ENSAYOS DE HUMEDAD, DENSIDAD (PROCTOR) & GRAVEDAD ESPECÍFICA. Mecánica de suelos ICI 4310. NRC 7131. Fecha: Agosto 28, 2020. Esnaider Álvarez, 200106872 Jesús Cárcamo,200124198 Santiago De Moya, 200123849 Juan Morales, 200124444 Freddy Romero, 200104843 1. INTRODUCCIÓN En toda obra de ingeniería civil es de vital importancia la realización de distintos ensayos que permitan caracterizar las propiedades de distintos tipos de suelos. La importancia del estudio de suelos depende del tipo de proyecto que se va a realizar y de la magnitud de este; con los resultados del estudio de suelos es posible tomar decisiones sobre del tipo de cimentación a emplear y la profundidad debes de cimentación. Además, dependiendo del tipo de suelo se puede estimar la capacidad de soporte del suelo (resistencia del suelo) y eso se puede determinar únicamente con el estudio de suelos (Crespo Villalaz, 2005). En el mismo orden de ideas, una de las propiedades que cobra mayor relevancia es la humedad, ya que puede afectar directa e indirectamente las propiedades mecánicas del suelo. Con la finalidad de medir esta misma el laboratorio se realizó el ensayo de humedad, con el fin de determinar el contenido de humedad en agregado y suelo, representando así porcentualmente el contenido de agua de una muestra. Dicho ensayo fue realizado en el laboratorio de materiales-geotecnia, ubicado en la Universidad del Norte. Todo esto bajo los estándares y protocolos de las normas, I.N.V E 122-13 y ASTM D 2216-10, referidos al ensayo de humedad de agregados y suelos. Asimismo se realizó el ensayo de gravedad específica, cuya finalidad es determinar la gravedad especifica de las partículas de suelo que pasan en el tamiz No 4, La gravedad especifica relaciona la masa de un sólido que puede contenerse en un volumen específico, con la masa de agua que podría contenerse en ese mismo volumen, dicho ensayo fue realizado bajo los estándares de las normas I.N.V.E 128-13 y ASTM D 854-10. Por último se realizó el ensayo de densidad, Este ensayo tiene como finalidad determinar la densidad Bulk y el porcentaje de vacíos en materiales cuyo tamaño máximo sea de máximo 125mm, la densidad Bulk se refiere a la masa en unidad de volumen total en los materiales, dicho ensayo esta regido por las normas I.N.V-E 217-13 y ASTM C 29/C 29M - 09. Todo esto con el fin de maximizar la eficiencia y realizar el ensayo de forma óptima. 2. EQUIPOS EXPERIMENTALES 2.1 Contenido de humedad: ● Horno: Controlado termostáticamente, que pueda mantenerse a una temperatura de 110°C ± 5 °C (230 °F ± 9°F) en toda la cámara de secado. ● Balanza digital: Con esta se debe poder medir con una exactitud mínima de 0.05 kg y con una precisión de ± 0.01g. ● Recipiente para muestra del suelo: Metálicos y cilíndricos. Que preferiblemente tengan agarraderas y vasijas apropiadas en donde se puedan colocar los agregados. ● Guantes: De alta resistencia al calor que garanticen confort y flexibilidad en los dedos. ● Espátula: De tamaño y forma conveniente para llenar un recipiente de medida con los agregados. 2.2 Gravedad específica: ● Picnómetro: Debe ser un frasco con tapón o volumétrico con capacidad de 250 ● ● ● ● ml. Recipiente para muestra del suelo: Metálicos y cilíndricos: Que preferiblemente tengan agarraderas y vasijas apropiadas en donde se puedan colocar los agregados. Horno: Controlado termostáticamente, que pueda mantenerse a una temperatura de 110°C ± 5 °C (230 °F ± 9°F) en toda la cámara de secado. Balanza digital: Con esta se debe poder medir con una exactitud mínima de 0.05 kg y con una precisión de ± 0.01g. Embudo: Preferiblemente con superficie anticorrosiva y lista para evitar que el material se quede adherido. 