.

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Extractor: es un contenedor diseñado para el transporte de la sonda y sus partes asociadas.

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Cargadores: para suministrar corriente Certificado de fuente y garantía Manual del usuario

• •

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3.3 FUNCIONAMIENTO 1.

Disponibilidad de gran número de funciones y posibilidades auxiliares

2. Se introduce por teclado de la profundidad de medida y del tiempo de duración del ensayo. 3. Correcciones de humedad y densidad. 4. Efectúa automáticamente las comprobaciones de estabilidad y deriva.

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5. Introducción por teclado de las constantes de calibración. 6. Función de llamada a pantalla de la última lectura. 7. Variación por teclado del valor de densidad. 8. Además, de una manera muy sencilla, se pueden introducir calibraciones especiales, para trabajos con materiales cuyas densidades no estén cubiertas por la calibración efectuada en origen (1.100 a 2.700 kg/m3 en densidad y 0 a 640 kg/m3 en humedad

3.4 CARACTERÍSTICAS: •

Medidas de densidad y humedad: “kg/m3” o "g/cm3 y porcentaje.

•

Valor aproximado: $8.000.000

•

Peso: 13,5 kilogramos

•

Funcionamiento: Con batería

Densímetro Nuclear

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3.5 TIPOS DE MEDICIONES CON DENSÍMETRO NUCLEAR: 3.5.1

Retro- Transmisión: Es un modo rápido y no destructivo. La fuente de emisiones gamma y los detectores permanecen dentro del densímetro, colocado sobre la superficie del material analizar. Las emisiones gamma penetran en el material evaluado, las emisiones que son recibidas por los detectores son cuantificadas. La retro-transmisión es usada principalmente en capas delgadas, sean asfálticas o losas de concreto hidráulico.

MÉTODO DE RETROTRANSMISIÓN

3.5.2

Transmisión directa: (Es la más riesgosa porque la fuente radiactiva sale del aparato.)En este modo de operación la fuente gamma se posiciona a una profundidad específica, dentro de la capa del material a evaluar, mediante su inserción a través de un orificio de acceso hecho con la varilla de perforación. Las emisiones gamma son transmitidas a través del material, hacia los detectores, dentro del densímetro. Este tipo de operación minimiza la incertidumbre ocasionada por las superficies rugosas y la composición química del material evaluado, determinando una elevada

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exactitud en las mediciones. La transmisión directa es utilizada para la evaluación en capas con espesor de medio a grueso, de suelos, agregados, capas asfálticas losas de concreto hidráulico.

MÉTODO DE TRANSMISIÓN DIRECTA

3.5.3

Humedad: La medición de humedad es un ensayo no destructivo; la fuente de neutrones y el detector permanecen dentro del densímetro, sobre la superficie del material a analizar.

POR HUMEDAD

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3.5.4

Emisiones de neutrones, a alta velocidad, son introducidas en la capa evaluada y son detenidas parcialmente por sus colisiones contra los átomos de hidrógeno dentro del material. El detector de Helio en el densímetro cuenta la cantidad de neutrones termalizados (con velocidad disminuida); que correlaciona directamente con la cantidad de humedad en el material evaluado.

3.6 TIPOS DE FUENTES RADIOACTIVAS • Americio 241: Usado para medir HUMEDAD Periodo de semidesintegración : 432 años Radiotoxicidad :Muy alta • Cesio 137: Usado para medir DENSIDAD Periodo de semidesintegración: 30 años Radiotoxicidad: Alta Las fuentes van selladas, encapsuladas(soldadas) en acero inoxidable, para evitar toda fuga del material radiactivo. Las emisiones de fotones y neutrones no tienen protección. • Densímetros nuclear con fuente de cesio 137 y americio 241 Riesgo: Alto Usos: Medidores de compactación, densidad y humedad Precauciones: Toda manipulación deberá ser realizada evitando el contacto directo. Tasa de dosis a 1 metro: 3,6 mRem/hora 3.7 PRINCIPALES MARCAS: 3.7.1 Cpn, 3.7.2 Portaprobe 3.7.3 Troxler

