Densidad Absoluta y Densidad Relativa (Densidad Maxima y Minima)
¿Que es la Densidad?
La densidad es una dimensión referida al total de material contenido dentro de un determinado volumen. El concepto de densidad, la presenta como la relación existente entre la masa que tiene un cuerpo o sustancia y el volumen que esta ocupa en el espacio donde está presente.
La definición de densidad para la mecánica de suelos, la establece como una propiedad que logra ser comprobada mostrando el estado de compactación de los suelos.
Densidad Absoluta
La densidad absoluta en mecánica de suelos, dependerá de las características relacionadas con el tamaño de las partículas que componen un terreno. Así, si el suelo es de granos finos, la densidad absoluta de éste será mayor, que un suelo de granos gruesos, esto porque los granos finos ocuparan menos espacio (volumen) que los granos gruesos, pero habrá mayor cantidad del material (mayor masa, que será mayor peso). Los suelos de partículas gruesas ocupan más espacio y por ser granos de mayor tamaño, entre ellos existe una separación significativa, lo que disminuye la cantidad de masa (peso) pero ocupa más espacio (volumen).
¿Que es la Densidad Relativa?
La densidad relativa se utiliza para para evaluar el grado de compactación o acomodo que pueden alcanzar las partículas que componen un suelo, siendo más usada en aquellos suelos compuestos por gravas y arenas finas o gruesas. Este tipo de densidad ofrece información crucial tanto para terrenos naturales como para materiales utilizados como suelos de relleno.
Un suelo limoso o arcilloso, será más denso que un suelo rocoso o arenoso. Mientras más densos sean los componentes granulares de un suelo, mayor será su grado de compactación.
La utilidad de la densidad relativa en la mecánica de suelos radica en la correlación que está puede tener con otros criterios de evaluación de los suelos como los son: el Ensayo C. B. R y el Ensayo Proctor, empleados para determinar la capacidad de soporte de un terreno.
¿En que Unidades se Expresa la Densidad?
Las unidades en las que se expresa la densidad dependerán del sistema métrico utilizado. Un sistema métrico contiene unidades para manifestar las diferentes magnitudes de la materia en sus diversos estados (sólido, líquido o gaseoso). Existen tres sistemas de clasificación de unidades: el sistema MKS, el sistema CGS y el sistema técnico de unidades.
A la luz de lo anteriormente expuesto, las unidades más comunes para expresar la densidad son las correspondientes al Sistema Internacional de Unidades o Sistema MKS, donde la M corresponde a la unidad que expresa longitud, que es el metro; la K enuncia la masa de un cuerpo, formulada en kilogramo; y la S con la unidad de tiempo, que es igual al segundo. Es importante mencionar, que la unidad relacionada con el volumen, en dicho sistema, es el metro cubico. Partiendo de esto, las unidades para expresar la densidad en el sistema MKS serán el kilogramo y el metro, y teniendo presente que la densidad es la relación entre la masa y el volumen, la forma correcta para denotar densidad es kg/m3.
En el sistema CGS, la c corresponde a la longitud, y en este caso es el centímetro, la G denota la masa de un cuerpo siendo el gramo, la unidad para expresarla y la S, al igual que en el sistema MKS, corresponde con la unidad de tiempo, es decir, el segundo. Así, las unidades para expresar la densidad en este sistema métrico serán el gramo y los centímetros cúbicos (g/cm3).
El sistema técnico de unidades, no contempla al volumen como magnitud de la materia, así que se puede tomar la unidad del sistema MKS para ello; para la masa tampoco tiene un nombre específico, por lo que le denomina unidad técnica de masa o U. T. M, siendo la densidad expresada en este sistema de unidades en UTM/ m3.
La Gravedad Especifica y Densidad
La gravedad específica generalmente se representa con la letra sG que viene de la expresión inglesa specific gravity, siendo esta la relación de la densidad de un fluido respecto a la densidad del agua. En caso de desconocer la temperatura del agua, se asumirá estará a 3,98 °C y, por lo tanto, su densidad será igual a 0,999972 g/cm3 o 999,972 kg/m3.
