Practica 5 Granulometria Por Hidrometro

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ESCUELA POLITECNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y AMBIENTAL LABORATORIO DE MECANICA DE SUELOS PRACTICA N° 5 GRANULOMETRIA POR HIDROMETRO PROYECTO ZAMORA-SANCARLOS PM-11

Álvaro Fausto López Guevara 3er Semestre Ingeniería Civil Fecha de realización del ensayo: 21/03/2013 Fecha de entrega del informe: 28/03/2013

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1. INTRODUCCION 1.1 Objetivos del ensayo  Determinar la distribución de tamaños de las partículas de la muestra de un suelo que pase el tamiz N°200.  Reconocer el funcionamiento básico de un hidrómetro y su aplicación en la granulometría para fracciones finas, así como analizar el principio de la Ley de Stokes.  Representar la distribución de los tamaños de la fracción en una curva granulométrica para su fácil interpretación.

1.2 Marco Teórico Cuando los suelos no son grueso granulares, sino que los suelos tienen tamaños de grano pequeños no se podrá hacer análisis granulométrico por mallas (tamices), para determinar el porcentaje de peso de los diferentes tamaños de los granos de suelo. Lo apropiado es aplicar el método del hidrómetro (densímetro), hoy en día para suelos finos quizá es el ensayo de mayor uso, el hecho se basa en que las partículas tienen una velocidad de sedimentación que se relaciona con el tamaño de las partículas. La ley fundamental para realizar análisis granulométrico por hidrómetro es formulada 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 de 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 flóculos 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 las partículas se precipiten de forma individual. Tipos de dispersantes usados comúnmente: Silicato de Sodio (vidrio líquido). Es una solución de silicato de sodio. Una vez preparada la solución se toman 20 cm3. Hexametafosfato de sodio (NaPO3). Comercialmente se conoce como Calgon. Ya que la solución es ácida se puede considerar mayor eficacia como agente defloculante en suelos alcalinos. 3

Para el ensayo de hidrómetro existe corrección dependiendo del tipo de hidrómetro empleado, la corrección se hará con la diferencia de la lectura del hidrómetro y un coeficiente que depende del tipo de hidrómetro. Los hidrómetros están calibrados para hacer la lectura al nivel libre del líquido. 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. Esta corrección se hace sumergiendo el hidrómetro en agua destilada y haciendo dos lecturas en la escala; una en la parte superior del menisco (para que el menisco se forme completo, el cuello debe limpiarse con alcohol para eliminar la grasa) y otra siguiendo la superficie horizontal del agua. La diferencia de las dos lecturas nos da la corrección que debe sumarse a las lecturas hechas al estar operando.

2. CALCULOS Y METODO OPERATIVO 2.1 Materiales             

Hidrómetro(código 877276) Balanza con aproximación de 0.01g Probeta Boyoucus de 1000 cm3 Espátula Termómetro Cronómetro Pipeta Piseta Agente defloculante(hexametafosfato de sodio) Cápsulas metálicas Horno de temperatura constante 110°C Tapón de hule Matraz

2.2 Procedimiento  Del material fino que paso el tamiz N°200 tomamos aproximadamente 50g de muestra del suelo fino.  Añadimos aproximadamente 1cm3 de agente defloculante en 300cm3 de agua y colocamos la mitad de esta mezcla junto con el fracción fina y agitamos hasta obtener una solución homogénea.

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 Encontramos la corrección por defloculante registrando la lectura del hidrómetro en una probeta con 1 litro de agua destilada y posteriormente la lectura en la probeta con 1 litro de agua con el resto de solución del agente defloculante que no hemos usado. La resta entre ambas magnitudes será la corrección por defloculante(Cd)  Encontramos la corrección por menisco (Cm) registrando cualquier lectura en agua con el hidrómetro sobre el menisco y una segunda lectura al nivel del agua, la diferencia entre ambas será la corrección por menisco.  Colocamos la mezcla de agente defloculante más el suelo fino en la probeta Boyoucus y completamos un volumen de 1000cm3 con agua.  Colocamos el tapón en la probeta y agitamos haciéndola girar 180° en un plano vertical por aproximadamente 1 minuto.  Luego de agitar la mezcla retiramos el tapón de hule e inmediatamente y evitando movimientos bruscos, colocamos el hidrómetro en la solución, comenzamos a registrar valores de la lectura del hidrómetro para tiempos de 30, 60,90 y 120 segundos.  Repetimos el procedimiento anterior hasta obtener lecturas semejantes, si este es el caso a más de registrar las lecturas para los tiempos mencionados anteriormente, tomamos lecturas del hidrómetro para 5, 10, 15, 20 y 30 minutos y también para 1, 1.5,2,3,24 y 48 horas.  Registramos la temperatura superior e inferior de la solución, en el caso de ser semejantes, procedemos al siguiente paso.  Para el cálculo de la densidad de solidos es posible recoger una muestra de la fracción fina de suelo y someterla a secado en el horno, registrando los datos necesarios: peso de la cápsula, peso de la cápsula más suelo húmedo y el peso de la cápsula más el suelo seco.