CPN

3.8 NORMAS: De Cumplir con las siguientes normas: • ASTM D2922

• • • •

TROXLER

ASTM D3017 ASTM D2950 ASTM BS 1377 AASHTO T-310-02

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CORRELACIÓN ENTRE DENSÍMETRO NUCLEAR Y CONO DE ARENA Este estudio se realizo en Chile para analizar si existe una correlación entre ambos métodos y si el método nuclear puede ser utilizado de manera confiable y como alternativa al del cono de arena. Para este estudio se analizaron y utilizaron 3 tipos de suelos y 146 puntos de medición de densidad y humedad en el terreno. Los ensayos se orientaron a determinar por ambos métodos la densidad húmeda del terreno y el porcentaje de humedad, y en base a ellos la densidad seca del material. De acuerdo a la normativa existente en Chile, solo existe un método válido para efectuar los controles de compactación de suelos. Este es el método indicado en la norma NCh 1516 - “Mecánica de suelos - Determinación de la densidad en el terreno Método del cono de arena”,que data de 1979. Este método permite cuantificar la densidad seca de un suelo compactado por medio de la relación masa/volumen, donde el volumen se determina excavando una per foración en el terreno a ensayar, para luego llenar la per foración con una arena monogranular de densidad conocida por medio de un cono normalizado. Para obtener el máximo porcentaje de compactación admisible del suelo, este debe tener un porcentaje de humedad similar al que se obtuvo al efectuar el ensayo de la densidad máxima compactada seca -Ensayo Proctor-, razón por la que la determinación de la densidad seca del terreno se obtiene a par tir de la densidad húmeda y humedad del suelo. Para determinar la humedad y por ende la masa seca de material extraído de la perforación, se debe secar el suelo en horno a una temperatura máxima de 110 ± 5º C hasta obtener en 2 pesadas sucesivas masa constante. Generalmente el secado del material se obtiene en periodos de tiempo cercanos a las 24 horas, por lo que el método del cono de arena no entrega resultados en forma inmediata. Dada la velocidad con que se desarrollan los proyectos de construcción, el tener que esperar 24 horas para obtener resultados de un ensayo de determinación de densidad de terreno implica detener el avance de la obra. Esta lentitud en la obtención de los resultados hace que el método comience a perder vigencia y que se intente explorar otros procedimientos. Como método alternativo existe uno que satisface este nuevo requerimiento, ya que permite obtener resultados de densidad y de contenido de humedad del terreno en forma inmediata. Este es el método nuclear para determinar in situ la densidad y

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humedad de suelos, método que aún no ha sido adoptado como norma chilena, si bien la American Society for Testing Materials -ASTM- lo considera válido desde el año 1971. A pesar de ser un método ampliamente empleado y estudiado a nivel mundial, existen dudas respecto a su validez y a las diferencias que puedan existir entre los resultados obtenidos por el método del cono de arena y el método nuclear, por lo que el presente estudio pretende establecer algún grado de correlación entre ambos procedimientos. Para materializar este estudio se efectuaron controles de densidad de terreno en 146 puntos, primero con densímetro nuclear y luego, en el mismo punto, con el método del cono de arena. Del total de los controles realizados, 87 correspondieron a un suelo de clasificación USCS de SC-SM (arena arcillosa o arena limosa), 41 a un suelo del tipo SW-SM (arena bien graduada, limosa) y 18 a un suelo del tipo GP-GM (grava mal graduada, limosa). Las densidades por el método del cono de arena se obtuvieron en base a un punto de medición.. Para obtener un resultado que fuera representativo del suelo a ensayar se consideró efectuar 3 lecturas, las que se obtuvieron girando el densímetro nuclear con respecto al vástago que penetra en el terreno, de modo de tener 3 posiciones y así obtener un valor promedio de las lecturas, tanto de la densidad húmeda como de la humedad. A partir de los resultados obtenidos se procedió a analizar lo siguiente: • El rango o diferencia entre el mayor y el menor resultado de densidad compactada húmeda obtenido en cada punto por medio del método nuclear. • El rango o diferencia entre el mayor y el menor resultado de humedad obtenido en cada punto por medio del método nuclear. • Correlación entre la densidad húmeda determinada con el método del cono de arena y el método nuclear. • Correlación entre el contenido de humedad • Correlación entre la densidad seca determinada con el método del cono de arena y el método nuclear. • Incidencia en el porcentaje de compactación de la densidad seca determinada por ambos métodos.

