E-166 : Humedad del Suelo y del Suelo-Agregado

E - 166 -
PÁGINA
1
HUMEDAD DEL SUELO Y DEL SUELO-AGREGADO
EN EL TERRENO. METODOS NUCLEARES
(PROFUNDIDAD REDUCIDA)
I.N.V. E - 166
1.
OBJETO
1.1
Este método se refiere a la determinación en el terreno de la humedad de
suelo y de suelo-agregado, empleando equipo nuclear, por medio de la
moderación o reducción de neutrones rápidos cuando la fuente emisora y el
detector de éstos permanecen en la superficie. El equipo está calibrado para
determinar la humedad como peso de agua por unidad del volumen del material
(en kg/m 3 o lb/pie 3 ). La humedad se define normalmente como la relación
expresada en porcentaje, del peso del agua en un peso dado de suelo, con
respecto al peso de las partículas sólidas. Con este procedimiento, se la
determina dividiendo la humedad (kg/m 3 o lb/pie 3 ) por el peso unitario seco del
suelo (kg/m 3 o lb/pie 3 ). Por esto, el cálculo de la humedad, empleando el equipo
nuclear requiere también la determinación del peso unitario seco del material
bajo ensayo. Gran parte del equipo disponible puede medir tanto la humedad
(lb/pie 3 o kg/m 3 ) como el peso unitario total; la diferencia es el peso unitario
seco.
1.2
La humedad del material bajo ensayo se halla colocando una fuente rápida
de neutrones y un detector térmico de neutrones sobre o adyacentes al mismo.
1.3
El equipo utiliza materiales radioactivos que pueden resultar de riesgo
para la salud de los usuarios, a menos que se tomen las precauciones
adecuadas.
2.
USO Y SIGNIFICADO.
2.1
La humedad determinada mediante este método, es la humedad contenida
en un volumen dado del suelo. Deberá anotarse que el volumen del suelo y del
suelo-agregado representado en la medida es indeterminado y variará con la
disposición geométrica del conjunto fuente-detector del equipo empleado y con
las características del material ensayado. En general, y manteniendo constantes
las condiciones restantes, a mayor humedad del material, menor será el volumen
involucrado en la medida. A diferencia de los ensayos de secamiento en el
horno, la humedad determinada aquí no es necesariamente la humedad
E - 166 -
PÁGINA
1
promedia dentro del volumen involucrado en la medida. Para el equipo de
superficie usualmente empleado en materiales comunes, por ejemplo, cerca del
50% de la cuantía medida, corresponderá a los 75 a 100 mm (3 a 4")
superficiales de los suelos y del suelo-agregado.
La humedad se determina mediante la relación de la cuenta nuclear con
respecto al peso de agua o unidad de volumen del suelo.
2.2 Las medidas se hacen empleando neutrones rápidos que reflejan
modificaciones mediante su retrodispersión, a través del material que se está
ensayando. Cuando los neutrones de elevada energía son dispersados dentro
del suelo, ocurre una pérdida en la velocidad de cada neutrón a medida que éste
colisiona con el núcleo de los átomos del suelo. La rata a la cual ocurre el
proceso de reducción de velocidad depende: (1) de la masa del núcleo en
colisión con el neutrón, y (2) de la probabilidad de que los dos colisionen.
2.3
La rata a la cual los neutrones llegan al detector se ha denominado en
esta norma con el nombre de cuantía.
2.4
El método descrito es útil como una técnica rápida y no destructiva para la
determinación en el terreno de la humedad del suelo y del suelo agregado. Los
supuestos fundamentales inherentes al mismo son los que el hidrógeno está
presente en la forma de agua, como se define por la norma ASTM D 2216; y que
el material bajo ensayo es homogéneo.
El método es adecuado para el control y aceptación de suelos y agregados de
suelo para la construcción, la investigación y el desarrollo. Los resultados de los
ensayos pueden afectarse por la composición química, la heterogeneidad de la
muestra y, en menor grado, por el peso unitario y la textura superficial del
material. Esta técnica exhibe también diferencias espaciales, por cuanto el
aparato es más sensible a ciertas zonas del material que se está ensayando.
2.5
El ensayo nuclear de humedad en el terreno, ofrece varias ventajas sobre
métodos convencionales, tales como evitar el secamiento de muestras en el
horno, particularmente cuando los ensayos se realizan para el control continuo
de la construcción. Su mayor ventaja es el corto tiempo requerido para obtener
una humedad y disponer de los datos en pocos minutos después de efectuado el
ensayo. Cuando se realicen simultáneamente los ensayos de humedad y de
peso unitario, se podrán realizar más ensayos, diariamente, que cuando se
emplean otros métodos tradicionales. Adicionalmente, las mediciones
aparentemente erráticas pueden detectarse y comprobarse inmediatamente,
puesto que los ensayos nucleares no son destructivos. Estas ventajas se hacen
E - 166 -
PÁGINA
1
más notorias en entidades que efectúan mediciones en forma mas o menos
continua. Las que efectúan medidas poco frecuentes u ocasionales, pueden
estar en desventaja por el mantenimiento y la preparación del material y, de los
equipos (cargue periódico de las baterías, mantenimiento de los registros de
exposición de radiación, etc).
