GEOTECNIA I Laboratorio No 2 Hidrometria

GEOTECNIA I INFORME DE LABORATORIO PRACTICA N°2: DETERMINACION DEL ANALISIS GRANULOMETRICO DE LOS SUELOS METODO DEL HIDROMETRO ASTM D422- 63

PRESENTADO A: ING. CARLOS MEDINA

PRESENTADO POR: ASSIA DE LA ROSA JOSE GUILLERMO BARRIOS SOTO JOSE RAFAEL PATERNINA MUÑOZ LICENA PATRICIA SALCEDO MADERA NESTOR LUIS GRUPO N°2 INGENIERIA CIVIL V SEMESTRE

UNIVERSIDAD DE SUCRE FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL SINCELEJO, SUCRE 2013

INTRODUCCION Generalmente cuando los suelos tienen tamaños de grano pequeño no es posible hacer análisis granulométrico por tamizado, para determinar el porcentaje de peso de los diferentes tamaños de los granos de suelo. Resulta entonces más apropiado aplicar el método del hidrómetro, el cual, hoy en día para suelos finos, quizá es el ensayo de mayor uso, el hecho se basa en el principio de la sedimentación de las partículas de suelo, las cuales se sedimentan a diferentes velocidades, dependiendo de sus formas, tamaños y pesos. La ley fundamental para realizar análisis granulométrico por hidrómetro es formulado por Stokes, en esta ley se enuncia que si una partícula esférica cae dentro del agua adquiere pronto una velocidad uniforme que depende del diámetro de la partícula, de su densidad y la viscosidad del agua Para la realización del ensayo no se usa una suspensión compuesta de agua y suelo, porque se precipitaría, en muy poco tiempo casi todo el suelo, debido a la formación de floculos originados por la presencia de diferentes cargas eléctricas en las partículas del suelo. Se utiliza un agente defloculante que neutralice las cargas eléctricas, permitiendo que se precipiten de forma individual.

GENERALIDADES

El método más usado para hacer la determinación indirecta de porcentajes de partículas que pasan el tamiz No. 200 (0.075 mm), hasta 0.001 mm, es el HIDRÓMETRO basado en la sedimentación de un material en suspensión en un líquido, el hidrómetro sirve para la determinación de la variación de la densidad de la suspensión con el transcurso del tiempo y medir la altura de caída del gramo de tamaño más grande correspondiente a la densidad media. El análisis del hidrómetro utiliza la relación entre la velocidad de caída entre las esferas de 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 la ley de Stokes. La ley de Stokes enuncia que si una partícula esférica cae dentro del agua adquiere pronto una velocidad uniforme que depende del diámetro de la partícula, su densidad y de la viscosidad del agua. Para la realización de este método no se utiliza una solución de agua y suelo, puesto que se precipitaría en muy poco tiempo casi todo el suelo, por la formación de folículos originados por las diferentes cargas eléctricas en las partículas del suelo. Debido a esto se utiliza un agente que neutralice las cargas eléctricas, permitiendo que las partículas precipiten de forma individual, es decir, se dispersen. Los errores producidos en este ensayo se corrigen mediante tres métodos que son Corrección por menisco, por temperatura y por Defloculante y Punto cero.

OBJETIVO GENERAL Determinar la granulometría de una muestra de suelo fino mediante el método de Hidrómetro para su posterior análisis de propiedades y clasificación. OBJETIVOS ESPECIFICOS  Familiarizar al estudiante con un método para obtener aproximadamente la distribución granulométrica de los suelos finos.  Representar gráficamente la distribución cuantitativa del tamaño de las partículas finas de un suelo.

 Definir la proporción de arcilla y limos presentes dentro una masa de suelo.

EQUIPO E INSTRUMENTOS

 Balanza de sensibilidad 0.1 gr

- 2 Probetas de Sedimentación de 1000 ml

 Hidrómetro (preferiblemente modelo 152H)

 Agente dispersante NaPO3(Hexametafosfato de sodio)

 Recipiente para realizar la dispersión del suelo

 Termómetro

- Cronómetro

 Mazo DESCRIPCION DE LA MUESTRA Tipo de muestra: La muestra es un tipo de suelo fino, que en estado natural es bastante terrosa. Se hace una debida limpieza de impurezas como raíces, vidrios, plásticos u otros elementos que afecten el desarrollo del ensayo.