4.1 ANÁLISIS DE LOS SUELOS ESTUDIADOS Para realizar este estudio se consideraron 3 tipos de suelos, con densidades compactadas secas comprendidas entre 1,85 y 2,28 g/cm3, Los resultados de los 3 análisis de suelos se presenta en las Tablas Nº 1 a Nº 3.

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4.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS a) Variabilidad entre los resultados obtenidos por punto de medición con el Densímetro Nuclear La realización de 3 mediciones en cada punto de densidad con el método nuclear tiene por objeto determinar un valor promedio de las densidades húmedas, de la humedad y por ende de la densidad seca. Al efectuar solo una medición, el equipo considera como área de medición el triángulo que se forma entre el vástago que penetra en el terreno y el contador que se encuentra en la base de este. Como los suelos son materiales heterogéneos, el efectuar esta sola medición no representaría lo que sucede en terreno. Sin embargo, al tener 3 mediciones en torno al eje del vástago del densímetro se obtiene un valor promedio de densidad y humedad del material, que considera el cono generado por la rotación del densímetro nuclear con respecto al vástago.

Figura N°1: Esquema de medición por medio del Método Nuclear En el Gráfico N° 1 se presentan los rangos o diferencias entre el mayor y el menor resultado de densidad húmeda para cada punto de medición. De los resultados se obtiene que el rango medio es de 0,01 g/cm3, con una desviación estándar de 0,009 g/cm3 (0,01 g/ cm3).

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Gráfico Nº 1: Rango - Resultados de densidad húmeda con densímetro nuclear No obstante, existen puntos en que se tienen 0,05 g/cm3, es decir, 50 kg/m3. El tener dispersiones de resultado cercanas a 0,05 g/cm3 puede significar, si se considera una densidad del material del orden de 2,20 g/cm3, variaciones en el resultado de la densidad húmeda superiores a un 2%. Análogamente en el Gráfico Nº 2 se presentan para la humedad los rangos o diferencias entre el mayor y el menor resultado de humedad para cada punto de medición. Para la humedad, se observa un rango promedio de 0,3% con una desviación estándar de 0,2%. Sin embargo, se tienen diferencias entre el mayor y menor resultado alcanzado para cada punto cercanas al 1,5%. Si se considera este valor extremo, y asumiendo un material con una humedad del orden de un 10%, se tendrían variaciones en el resultado de la humedad cercana al 15%. Finalmente, para cada uno de los tres resultados obtenidos por cada punto, considerando la densidad compactada húmeda y el contenido de humedad se establece la densidad compactada seca.

Gráfico Nº 2: Rango - Resultados de humedad con densímetro nuclear Los rangos de los 3 resultados de densidad compactada seca obtenidos para cada punto en que se realizó el ensayo se presentan en el Gráfico Nº 3.

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Gráfico Nº 3: Rango - Resultados de densidad seca con densímetro nuclear Para la densidad compactada seca se tiene un rango promedio de 0,009 g/cm3 (0,01 g/cm3) y una desviación estándar de 0,009 g/cm3 (0,01 g/cm3), teniendo como rango máximo valores inferiores a los 0,05 g/cm3. b) Densidad compactada húmeda Luego de analizadas las dispersiones de resultados que entrega el método nuclear, se realizó el estudio que permitió determinar la correlación que existe entre el método nuclear y el método del cono de arena. Los resultados de densidad húmeda, efectuados por medio del método nuclear y el método del cono de arena, se presentan en el Gráfico N° 4.

Gráfico Nº 4: Resultados de densidad compacta húmeda Del total de muestras consideradas para este estudio, se tiene que los resultados obtenidos por medio del método nuclear arrojan valores de 0,021 g/cm3 superiores a los obtenidos por medio del método del cono de arena, lo que representa un incremento de densidad del orden de un 1,0% considerando como base el método del cono de arena. En el Gráfico Nº 5 es posible observar que los suelos del tipo SC-SM son los que presentan mayores diferencias entre los resultados obtenidos por ambos métodos. Por

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otra parte, los suelos con clasificación USCS SW-SM son los que exhiben las menores diferencias entre ambos procedimientos.