2.3 Densidad: ● Molde: Recipiente cilíndrico fabricado con metal con dimensiones especificadas. ● Espátula: De tamaño y forma conveniente para llenar un recipiente de medida con los agregados. ● Balanza digital: Con esta se debe poder medir con una exactitud mínima de 0.05 kg y con una precisión de ± 0.01g. ● Varillas metálicas: Utilizadas para compactar la muestra de suelo. 3. PROCEDIMIENTO 3.1 Contenido de humedad El procedimiento realizado para determinar la humedad de la muestra de suelo fue la siguiente: ● ● Se toma un recipiente con una masa de 2126.3 gr de arena. Se pesa en la balanza la muestra del material (arena). ● Al registrar la lectura del peso, se introduce la muestra al horno y se deja por 24 horas. ● Por último, se retira la muestra del horno y se pesa con la ayuda de una balanza calibrada según la norma 3.2 Determinación de gravedad específica El procedimiento que se llevó a cabo para determinar la gravedad específica de la muestra fue la siguiente: ● ● Se toma una muestra del material seco con una masa de 101,1 gr. Se toma el picnómetro y se registra su peso, luego se llega de agua hasta el menisco. Nuevamente se registra el peso. ● Se vacía el picnómetro por debajo de la marca de 500 ml y se le agrega la muestra de arena de 101,1 gr y se vuelve a llenar de agua el picnómetro hasta el menisco. ● Luego se procede a la extracción de las burbujas de aire mediante rotaciones. ● Después de extraer el aire, se procede a registrar el peso del picnómetro con la mezcla. 3.3 Determinación de densidad bulk y porcentaje de vacíos (Proctor). El procedimiento realizado para el cálculo de la densidad en este laboratorio consta de 2 fases, las cuales a la vez se subdividen en sí mismas. Dichas fases son: ● Se colocan al horno 5 kg de muestra a una temperatura aproximada de 110°C durante 24 horas. ● Es requerida la implementación de un molde con dimensiones conocidas y de peso 4,44 kg. 3.3.1 En estado suelto, 3 veces. ● Se procede a simplemente dejar caer la muestra en el molde sin aplicarle compactación alguna, es decir, sólo actúa la fuerza de la gravedad en la compactación de la muestra. ● Posterior al llenado se procede al enrase de la muestra con el molde buscando que ambos queden al mismo nivel. ● Luego se limpia con cuidado las superficies del molde con el fin de evitar que queden excesos en estas que puedan afectar los cálculos. ● Finalmente, luego de asegurarnos que todo esté en orden, pasamos a pesar el molde con la muestra. 3.3.2 Compactación, 3 veces. ● Se procede a colocar la muestra dentro del molde hasta llenar aproximadamente ⅓ del mismo, luego se compacta con la ayuda de una varilla metálica se apisona la capa con 25 golpes distribuidos en la superficie evitando que esta golpee el suelo o bordes del molde y repetimos el con los otros ⅔ hasta llenar el molde. ● Posterior al llenado se procede al enrase de la muestra con el molde buscando que ambos queden al mismo nivel, con el debido cuidado de no golpear el molde. ● Luego se limpia con cuidado las superficies del molde con el fin de evitar que queden excesos en estas que puedan afectar los cálculos. ● Finalmente, luego de asegurarnos que todo esté en orden, pasamos a pesar el molde con la muestra. 4. DATOS, CÁLCULOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 4.1. Humedad El contenido de humedad de la muestra de suelo se calcula con la siguiente ecuación: 𝑊= 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝑔 ∗ 100% 𝑚𝑠𝑒𝑐𝑜 ∗ 𝑔 Ecuación 1: Humedad De los datos encontrados tenemos los siguientes: W: contenido de humedad (%) m1: masa del recipiente (g) m2: masa del recipiente con el material húmedo con recipiente (g) m3: masa del recipiente con el material seco con recipiente (g) DATOS m1 UNIDAD MAGNITUD g 755,3 m2 g 1004,9 m3 g 989,8 W % - Tabla 1: Datos Laboratorio Humedad *El valor de m1 se tomó teniendo en cuenta el valor