Procedencia: Esta muestra de finos se tomó de una de un depósito de suelos resultado de una excavación ubicada en la parte posterior de la Universidad de Sucre, sede Puerta Roja.

PROCEDIMIENTO

1. Tomar exactamente 50 gr de suelo secado al horno y pulverizado.

3. Transferir el contenido a la probeta de sedimentación, teniendo mucho cuidado de no perder material en el proceso. Añadir agua común hasta completar la marca de 1000 ml de la probeta.

2. Luego mezclarlo con 125 ml de solución al 4% de NaPO3 (Hexametafosfato de sodio), batirlo por espacio de 1 minuto.

4. Preparar la probeta patrón de control con agua común y 125 ml de la solución dispersante al 4% “o la misma que se usó en el paso Nº 1”.

5.Verificar que la temperatura del agua común sea igual para ambos recipientes, el de sedimentación y el de control.

6. Tomar un tapón de caucho Nº 12 (usar la palma de la mano si no hay tapón disponible) para tapar la boca de la probeta donde se encuentra en suspensión de suelo y agitarla cuidadosamente por cerca de 1 minuto.

7. Poner sobre la mesa la probeta, remover el tapón y tomar lecturas a intervalos de tiempo de 1, 2, 3, 4, 8, 15, 30, 60 minutos, y 2, 4, 8, 16, 32, 64, 96, horas

8. Colocar el hidrómetro y el termómetro en el recipiente de control . Tomar una lectura para la corrección por menisco en el hidrómetro dentro de la probeta de control

Registrar la temperatura de la suspensión suelo agua con una precisión de 1ºC para cada medición del hidrómetro. Entre lectura y lectura del hidrómetro se debe guardar éste y el termómetro en la probeta de control.

RESULTADOS

Los datos que se presentan a continuación fueron los obtenidos en la práctica de laboratorio:

Fecha

Lectora No

27/08/2013

1

27/08/2013

2

27/08/2013

3

27/08/2013

4

27/08/2013

5

27/08/2013

6

27/08/2013

7

27/08/2013

8

27/08/2013

9

27/08/2013

10

27/08/2013

11

27/08/2013

12

28/08/2013

13

28/08/2013

14

29/08/2013

15

29/08/2013

16

Tiempo Transcur rido (min)

Temperat ura (ºC)

a.

1

27

a.

2

27

a.

3

27

a.

4

27

a.

8

27

a.

16

27

a.

30

27

a.

60

26

a.

120

26

a.

240

26

p.

480

29

p.

654

29

a.

1468

27

p.

2055

28

a.

2937

27

p.

3418

32

Hora de lectura

07:18:00 m. 07:20:00 m. 07:21:00 m. 07:22:00 m. 07:26:00 m. 07:34:00 m. 07:50:00 m. 08:18:00 m. 09:18:00 m. 11:18:00 m. 03:18:00 m. 06:12:00 m. 07:44:00 m. 05:32:00 m. 08:15:00 m. 04:15:00 m.

Tabla 1.1 Datos tomados en laboratorio.

ANALISIS DE RESULTADOS Antes de empezar con los cálculos a partir de los datos obtenidos, se tiene que tener en cuenta una serie de correcciones, entre ellas tenemos: corrección por menisco, corrección por temperatura y corrección punto cero. Para hallar la corrección por menisco (Cm) se introdujo el hidrómetro en una probeta con agua y observando la altura a la cual el menisco se levanta por encima de la superficie del agua, en nuestro caso Cm =1. Para hallar la corrección punto cero se introdujo el hidrómetro en una probeta con floculante Agua+NaPO3 y observando la lectura del menisco en la probeta Agua+NaPO3, procedemos a calcular el Cc teniendo en cuenta la lectura que se hizo por menisco en la probeta con agua, se hacen las diferencias, en nuestro caso tomando las lecturas superiores Cc = (2-(-1) o inferiores Cc = (3-0) Cc = 3. Para obtener corrección por temperatura Ct, se debe consultar la siguiente tabla ya que el Ct varía en función de la temperatura:

Tabla 1.2 Factores de corrección por temperatura.

Para proceder con los cálculos hay que tener en cuenta las variables que intervienen en el formato de ensayo por hidrómetro: 

Ra: Lectura real del hidrómetro, corresponde a la lectura tomada en el laboratorio.