Gráfico Nº 5: Resultados de densidad compactada húmeda por tipo de suelo

Del Gráfico N° 6 se tiene que para densidades cercanas a los 2,00 g/cm3 el método nuclear entrega resultados del orden de un 5% más alto que el método del cono de arena. Asimismo para densidades que fluctúan entre los 2,05 y los 2,10 g/cm3, el método nuclear arroja resultados un 3% mayor que el otro método. La diferencia entre ambos procedimientos se reduce a medida que se alcanzan valores de densidad húmeda mayores, llegando prácticamente a desaparecer cuando los valores de densidad húmeda son del orden de 2,25 g/cm3.

Gráfico Nº 6: Resultados promedio por intervalos de densidad compactada húmeda c) Contenido de Humedad El análisis del contenido de humedad se efectúa contrastando el promedio de los 3 resultados obtenidos para cada punto por medio del método nuclear. Cabe señalar que el método de determinación de la humedad es más preciso, debido a que esta se obtiene en base a las masas húmedas y secas de los suelos.

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Gráfico Nº 7: Resultados de contenido de humedad En el Gráfico N° 7 se presentan los resultados obtenidos. Analizado el comportamiento de la humedad entre ambos métodos se tiene que por medio del método nuclear los resultados son en promedio un 18% más altos que los determinados por el método establecido en la NCh 1515 – Determinación de la Humedad. Sin embargo, la diferencia entre ambos resultados decrece a medida que aumenta el contenido de humedad del suelo.

Gráfico Nº 8: Resultados de contenido de humedad por tipo de suelo En el Gráfico Nº 8, se presenta un análisis del contenido de humedad para cada suelo estudiado. En este Gráfico se puede observar que nuevamente los suelos SW-SM son los que alcanzan un mayor grado de correlación entre ambos métodos, siendo los suelos GP-GM los que presentan un menor grado de correlación. Con el fin de efectuar un análisis más detallado.

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Gráfico Nº 9: Resultados promedio por intervalo de humedad En el Gráfico N° 9 se muestran los resultados promedio obtenidos por cada método por intervalos de un punto porcentual de humedad. Del Gráfico N° 9 se desprende que el método nuclear para humedades promedio inferiores a un 12%, arroja resultados mayores que el método de determinación de humedad por secado en horno. En el intervalo comprendido entre un 4 y un 8% de contenido de humedad con respecto a la masa seca, el método nuclear presenta valores en promedio un 30% mayores. Para contenidos de humedad comprendidos entre un 8 y un 11 %, el método nuclear presenta valores que fluctúan entre un 20 y un 6% respectivamente. Para valores de humedad superiores al 12%, el método nuclear entrega resultados menores que el método establecido en la NCh 1515. d) Densidad Compactada Seca Con los resultados de densidad compactada húmeda y de contenido de humedad para cada método, se determina la densidad compactada seca por medio de la formula antes señalada.

Gráfico Nº 10: Resultados de densidad compacta seca

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En el Gráfico N° 10 se presentan los resultados obtenidos. De la totalidad de los resultados obtenidos, efectuada la corrección de la densidad húmeda por el contenido de humedad, se tiene que el método nuclear entrega resultados de densidad compactada seca en promedio 0,006 g/cm3 (0,01g/cm3) inferiores a los obtenidos por medio del método del cono de arena. Si se considera una densidad compactada seca promedio del orden de 2,00 g/cm3, se puede inferir que los 0,006 g/cm3, en rigor 0,01 g/cm3, corresponden a un 0,3%, valor que no tiene mayor relevancia si se considera que los resultados de densidad compactada seca se deben presentar con dos cifras significativas. Del mismo modo, se efectuó la correlación de densidades compactadas secas entre ambos métodos considerando el tipo de suelo. Los resultados se muestran en el Gráfico N° 11.

Gráfico Nº 11: Resultados de densidad compacta seca por tipo de suelo Nuevamente para el suelo SW-SM se tiene el mayor grado de correlación entre los resultados obtenidos por ambos métodos, presentando bajos grados de correlación para los otros dos tipos de suelo estudiados.