El equipo empleado en este método es de tipo superficial. En general, cualquier
fuente de neutrones suficientemente numerosos y energéticamente apropiados,
puede emplearse para medir la humedad del suelo y del suelo-agregado. Las
fuentes más comúnmente empleadas, sin embargo, son Americio-Berilio y
Radio-Berilio, siendo usada la última principalmente para instrumentos de doble
propósito, diseñados también para determinar el peso unitario total o húmedo.
Los detectores empleados son tubos de gas llenos con trifluoruro de Boro y
cristales centelleantes o cámaras de fusión. Los detectores del último tipo,
ofrecen el potencial para variar el rango de energías de los neutrones que son
contabilizados.
2.7
El peso del núcleo de hidrógeno es casi igual al peso de los neutrones. La
colisión con átomos de hidrógeno, por lo tanto, reduce la velocidad de los
neutrones más rápidamente que la colisión con núcleos más pesados. La gran
diferencia entre los pesos de átomos de hidrógeno, y los normalmente
encontrados en el suelo, significan que la efectividad relativa de los átomos de
hidrógeno para reducir la velocidad de los neutrones, es muy pronunciada.
2.8
La probabilidad de que un neutrón colisione con el núcleo de un átomo,
depende de la sección transversal dispersante del átomo. Para la mayoría de los
elementos, este valor es bajo, aumentando generalmente, con la disminución de
la energía de los neutrones. La sección transversal de la dispersión del átomo de
hidrógeno para neutrones de alta energía, sin embargo, es mayor que para la
mayoría de los restantes átomos presentes en suelos.
2.9
Estos dos hechos combinados, hacen al hidrógeno el medio más efectivo
para reducir la velocidad de neutrones rápidos. Si un detector lento de neutrones
térmico, está cerca de la fuente de éstos en un suelo que contenga hidrógeno, la
actividad registrada se debe casi completamente a neutrones que han sido frena
americio, es elaborado por el hombre y
como tal su empleo esta regulado en EE.UU. por la Comisión de Energía
Atómica, así como por otros gobiernos en diferentes países. A causa de que el
radio y el berilio son materiales que se presentan en la naturaleza, su uso está
ahora regulado por los diferentes gobiernos. Los objetivos de tales regulaciones,
E - 166 -
PÁGINA
1
entre otras, son los de lograr que el uso de materiales radioactivos se efectúe de
manera segura para el operador y los usuarios.
3.
EQUIPO
3.1
Fuente de neutrones rápidos.- Una fuente nuclear sellada que emita
neutrones rápidos, o sea un material de isótopos sellado como americio-berilio,
radio-berilio, o un dispositivo electrónico como un generador de neutrones.
3.2
Detector de neutrones lentos.- Cualquier tipo de detector de neutrones
lentos, como trifluoruro de boro, un cristal centelleante, o una cámara de fusión,
sensible a los neutrones a medida que ellos son dispersados al pasar a través
del material que se está ensayando.
3.3
Dispositivo de lectura.- Un contador con provisión para el cronometraje
automático y exacto, para la determinación de la rata a la cual llegan al detector
los neutrones modificados (cuantía) y una escala adecuada para el medidor.
Generalmente, el dispositivo de lectura contendrá, el suministro de alto voltaje
necesario para operar el detector y el de bajo voltaje para operar el dispositivo
de lectura y los accesorios del aparato.
3.4
Empaque.- La fuente, el detector, el dispositivo de lectura y la fuente de
suministro deberán colocarse en cajas de construcción fuerte, las cuales
deberán ser a prueba de polvo y agua.
Nota 1: La fuente de neutrones, el detector, el dispositivo de lectura y la fuente
de corriente pueden empacarse separadamente o integrarse con un
sistema de medición nuclear de peso unitario.
3.5
Patrón de comparación.- Se utiliza para comprobar la operación del equipo
y la calibración y para establecer condiciones de que la cuantía sea
reproducible.
3.6
Dispositivos para la preparación del sitio.- Una placa de acero de borde
recto u otras herramientas adecuadas de nivelación pueden emplearse para
nivelar el sitio de ensayo hasta obtener la tersura requerida.
4.