Rc: Lectura corregida del hidrómetro, cuya fórmula es:

Rc=Ra−Cc+Ct

donde Cc = 1, Ct varia con la temperatura. Esta fórmula será aplicada a cada lectura realizada con el Hidrómetro en los distintos tiempos tomados. En el formato del ensayo por hidrómetro se plasmaran los resultados a cada de Rc a cada lectura realizada. Finalmente tenemos 

Rc=Ra−1+ Ct

[A-1]

% más fino: corresponde a porcentajes de la muestra, cuya fórmula es: %mas fino=

Rc∗α x 100 [A-2] Ws

Donde α corresponde al factor de corrección por peso específico y ws al peso de la muestra, α depende del Gs de la muestra, en nuestro caso que fue suministrada por el docente Gs = 2.70 y con este dato hallamos α con la siguiente formula: α=

Gs∗(1.65) (Gs−1 )∗2.65 Reemplazando los valores de Gs, tenemos que α = 0.99. Y Ws (peso de la muestra) = 50gr.



R: Corresponde a la lectura del hidrómetro corregido solo por menisco, cuya fórmula es: fórmula seria:



R=Ra+Cm

R=Ra+1

como sabemos que Cm = 1 entonces la

[A-3]

L: Corresponde a los valores de profundidad efectiva para usar en la fórmula de Stokes en la determinación de diámetros de partículas con el

hidrómetro ATM 152H. Este valor se encuentra en la tabla 1.3, según la lectura original del hidrómetro, corregida solamente por menisco. 

t: Corresponde al tiempo transcurrido en minutos.

Tabla 1.3 Valores de profundidad efectiva para usar en la fórmula de Stokes en la determinación de diámetros de partículas con el hidrómetro ATM 152H.



K: Corresponde a un valor para varias combinaciones de pesos unitarios y temperaturas. Ver tabla 1.4.

Tabla 1.4 Valores del K para varias combinaciones de pesos unitarios y temperatura.



D (mm): corresponde al diámetro de las partículas de suelo en suspensión, es la variable que corresponde al diámetro de la partícula en la respectiva lectura. La fórmula que calcula este valor es: D=K

√

L t

[A-4]

Finalmente se utilizan los datos de diámetro D (mm) y % más fino, se procede a dibujar la curva granulométrica correspondiente a la distribución del tamaño de los granos. Procedimiento de Cálculos A continuación se utilizara el primer dato obtenido para aplicar las formulas dadas y obtener los datos requeridos para la curva granulométrica. Lectura No 1: Ra = 47, T = 27º, t (min) = 1 1. Primero hallamos Rc con la formula [A-1], para ello nos vamos a la Tabla 1.2 para obtener el Ct, aplicando la formula tenemos que Rc = 46. 2. Ahora con el Rc, hallado en el primer paso, el valor de α y de Ws, aplicamos la formula [A-2], tenemos que para un Rc = 46, %más fino = 91.08.

3. Con el Cm obtenido, procedemos a calcular el R, aplicando la formula [A-3], tenemos que R = 48. 4. Con el R calculado en el paso anterior se procede a ver la Tabla 1.3, entonces para un R =48, L = 8.4. 5. Sabiendo que para el primer intervalo de tiempo para la lectura No 1 fue de t(min) = 1, y con el valor de L = 8.4, tenemos que:

L 8.4 = =8.4 t 1

6. Ahora para hallar el valor de K, tenemos en cuenta el valor de Gs en función de cada temperatura, en nuestro caso Gs = 2.7, T=27º, K = 0.0124. 7. Finalmente con el valor de K, y L/t, aplicamos la formula [A-4], para los valores de L/t y K, hallados en los pasos 5 y 6, obtenemos un D = 0,03594 mm.

FORMATO DE ENSAYO POR HIDRÓMETRO Posteriormente se hace el procedimiento anterior a todos los datos obtenidos en el laboratorio y se llena el formato de ensayo por hidrómetro tal como aparece en la tabla siguiente. No . Le ct

t (min )

T (ºC )

Ra

Rc

1

1

27

47

46

2

2

27

46

3

3

27

4

4

27

5

8

27

% más fino

R

L

L/t

K

90,98

48

8,4

8,4

45

89,00

47

8,6

4,3

45

44

87,02

8,8

43, 5 42

42,5

84,06

9

2,933333 33 2,25

41

81,09

47, 7 44, 5 43

9,2

1,15

0,01 24 0,01 24 0,01 24 0,01 24 0,01 24

D(mm)