Gráfico Nº 12: Resultados promedio por intervalos de densidad seca

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En el Gráfico N° 12 se muestran los resultados promedio de densidad compactada seca para ambos métodos estudiados agrupados por intervalos de densidad iguales a 0,10 g/cm3. En este Gráfico es posible apreciar que desaparecen las diferencias que se presentaban en los análisis de densidad compactada húmeda y contenido de humedad, obteniéndose prácticamente idénticos resultados entre ambos métodos. Los resultados determinados por medio del método nuclear son levemente más bajos que los obtenidos por el método del cono de arena. Para densidades promedio comprendidas entre los 2,20 y 2,29 g/cm3, se tiene que los resultados obtenidos por medio del método del cono de arena son hasta un 2,0% mayores a los determinados por el método nuclear. e) Porcentaje de compactación Finalmente, realizado el análisis de los resultados de densidad compactada seca obtenidos para cada punto por ambos métodos y determinando el porcentaje de compactación del terreno con respecto a la máxima densidad compactada seca, se determina la incidencia en el porcentaje de compactación del terreno por cada método.

Gráfico Nº 13: Diferencia de % de compactación entre el Método del cono de arena y el Método nuclear En el grafico N° 13 se presenta la incidencia en el porcentaje de compactación de las variaciones de densidad compactada seca obtenida por ambos métodos. En este Gráfico se puede observar que en un 64% de los resultados se tiene un porcentaje de compactación idéntico en ambos métodos estudiados. Asimismo, en un 17% del total de ensayos efectuados con el método del cono de arena los resultados de porcentaje de compactación del terreno son un 1% mayores a los obtenidos por el método nuclear. Del mismo modo, en un 12% de los casos el porcentaje de compactación calculado con la densidad seca obtenida por medio del método nuclear, los resultados son mayores en un 1,0%. Solo en un 7% de los casos, se tienen diferencias en el porcentaje de compactación del terreno mayores a un 1%.

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Se concluye: • De los resultados obtenidos de densidad húmeda y contenido de humedad medidos con el método nuclear, es posible concluir que es recomendable efectuar al menos 3 mediciones en cada punto con el fin de obtener resultados representativos y disminuir los errores que se producen al no considerar la heterogeneidad del material. • Las elevadas diferencias o rangos máximos que presentan las densidades húmedas son atribuibles a la heterogeneidad del material, posiblemente producto de concentraciones superiores de agregado grueso en la zona donde se obtuvieron los mayores resultados. • Los rangos obtenidos en la densidad compactada seca son similares a los de la densidad húmeda, lo que permite concluir que puntos con rangos elevados de densidad húmeda tienen también rangos elevados de contenido de humedad y, por lo tanto, el rango o diferencia de la densidad compactada seca sigue siendo alto. • Al utilizar el método nuclear se obtienen valores de densidad compactada húmeda y contenidos de humedad mayores que los obtenidos por el método del cono de arena. Estos contenidos de humedad mayores pueden ser atribuibles a que el principio de funcionamiento de los equipos nucleares se basa en la medición del contenido de hidrógeno que contiene el material y por ende de agua, pero también se incluye el hidrógeno contenido en los huecos o intersticios que tienen las partículas. • Al efectuar la corrección de la densidad compactada húmeda producto del contenido de humedad, es decir, al determinar la densidad compactada seca, se minimizan las diferencias de resultados obtenidas en ambos métodos, siendo esta diferencia irrelevante en la mayoría de los casos. Un 0,006 g/cm3 (0,01g/cm3) prácticamente no tiene mayor incidencia en densidades compactadas secas que son del orden de los 2,00 g/cm3. • Considerando ambos métodos, para los suelos del tipo GP-GM, se tiene la mayor variación de humedad promedio. Para este mismo tipo de suelo el método nuclear arroja valores promedio casi un 1% más bajos que el método del cono de arena. • El método nuclear presenta el mayor grado de correlación para los suelos del tipo SW-SM, es decir, arenas bien graduadas limosas. Esto se debe a que son suelos que requieren bajos porcentajes de humedad para su compactación. • El método nuclear es muy susceptible a las variaciones de humedad del terreno y por la tanto las mayores diferencias entre ambos métodos se presentan en suelos con elevados porcentajes de humedad. • Con respecto al porcentaje de compactación y considerando la totalidad de las muestras analizadas, se puede concluir que por ambos métodos, en un 93% de los casos se obtienen diferencias menores o iguales a ±1%. Esto permite concluir que para resultados cercanos al límite inferior estipulado como criterio de aceptación o rechazo sería conveniente rechequear la zona inspeccionada. Cabe destacar que en más del 60% de los casos se obtienen resultados de porcentaje de compactación iguales para ambos métodos. • Finalmente, se puede concluir que el método nuclear tiene la misma validez que el método del cono de arena. Más aún, en algunos casos este procedimiento es más exigente que el método del cono de arena, por lo tanto puede ser utilizado con la tranquilidad de que sus resultados son confiables e incluso mejores para suelos finos limosos.