CALIBRACION
E - 166 -
PÁGINA
1
4.1
Se han establecido curvas de calibración determinando la cuantía para
muestras de diferentes humedades conocidas, dibujando puntos de cuantía
contra contenidos de humedad conocidos y haciendo pasar una curva a través
de los puntos dibujados. El método y el procedimiento de ensayo empleado para
establecer la curva deberán ser los mismos que se usen para determinar la
humedad del material que se va a ensayar. La humedad de los materiales
empleados para establecer la curva, deberá variar a través de un rango que
incluya la humedad de los materiales que se van a ensayar. Los materiales
empleados para la calibración deben ser de peso unitario y humedad uniformes.
Nota 2: Debido al efecto de la composición química, hay unas curvas de
calibración suministradas por el fabricante, que pueden ser inaplicables en
los materiales bajo ensayo. Por esto, las curvas de calibración deben
verificarse y ajustarse de acuerdo con los numerales 4.2 y 4.3.
Las curvas de calibración se pueden determinar aplicando los métodos
siguientes:
-
Usando recipientes preparados de suelo compactado y de suelo-agregado
con humedad conocida. Los recipientes preparados deben ser
suficientemente grandes para que no cambie la cuantía si se alarga una
de sus dimensiones. (Nota 3) Si la densidad del hidrógeno de un materia
puede calcularse a partir de un peso específico y su fórmula química,
teniendo en cuenta que estos datos se conocen con exactitud, se puede
obtener una curva de calibración mucho más real en comparación con
métodos de secado al horno. El agua absorbida por la roca, que puede
removerse mediante secamiento a 110°C durante 24 horas, debe también
considerarse en comparación con métodos de secado en el horno.
-
Usando bloques de calibración permanentes o patrones que contengan
elementos químicos ligados con hidrógeno, y que produzcan respuestas
de calibración equivalentes a humedades conocidas. Un material no
hidrogenado, como magnesio, puede emplearse para calibrar la humedad
cero.
Nota 3: Dimensiones de aproximadamente 610 x 610 x 280 mm (24" x 24" x 15",
largo x ancho x altura) han sido comprobadas satisfactorias para muchos
equipos.
4.2
Verificación de las curvas de calibración.- Deben verificarse las curvas de
calibración para equipos o instrumentos nuevos y para instrumentos reparados.
E - 166 -
PÁGINA
1
Las curvas de calibración pueden comprobarse mediante los procedimientos
dados en 4.1.
4.3
Ajuste de las curvas de calibración.- Cuando se emplean patrones
permanentes o bloques para comprobar la calibración de la humedad, dibújese
la cuantía contra cada humedad conocida como se describe en 4.1. Si una curva
dibujada a través de los puntos colocados indica humedades con una diferencia
de 16 kg/m 3 (1.0 lb/pie 3 ) de las mostradas mediante la curva regular de
calibración para las mismas cuantías, no se necesita ningún ajuste de la curva
de calibración. Si la diferencia excede esta cantidad, la curva establecida para
comprobar la calibración, reemplazará a las curvas de calibración originales.
-
Si el dibujo de cada uno de los resultados de los ensayos de humedad
determinados mediante el primer método del numeral 4.1, forma una
trayectoria dispersa que aleatoriamente se superponga sobre la curva de
calibración previamente establecida, y el promedio calculado de todos los
ensayos de comparación secados en el horno, esté dentro de 16 kg/m 3
(1lb/pie 3 ) del promedio de todas las determinaciones nucleares de
humedad correspondiente, no es necesario el ajuste de la curva de
calibración.
-
Si la diferencia promedio obtenida en el párrafo anterior es de más de 16
kg/m 3 (1 lb/pie 3 ), los ensayos subsiguientes de humedad nuclear deberán
ajustarse ya sea agregando la diferencia de los promedios, si el promedio
nuclear es más bajo, o sustrayendo la diferencia en los promedios, si el
promedio nuclear es mayor.
-
La diferencia promedio obtenida en el párrafo anterior puede emplearse
para dibujar una curva de calibración corregida, la cual deberá ser
paralela a la curva original de calibración y corregirse por la cantidad y
dirección de la diferencia. Una curva de calibración corregida puede
también determinarse dibujando la cuantía contra cada humedad conocida
como se describe en el numeral 4.1 y dibujando una curva a través de los
puntos de verificación marcados.
5.
PROCEDIMIENTO
5.1
Normalización.- La normalización del equipo sobre un patrón de referencia
se requiere al inicio de cada día de uso en la siguiente forma:
-
Caliéntese el equipo de acuerdo con las recomendaciones del fabricante.
E - 166 -
PÁGINA
1
-
Tómense al menos cuatro lecturas repetidas, de por lo menos un minuto
cada una, con el medidor sobre el patrón de referencia. Esta constituye
una comprobación de normalización.
-
Si la media de las cuatro lecturas repetidas está por fuera de los límites
establecidos mediante la ecuación (1), repítase la comprobación de
normalización. Si en el primero o el segundo intento la ecuación se
satisface, la operación del equipo se considera satisfactoria y puede
continuarse con el numeral 5.2.