0,0359 4 0,0257 1 0,0212 4 0,0186 0 0,0133 0

6

16

27

39

38

75,16

40

9,7

0,60625

7

30

27

36

35

69,22

37

10,2

0,34

8

60

26

33

62,60

34

10,7

9

120

26

57,65

10

240

26

30, 5 27

50,73

31, 5 28

11,1 5 11,7

0,178333 33 0,092916 67 0,04875

11

480

29

23

45,59

24

12,4

12

654

29

42,62

146 8 205 5 293 7 341 8

27

39,56

22, 5 22

12,6

13

21, 5 21

31,6 5 29,1 5 25,6 5 23,0 5 21,5 5 20

28

20

19,5

38,57

21

12,2 7 12,9

27

19

18

35,60

20

13

32

16, 5

17,3

34,22

17, 5

13,4

14 15 16

0,025833 33 0,019266 06 0,008358 31 0,006277 37 0,004426 29 0,003920 42

Tabla 1.5 Formato de Resultados de Ensayo por Hidrómetro

0,01 24 0,01 24 0,01 25 0,01 25 0,01 25 0,01 21 0,01 21 0,01 24 0,01 23 0,01 24 0,01 18

0,0096 5 0,0072 3 0,0052 8 0,0038 1 0,0027 6 0,0019 4 0,0016 8 0,0011 3 0,0009 7 0,0008 2 0,0007 4

GRAFICA RESULTADO DE ENSAYO POR HIDROMETRO

Curva Granulometrica (Método del Hidrómetro) 100 90 80 70 60

%Pasa

50 40 30 20 10 0 0.1

0.01

0

Diametro(mm)

0

Análisis de la curva granulométrica Cabe destacar que este ensayo se hizo con un suelo muy fino, del cual uno de los diámetros más grandes de las partículas fue de 0.03594 mm, un diámetro mucho más pequeño que el tamiz de referencia No 200, el cual separa los suelos gruesos de suelos finos. Haciendo un análisis de la curva granulométrica, podemos trazar una línea de corte tomando referencia la frontera que separa los diámetros de los limos con las arcillas el cual es D = 0.002mm, se deduce entonces que aproximadamente un 46% de la muestra de suelo es arcilla y un 54% es Limo. Se Recurrió a una tabla de textura y según el porcentaje y verificación se deduce que la muestra ensayada por el método del hidrómetro es un limo arcilloso, como no se tiene información de límites de plasticidad no sabemos si la muestra es de alta plasticidad o baja plasticidad, en lenguaje de clasificación USCS un MH o ML.

RECOMENDACIONES

 La muestra Fina debe estar en su totalidad libre de grumos, e impurezas que afecten el buen desarrollo del Ensayo.  Durante la toma de datos es indispensable anotar la fecha y la hora en que se realizó el ensayo, para tener una apreciación acerca de los intervalos de tiempo en que es indispensable observar que variación presenta la mezcla, en términos de temperatura.  La muestra debe estar totalmente Seca, para ello es sometido a un Horno.  Es importante pulverizar lo más posible la muestra de Finos después del secado.  Los Datos Obtenidos en laboratorio pueden tener largos intervalos de tiempo, dependiendo de la variación que tenga la muestra en la información que suministre.  La Balanza de Sensibilidad debe estar en Ceros.

INQUIETUDES 1. ¿Sobre qué trata el ensayo?

Rta//: El Ensayo trata sobre hacer la determinación indirecta de porcentajes de partículas que pasan el tamiz e referencia Nº 200 mediante el método del hidrómetro, basada en la sedimentación del material en suspensión en un líquido. 2. ¿Porque es necesario realizar el ensayo?

Rta//: Es Necesario realizar el ensayo del método del hidrómetro de una muestra suelo debido que las partículas que lo conforman son de tamaño variado, los granos gruesos que se retienen en tamiz No 200 son analizados por el método granulométrico estudiado y practicado en el anterior informe, y para granos finos que pasan el tamiz No 200 el método del hidrómetro, sabiendo que una combinación de ambos y de otros estudios, nos dará información de cómo está conformado la muestra de suelo, para su posterior conclusión si es apto o no para construcciones en el ámbito ingenieril. 3. ¿Por qué se seleccionan dichos equipos?

Rta//: Se seleccionan dichos equipos debido a que son los más aptos para realizar dicho ensayo y que están estipulados dentro de la norma ASTM D422- 63. 4. ¿Qué condiciones impone el ensayo?