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ASPECTOS DE SEGURIDAD EN EL USO DE DENSÍMETROS NUCLEARES

• • • • •

Los puntos críticos en la que se presenta especial cuidado son: Caja de transporte de fábrica. Dos fuentes radioactivas ubicadas en el extremo del vástago del equipo y otra en la base del densímetro. Vástago desplazable. Vástago de apoyo con manilla de transporte. Placa de perforación.

5.1Acciones Inseguras • Atropellamiento del densímetro por vehículo en movimiento • Atropellamiento del operador por vehículos en movimiento, cerca del punto de trabajo. • Caídas por obstrucciones de las zonas de circulación • Bodegas para el almacenamiento de equipos radiactivos sin protección o sin la señalización respectiva. • Daño, robo o pérdida del equipo, por no contar con caja de transporte señalizada o con protección. • Mediciones erróneas a las zonas aledañas, por no contar con detectores de radiación ionizante y con calibración vigente. • No efectuar un mantenimiento periódico del equipo, lo cual puede producir un trabamiento de la fuente radioactiva. • Irradiación externa con radiaciones gamma producidas por el equipo

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• No usar en forma permanente dosímetro personal. • Golpes con herramientas al equipo en su operación. • Utilizar el densímetro nuclear en forma incorrecta • Exponer la fuente radiactiva del vástago fuera de la perforación del terreno. • Colocar la caja de transporte con el equipo cerca de la cabina del conductor durante el transporte • Operar, almacenar y transportar el densímetro nuclear por personal no calificado y sin autorización • No demarcar y señalizar la zona de operación del equipo. • Permitir el acercamiento de personal no autorizado durante la exposición de la fuente radiactiva. • No utilizar elementos de protección personal como casco, zapatos de seguridad, guantes, lentes y chaleco reflectante.

5.2Consecuencias de malas prácticas • Pérdidas materiales • Daño a las personas • Daño al medio ambiente

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5.3Medidas preventivas La operación, almacenamiento y transporte del densímetro nuclear deberá realizarse dentro de lo que establecen las normas de seguridad para este tipo de equipo y con personal debidamente calificado, con la licencia respectiva y vigente.

• Hacer una adecuada programación • Contar con personal con conocimiento cabal de la práctica • Permitir la operación del equipo solo a personal calificado • Realizar la operación del equipo con un ayudante • Verificar que la empresa cumpla las exigencias legales • Verificar que al ingresar a la faena o área de trabajo se disponga de todos los elementos de requeridos para la operación • Cumplir con la Reglamentación Vigente • Realizar las mantenciones periódicas al equipo y accesorios • Utilizar los elementos de seguridad durante la operación • Aplicar procedimientos de operación del equipo aprobados por la Autoridad Reguladora

5.3.1

Para el Personal:

• El operador del equipo y su ayudante debe contar con su dosímetro personal. • El personal debe usar todos los EPP requeridos para el trabajo que se ejecuta, (casco, zapatos de seguridad, guantes, lentes y chaleco reflectante) • Todo el personal relacionado directa o indirectamente estará instruido acerca de las áreas del trabajo específico a realizar y de las medidas de prevención que deben adoptarse durante la operación y emergencias.

5.3.2

Bodega de Almacenamiento Densímetros:

• El almacenamiento del equipo se realizará en una bodega, la cual debe permanecer cerrada. • Contar con la señalización de advertencia correspondiente al almacenamiento de equipos radiactivos en la puerta de acceso y los cuatro costados de la bodega). • Debe controlarse el ingreso, sólo para el personal autorizado.