Ns = N o ± 2.0 √ N o
(1)
Donde:
Ns = Cuantía medida al comprobar la operación del instrumento
sobre el patrón de referencia.
N o = Cuantía normal de referencia previamente establecida sobre
el patrón referencia (promedio de 10 lecturas repetidas).
-
Si el segundo intento no satisface dicha ecuación, compruébese el
sistema y repárese el instrumento si fuere necesario. Es posible emplear
el instrumento en esta condición, si puede establecerse una relación
satisfactoria de calibración.
-
Establézcase un nuevo N o calculando la media de 10 lecturas repetidas
sobre el patrón de referencia.
-
Compruébese la curva de calibración de acuerdo con el numeral 4.2 y si
fuese necesario, ajústese la curva de calibración de acuerdo con el
numeral 4.3.
5.2
Preparación del sitio.- Escójase un sitio para el ensayo donde el medidor
en su posición se halle por lo menos 150 mm (6") por fuera de cualquier
proyección vertical.
E - 166 -
PÁGINA
1
Prepárese el sitio de ensayo de la siguiente manera:
-
Remuévase todo el material suelto alterado, y retírese el material adicional
que sea necesario, para alcanzar la parte superior del intervalo vertical
que se va a ensayar (véase Nota 4).
-
Prepárese una área horizontal de tamaño suficiente para acomodar el
medidor, nivelándola hasta llegar a una condición lisa y de manera que se
obtenga máximo contacto entre el medidor y el material que se esta
ensayando.
-
Las depresiones máximas por debajo del medidor no deberán exceder de
3 milímetros (1/8"). Empléense finos o arena fina del sitio para llenar los
vacíos y nivélese el exceso con una placa rígida u otra herramienta
adecuada.
Nota 4: Las dispersiones espaciales deberán considerarse para determinar la
profundidad a la cual se va a colocar el medidor.
Nota 5: La colocación del medidor sobre la superficie del material que se va a
ensayar, es de fundamental importancia para la determinación correcta de
la humedad. La condición óptima es el contacto total entre el fondo de la
superficie del medidor y la superficie del material que se está ensayando.
Como esto no es posible en todos los casos, es necesario emplear un
relleno de arena que no deberá exceder de 3 mm aproximadamente (1/8")
y el área total rellenada no deberá exceder del 10% del área inferior del
medidor. Algunos asentamientos de prueba pueden requerirse para lograr
tales condiciones.
5.3
Ensayo.- Procédase para el ensayo de la manera siguiente:
-
Asiéntese firmemente el medidor.
-
Manténgase cualquier otra fuente radioactiva, lejos del medidor (como lo recomienda el fabricante), para
que no se afecten las lecturas.
-
Empléese suficiente tiempo de calentamiento como cuando se hizo para la normalización.
-
Colóquese la fuente en su posición de trabajo y tómense una o más lecturas en un minuto.
E - 166 6.
CALCULOS
6.1
Promédiense las lecturas obtenidas al final del numeral anterior.
6.2
Determínese la humedad mediante el empleo de una curva aplicable de calibración.
6.3
Calcúlese la húmedad, w, en porcentaje en peso del suelo seco en la siguiente forma:
w = (Wm/Wd) x 100
Wm = Peso de agua en el suelo, en kg/m3 (lb/pie3)
Wd =Peso unitario seco del suelo en kg/m3 (lb/pie3).
7.
INFORME
7.1
-
El informe deberá incluir lo siguiente:
Sitio del ensayo
-
Elevación o cota de la superficie
-
Descripción visual del material
-
Identificación del equipo de ensayo (fabricante, modelo y número de serie).
-
Cuantía para cada lectura
-
Humedad en kilogramos por m3 (lb/pie3).
-
Peso unitario húmedo
-
Peso unitario seco
-
Humedad como porcentaje de peso del suelo seco
PÁGINA
1
E - 166 8.
PÁGINA
1
PRECISION
8.1
Determínese la precisión del sistema P, a partir de la pendiente de la curva de calibración, S, y la desviación
estándar, (, de las señales (neutrones detectados), en cuentas por minuto, en la siguiente forma:
P = (/S
8.2
Cuando la pendiente de la curva de calibración está determinada en el punto de 160 kg/m3 (10 lb/pie3) y la
desviación estándar está determinada a partir de 10 lecturas repetidas de un minuto cada una, (el medidor no se ha
movido después de su primera colocación), tomadas sobre un material que tiene una humedad de 160 ± 10 kg/m3
(10.0 ± 0.6 lb/pie3), el valor de P deberá ser menor que 4.8 kg/m3 (0.30 lb/pie3).
9.
CORRESPONDENCIA CON OTRAS NORMAS
AASHTO
T 239
ASTM
D 3017