2.3 Cálculos Para el cálculo de la densidad de sólidos actuamos conforme a la práctica 2, de esta manera:

2.65

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El cálculo de B obedece la ecuación:

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El presente cálculo corresponde a la primera lectura, tenemos entonces: RH=lectura sobre el menisco +corrección por menisco RH=55.07+0.5 RH=55.57

Ahora calculamos la altura de caída H, usando la ecuación característica del hidrómetro utilizado:

cm La velocidad de caída de las partículas es dada por la relación:

Encontramos el diámetro correspondiente en mm, a la velocidad de caída estas partículas, que está dado por: √ √

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Ahora, el porcentaje en peso de partículas inferiores al diámetro calculado es

3. TABLAS Tabla1. Lecturas Iniciales Tiempo(min) Lectura 1 Lectura 2 Lectura 3 Promedio

0.5 54,1 55,6 55,5 55,07

1 52,0 54,5 54,1 53,53

1.5 50,5 52,0 52,0 51,50

2 49,0 50,8 51,5 50,43

T(°C) 17 17 17 17

Tabla2. Cálculo de la densidad de sólidos Peso matraz+ Id. Cápsula agua (g) AL-3

688,1

Peso matraz+ agua+suelo (g)

Peso cápsula (g)

Peso suelo húmedo+ cápsula(g)

Peso suelo seco+ cápsula(g)

Gs

749,2

232,78

332,76

330,83

2,65

Tabla 3. Correcciones por defloculante, temperatura y menisco Corrección por defloculante(Cd) 4,9

Corrección por temperatura(mT) -0,4

Corrección por menisco(Cm) 0,5

Tabla4. Cálculo de B Viscosidad dinámica del agua a 17°C (g.sec/cm^2)

Densidad del agua a 17°C (g/cm^3)

B

0,000010764

0,9988

0,0117

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Tabla5. Cálculo de Diámetros y % inferiores a cada diámetro calculado Hora 11:35am 11:35am 11:36am 11:39am 11:44am 11:49am 11:54am 12:04pm 12:34pm 13:04pm 13:34pm 14:34pm 11:35am

Tiempo Lectura Temperatura (min) (R`H) (°C) 0,5 1 2 5 10 15 20 30 60 90 120 180 1440

55,07 53,53 50,43 46,50 43,00 40,00 39,10 36,00 31,20 29,30 26,20 24,00 14,90

18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18 18

RH= R`H + Cm

H (cm)

V (cm/seg)

D (mm)

RH + mt Cd

w%

55,57 54,03 50,93 47,00 43,50 40,50 39,60 36,50 31,70 29,80 26,70 24,50 15,40

6,61 6,86 7,35 7,98 8,54 9,02 9,16 9,66 10,43 10,73 11,23 11,58 13,04

0,2203 0,1143 0,0613 0,0266 0,0142 0,0100 0,0076 0,0054 0,0029 0,0020 0,0016 0,0011 0,0002

0,051 0,037 0,027 0,018 0,013 0,011 0,009 0,008 0,006 0,005 0,004 0,004 0,001

50,27 48,73 45,63 41,70 38,20 35,20 34,30 31,20 26,40 24,50 21,40 19,20 10,10

77,24 74,87 70,11 64,07 58,69 54,08 52,70 47,94 40,56 37,64 32,88 29,50 15,52

Gráfico 1. Curva Granulométrica de la fracción fina

Nota: Se redujeron a 2 decimales los datos del diámetro de las partículas en la tabla 5, sin embargo el gráfico está realizado con los valores de Excel exactos, por lo que existen ciertos desfases en el diámetro de las partículas entre los valores de la tabla y los observados en el gráfico. 8

4. COMENTARIOS Y RECOMENDACIONES La curva granulométrica hace referencia únicamente a la fracción fina de la muestra, puesto que el ensayo realizado fue únicamente el de granulometría por hidrómetro, para construir una curva granulométrica completa es necesario el análisis granulométrico por tamizado. Ésta limitación impide dar una clasificación al suelo según el SUCS. 5. CONCLUSIONES  Realizamos el análisis granulométrico por hidrómetro para partículas que pasan el tamiz N°200, es decir para partículas con un diámetro menor a 0.075mm. De ésta manera garantizamos un análisis completo de la distribución de los tamaños equivalentes de las partículas que conforman la totalidad de la muestra de suelo y por lo tanto se puede decir que mientras mayor sea el porcentaje de partículas granulares y mayor su tamaño, el suelo tendrá mayor resistencia al corte.  El hidrómetro se basa en la Ley de Stokes, que relaciona la velocidad de caída de una partícula esférica con su diámetro, entonces adoptamos la suposición de que todas las partículas que conforman el sólido son esferas perfectas. Cabe recalcar que para partículas muy pequeñas su velocidad de sedimentación será muy pequeña por lo que es recomendable dejar la muestra varios días en reposo dependiendo de la minuciosidad que queramos entregar al estudio, además cabe recalcar que para partículas clasificadas como coloides (diámetro menor a 2 micras) no se sedimentarán por más largo lapso de tiempo que o dejemos reposar.  El diámetro equivalente mayor de la muestra fina es de 0.051mm, menor al de 0.075mm que divide el tamiz N°200, lo cual nos da fiabilidad de los resueltos obtenidos mediante los cálculos respectivos.  Para enlazar la curva granulométrica de la fracción fina a la curva granulométrica general, es necesario relacionar el porcentaje de finos al porcentaje de la fracción fina, es decir si para un diámetro de 0.051mm corresponde un 77.24% en peso, de partículas inferiores a este diámetro(%que pasa) y la fracción fina corresponde a un 5% en peso de la muestra total, el porcentaje que pasa correspondiente para graficar la curva granulométrica general será (77.24*0.05)=3.86% 6. BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS  Juárez Badillo, E. y Rico Rodríguez, A. Mecánica de Suelos. 3ra. Ed., Limusa, 2001.  Powrie, W. Soil Mechanics, Concepts & Applications. 2da. Ed., Spon Press, 2004.  Mecánica de Suelos, T.W.Lambe & R.V.Whitman, MIT, 1993

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