estimado de un recipiente del laboratorio de la universidad. (Anexos) En primer lugar, calculamos los valores de las masas de los materiales sin el recipiente: 𝑚ℎú𝑚𝑒𝑑𝑎 = 𝑚2 − 𝑚1 = 249,6 𝑔 𝑚𝑠𝑒𝑐𝑎 = 𝑚3 − 𝑚1 = 234,5 𝑔 Posteriormente, se calcula el valor de la masa de agua contenida en el material húmedo, cómo la diferencia del material granular en estado húmedo y en estado seco: 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑚ℎú𝑚𝑒𝑑𝑎 − 𝑚𝑠𝑒𝑐𝑎 = 15,1 𝑔 Finalmente, se reemplazan los datos anteriores en la Ecuación de humedad: 𝑊= 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝑔 = 0,064 𝑚𝑠𝑒𝑐𝑜 ∗ 𝑔 𝑊 = 6,4% 4.2. Gravedad Específica. El cálculo de la gravedad específica para la muestra de material está dado por la siguiente ecuación: 𝐺𝑠 = 𝑚1 ∗𝐾 𝑚2 − 𝑚3 + 𝑚1 Ecuación 2: Gravedad específica de los solidos Donde: Gs: gravedad especifica de los sólidos m1: masa de suelo seco que pasa por el tamiz N°4 m2: masa del picnómetro + agua m3: masa del picnómetro + suelo + agua Los datos tomados en el laboratorio fueron los siguientes: DATOS UNIDAD MAGNITUD m1 g 101,1 m2 g 655,5 m3 g 718,5 K 1 Gs ? Tabla 2: Datos Laboratorio Gravedad Específica Para este ensayo asuremos un valor de temperatura estándar de laboratorio de 20°C, esto con el fin de obtener el valor del factor de corrección de temperatura. Dicho valor se tomó de la tabla de la norma INV E -128-13 (Anexos). Reemplazando los valores de la tabla anterior tenemos que: 𝐺𝑠 = 101,1 𝑔 ∗1 655,5 𝑔 − 718,5 𝑔 + 101,1 𝑔 Gs=2,651 4.3. Densidad bulk 4.3.1 Estado Suelto Para este laboratorio vamos a calcular la densidad Bulk (dB), en estado suelto y compactado, para hacer ese cálculo vamos a estar utilizando la siguiente formula: 𝑚 4∗𝑚 𝜌𝐵𝑢𝑙𝑘 = = 𝑉 𝜋ℎ𝑑² Ecuación 3: Densidad Bulk Donde: ρBulk : densidad Bulk (Kg/m3) m1: masa del molde sin el collar extensor (Kg) m2: promedio masa del molde (sin collar) + material (suelto o compactado) (Kg) π: constante Pi h: altura del molde (m) d²: diámetro interno del molde (m) Los siguientes datos fueron tomados en el ensayo de laboratorio. DATOS UNIDAD MAGNITUD m1 Kg 4,4435 m2 Kg 5,8600 h m 0,1165 d m 0,101 ρBulk Kg/m3 ? % Vacíos % ? Tabla 3: Datos Laboratorio Densidad Bulk Suelto Inicialmente, hallaremos el valor de la masa en estado seco: 𝑚𝑆𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎 = 𝑚2 − 𝑚1 = 1,4165 Kg Posteriormente, se reemplazan los datos de la Tabla 3 en la Ecuación 3: ρBulk = 4(1,4165 𝐾𝑔) 𝜋 ∗ 0,1165 𝑚 ∗ (0,101 𝑚)² ρBulk(Suelta) = 1517,602 Kg/m3 4.3.2. Estado Compactado Los siguientes datos fueron tomados en el ensayo de laboratorio. DATOS UNIDAD MAGNITUD m1 Kg 4,4435 m2 Kg 5,9787 h M 0,1165 d M 0,101 ρBulk Kg/m3 ? % Vacíos % ? Tabla 4: Datos Laboratorio Densidad Bulk Compactado Inicialmente, hallaremos el valor de la masa en estado compactado: 𝑚𝐶𝑜𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑎𝑑𝑎 = 𝑚2 − 𝑚1 = 1,5352Kg Posteriormente, se reemplazan los datos de la Tabla 4 en la Ecuación 3: 4(1,5352 𝐾𝑔) ρBulk(Comp) = 𝜋 ∗ 0,1165 𝑚 ∗ (0,101 𝑚)² ρBulk(comp) = 1644,77 Kg/mᶟ 4.4. Análisis de Resultados: Según (Braja, 2014), el contenido de humedad (W) también se conoce como contenido de agua y se define como la razón del peso de agua al peso de los sólidos en un volumen dado de suelo. Partiendo de esta definición, al analizar el valor hallado de humedad de 6,4%, se puede afirmar que la relación agua/sólidos es baja, y por ende nos encontramos ante un suelo seco. Este material al tener un contenido de humedad bajo, se puede considerar un suelo suelto y poco cohesivo. Por otro lado, de acuerdo a la norma INVIAS INV E-128-13, la Gravedad Especifica (Gs) es la relación de un cierto volumen de solidos a una temperatura dada y la masa del mismo volumen de agua destilada y libre de gas a igual temperatura. En nuestro ensayo, se encontró