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• La bodega de almacenamiento será de uso exclusivo para el densímetro no deberá contener otros equipos, materiales o herramientas. • Debe mantenerse limpio, despejado, ventilado

Dosímetro personal

5.3.3

Operación de Densímetro nuclear en terreno:

• Antes de proceder a la operación, con el equipo radiactivo, se demarcará el área de trabajo con conos, letreros y el símbolo relacionado con el riesgo de la radiactividad. • Solo el operador “autorizado” manipulará el equipo, permaneciendo en las proximidades sólo el personal autorizado y restringiendo el ingreso de personal ajeno a la operación. • Primero se perforará y marcará el suelo y el perímetro de la placa para que, posteriormente, el operador baje el vástago procediendo a medir. •Nunca debe bajarse el vástago sin que el equipo esté completamente apoyado en el suelo y ubicado en la perforación • No se trabajará en zonas de vehículos o maquinarias en movimiento, coordinando los trabajos con la supervisión a fin de determinar, previamente, los accesos, rutas de circulación, zonas de medición y horarios. • Verificar que las vías de circulación en el área de operación estén expeditas. • Una vez finalizada la tarea se procederá a guardar y mantener en su caja de transporte, el equipo, retirar la señalización en el terreno. • Posteriormente dejar el densímetro definitivamente en la bodega de almacenamiento autorizada.

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• Contar con un Manual de Protección Radiológica Operacional del Densímetro Nuclear que cuente con al menos Procedimientos de Operación y Emergencia

5.3.4

Transporte del Densímetro Nuclear:

• Al transportar el equipo radiactivo en vehículos, mantener la caja del equipo fija y en la parte más alejada de la cabina. • Dentro de la caja colocar una hoja con el procedimiento de emergencia en caso de robo o pérdida del equipo.(Nombre Empresa, Teléfonos de emergencia, dirección). • Llevar una bitácora de registro con los datos de las salidas e ingreso desde el lugar de almacenamiento del equipo, día, hora, lugar de trabajo y faena, además de indicar el nombre del operador responsable.

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CONCLUSIONES

• El método nuclear permite con mayor rapidez determinar la densidad de los suelos. •

El densímetro nuclear puede ser utilizados sus datos de manera confiable y como alternativa al del cono de arena.

• El densímetro nuclear necesita un valor patrón, así este aparato realizará el funcionamiento adecuado de obtener la densidad de un terreno

• El método nuclear puede ser en algunos casos más exigente que el del cono de arena. •

La retro – transmisión es un proceso rápido y no destructivo usada principalmente en capas delgadas.

• La transmisión directa es utilizada para la evaluación en capas con espesor de medio a grueso, de suelos, agregados, capas asfálticas y losas de concreto hidráulico. •

El personal que esté en contacto directo con el equipo debe contar con conocimientos y capacitación suficiente para el manejo y transporte del mismo.

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BIBLIOGRAFIA:

-

COMPACTACIÓN DE SUELOS: http://icc.ucv.cl/geotecnia/03_docencia/03_clases_catedra/clases_catedra_ms2/ ms2/compactacion_suelos.pdf

- MANUAL DENSÍMETRO NUCLEAR TROXLER: http://www.troxlerlabs.com/pdf%20files/3430spanish.pdf -

DENSÍMETROS NUCLEARES: http://www.mecacisa.com/troxler-3440.htm

-

OPERADOR DE DENSIMETRO NUCLEAR: http://www.mutual.cl/prevencion/guias

-

DENSIDAD EN CAMPO http://www.constructorcivil.org/2010/01/densidad-de-campo-metodo-deldensimetro.html

- CORRELACIÓN ENTRE DENSÍMETRO NUCLEAR Y CONO DE ARENA http://www.uc.cl/ccivil_revista/revista/Rev_9/_REVISTA_N9_FULL.pdf -

SEGURIDAD EN USO DE DENSIMETROS NUCLEARES: http://www.scribd.com/doc/6735028/Aspectos-de-Seguridad-en-El-Uso-deDensImetros-Nucleares

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