Rta//:Para realizar el Ensayo de una manera Satisfactoria se necesita de un muestra limpia, bien lavada y secada al horno, unos elementos o materiales limpios, libres de impurezas que perjudiquen el buen desarrollo del mismo y Tener una Guía y/o cierto Conocimiento sobre lo que se va a realizar en el Laboratorio. 5. ¿El equipo es convencional, modificado o especialmente diseñado para este ensayo?

Rta//: El Equipo es Convencional debido a que el proceso que es efectuado en el laboratorio, es el mismo efectuado en cualquier otra nación, estado o territorio donde se realicen estudios Geotécnicos y es exigido por la norma ASTM D42263.

6. ¿Cómo funciona?

Rta//: Este ensayo está basado en la Ley de Stokes. El hidrómetro sirve para la determinación de la variación de la densidad de la suspensión con el transcurso

del tiempo y medir la altura de caída del gramo de tamaño más grande correspondiente a la densidad media. Con este método se obtendrá aproximadamente la distribución granulométrica de suelos finos. 7. ¿Qué limitaciones tiene este equipo?

Rta//: En cuanto al análisis granulométrico, el equipo usado en laboratorio está limitado solamente para suelos finos, ya que para la determinación de granos gruesos, se hace con otros equipos. 8. ¿Que debe ser capaz de hacer el estudiante al término de esta práctica?

Rta//: Al término de esta práctica el estudiante debe saber realizar la distribución granulométrica aproximada de un suelo fino por el método del hidrómetro, debe ser capaz de determinar la proporción de arcilla y limos dentro de una muestra de suelo.

GUIA SUGERIDA

1- ¿La ley de Stokes se aplicaría a la caída de partículas de una arena gruesa en una probeta de sedimentación? No, para un material con partículas densas como lo es el caso de la arena no es posible aplicar la ley de Stokes ya que al tener partículas con una alta densidad

relativamente

estas

características

no

permiten

que

se

mantengan en suspensión considerándola con las partículas de los suelos finos, estas se precipitaran con alcalde rapidez invalidando la ley de Stokes ya que esta ley sí cumple para el movimiento de partículas pequeños y velocidades bajas 2- ¿El análisis por hidrómetro determina exactamente el tamaño de las partículas de un suelo? No, esta ley supone que la partícula esférica para hacer valedera esta ley fundamental, por lo tanto no estaría dando el valor exacto de su tamaño, pero si una aproximación muy acertada. 3- ¿Por qué usted corrige la distancia de caída de las partículas durante el análisis por hidrómetro? Porque los hidrómetros están calibrados para hacer la lectura al nivel libre del líquido, pero al formarse el menisco alrededor del vástago, la lectura correcta no puede hacerse, ya que las suspensiones de suelo son transparentes, por lo que se necesita leer donde termina el menisco y corregir la lectura sumando la altura del menisco. 4- ¿Qué modificaciones serian requeridas si uno llevara a cabo un análisis por hidrómetro en una probeta de 2000 ml en vez de una probeta de 1000 ml? Si se utilizara una solución de 2000 ml se cambiaría la escala del hidrómetro de granos por litros, además de que una cantidad de 125 cm3 de solución al 4% de hexametafosfato de sodio en los 1000 ML de suspensión de agua-suelo se considera en general lo más adecuado. Y al alterar el volumen de la solución se alteraría la gravedad específica.

5- ¿Qué forma es asumida para las partículas de suelo cuando se interpretan los resultados de un análisis por sedimentación? ¿Es esta suposición aplicada a las partículas de arcilla? El análisis del ensayo del hidrómetro se realiza siguiendo la lista de parámetros establecidos por la ley de Stokes la cual enuncia que si una partícula esférica cae dentro del agua adquiere pronto una velocidad que depende del diámetro de la partícula, de la densidad y viscosidad; es por eso que para el ensayo también se supone que la forma de las partículas del suelo son esféricas y aplica para las arcillas.

ANEXOS 1. Muestra Fina Mezclada con agua con el fin de Disgregar Grumos.

2. Muestra Fina Lavada Con ayuda del Tamiz #200

3. Muestra que paso el tamiz #200, expuesta en El Horno y Pulverización del mismo.

4. Material Mezclado Con el Agente Dispersante ( hexametafosfato de

sodio).

5. Mezcla rebasada en una Probeta, Se añade Agua hasta Completar los 1000 ml y revolvemos.

6. Se introduce el hidrómetro en las distintas probetas, y un termómetro en diferentes intervalos de tiempo en la mezcla realizada anteriormente.