que el valor para esta propiedad es de 2,651. Con este resultado, al tener en cuenta los valores de clasificación de suelos de la norma INVIAS INV E-12813 en las tablas 128-3 y 128-4 (Anexos), nos indica que nuestra muestra es un suelo de carácter arcilloso. Esta cualidad nos ayuda a caracterizar y clasificar aún más detalladamente el tipo de suelo con el que nos encontramos trabajando. Además, la norma INV E-217-13 define la densidad Bulk como la “masa de un volumen unitario de un agregado total, el cual incluye el volumen de las partículas individuales y el volumen de los vacíos entre ellas”. Los valores calculados para la densidad bulk en estado suelto y compacto son: 1517,6 Kg/m3 y 1644,77 Kg/m3 respectivamente. Para el valor de la densidad suelta, podemos decir que es un resultado admisible, ya que se encuentra dentro del rango (1100-1900 Kg/m3). Por lo contrario, el valor de densidad compactada se encuentra por debajo del valor promedio (2650 Kg/m3), lo que confirma una de nuestras primeras afirmaciones, nuestra muestra es naturalmente un suelo de carácter suelto. 5. DISCUSIÓN E INTERPRETACIÓN 5.1 Ensayo de humedad. De acuerdo con el procedimiento llevado a cabo en este ensayo, podríamos decir que el factor humano sería el único que podría llevar mal término la prueba de laboratorio, dado que los pasos a seguir son muy sencillos al igual que los cálculos que deben ser realizados y permite saber con prontitud, la humedad de una muestra significativa de suelo, en el caso del suelo observado en este ensayo, por la baja cantidad de humedad de este suelo podríamos estar hablando de un suelo arenoso con partículas de tamaño tipo arenisca ideal para la construcción ya que según el texto Mecánica de los suelos. Notas del curso Suelos I la cantidad de humedad óptima debe ser menor al 3%. 5.2 Gravedad específica y porcentaje de vacíos. En este ensayo se pueden dar errores principalmente en el proceso de extracción de burbujas de aire, o en los cálculos dado que este ensayo está diseñado para realizarse a 20°C, en nuestro caso al calcular la Gravedad específica obtuvimos un valor de 2,651 lo que según Mecánica de los suelos. Notas del curso Suelos I. es un valor muy cercano al valor más común de gravedad específica de los suelos. 5.3 Densidad. Para este ensayo el principal factor generador de errores puede darse en el proceso de compactación del suelo, además del proceso de llenado del recipiente donde se hará la compactación, ya que si el material es vertido desde alturas distintas algunas secciones del recipiente terminarán con una compactación mayor, en nuestro caso, la muestra en análisis arrojó como resultado una densidad bulk en estado suelto y compacto de 1517,6 Kg/m3 y 1644,77 Kg/m3 respectivamente. 6. BIBLIOGRAFÍA Braja, D. (2013). Fundamentos De Ingeniería Geotécnica. México DF. Mexico:Cengage Learning Editores. Disponible en: https://www.academia.edu/37854899/Fundamentos_de_Ingenieria_Geotecnica _Braja_M_Das Duque, G., & Escobar, C. (2001). Origen formación y constitución del suelo, fisicoquímica de las arcillas. Recuperado de: https://d1wqtxts1xzle7.cloudfront.net/45760335/Suelos.pdf? Instituto Nacional de Vías. INVIAS. I.N.V. E – 122 – 13. Determinación en laboratorio del contenido de agua (Humedad) del suelo, roca y mezclas de suelo –agregado. Instituto Nacional de Vías. INVIAS.I.N.V. E – 128 – 13. Determinación de la gravedad específica de las partículas sólidas de los suelos y del llenante mineral, empleado un picnómetro con agua. Villalaz, C. C. (2005). Mecanica de suelos y cimentaciones/Mechanics of Grounds and Laying of Foundations. Editorial Limusa. 7. ANEXOS Foto Peso Recipiente Tabla 128-2. Densidad del agua y coeficiente de corrección por temperatura Tabla 128-3 INV E 128-13 Tabla 128-4 INV E 128-13