La gravedad especifica vislumbra la masa de un cierto volumen de solidos a una temperatura especifica.
Determinación de la Densidad Máxima y Mínima según NCh1726 – 1980
1.- Ámbito de aplicación y campo de aplicación.
El objeto de la aplicación de la norma citada es establecer las densidades máximas y mínimas en seco en suelos cuyo coeficiente de cohesión es mínimo o incluso inexistente, no cementados, cuya dimensión nominal máxima alcanza los 80 mm, y deben contener hasta un 12% en masa de partículas cuyo tamaño es inferior a 0,08 mm y un IP igual o inferior a 5 mm. La aplicabilidad de este método es posible, ya que en esta clase de suelos, ya sean secos o saturados, la compactación por impacto no desarrolla una curva bien definida para la proporción entre humedad y densidad.
Según Karl Terzaghi, el grado de compactación de estos suelos mediante los valores de densidad relativa puede denominarse también índice de densidad (ID).
2.- Referencias
NCH 1726 DE 1980
3.- Equipo utilizado en la determinación de la Densidad Mínima y Máxima
Para la determinación de la densidad mínima y máxima se utilizan los siguientes equipos
– Mesa de acero vibratoria. Esta tiene una cubierta cuya superficie es de aproximadamente 750 mm de ancho y 750 mm de largo, que descansa sobre amortiguadores y se activa por medio de un vibrador electromagnético.
– Dos moldes cilíndricos, uno con una capacidad de 2832 cc. y el otro con 14160 cc de capacidad. Cada cilindro tiene un equipo adjunto que consiste en una placa base de acero de 12,5 mm de espesor, una sobrecarga de plomo que junto con la placa base equivale a 14 Kpa para el molde en uso y un collarín que recibe las sobrecargas.
– Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable capaz de mantener una temperatura de 110º ± 5º C.
– Un medidor de deformación comparativa o dial lector de deformación, con un recorrido de 50 mm y una precisión de 0,01 mm.
– Herramientas y accesorios: balanza con una capacidad superior a 10 kgs. y una precisión igual o inferior a 1 g. O menos, regla metálica, pala, cronómetro, palillo, tamices y recipientes de plástico. Mesa vibratoria y accesorios según la norma NHC1726 DE 1980.
4.- Procedimiento para determinar la Densidad Mínima y Máxima
Para la determinación de la densidad mínima:
– Se selecciona el molde, el aparato de llenado y el peso de la muestra, en función de la granulometría máxima del suelo, según los parámetros ofrecidos en la Figura 2.17. y se somete la muestra a secado en estufa hasta obtener pesadas consecutivas constantes.
– Se pesa el molde a utilizar (Mm) verificando su volumen (Vm).
– Se coloca el molde sobre una superficie firme, plana y horizontal y la tierra seca y homogeneizada sin que caiga en altura, según la granulometría nominal máxima, evitando que golpee o vibre el molde.
Figura 2.17. Tamaño de la muestra, selección del aparato de llenado y volumen del molde según el tamaño máximo del suelo. Fuente: NCh 1726 Of. 1980.
– Cuando el tamaño máximo nominal es menor o igual a 10 mm, se coloca el material dentro del molde lo más suelto posible, vaciándolo con flujo invariable y adaptando la altura de descarga para que la caída libre sea desde una altura de 25 mm.
– Al mismo tiempo, se remueve el embudo en espiral desde la pared del molde hacia el centro con la intención de formar una capa de espesor uniforme.
– Si el tamaño máximo nominal es superior a 10 mm, coloque el material dentro del molde para que se deslice en lugar de caer en el fondo. Sujetar las partículas más grandes con la mano para evitar que rueden, rellenando hasta aproximadamente 25 mm por encima del borde del molde.
– Por último, se enrasa el material sobrante y se pesa el molde más la tierra que contiene (W 1 ).
Para la determinación de la densidad máxima en seco.
– Utilizando el molde rellenado con el material utilizado en la determinación de la densidad mínima, se apoya la placa base en la cara superior de la muestra y se colocan los diales en tres posiciones diferentes, anotando los distintos niveles de la placa, obteniendo una media de las lecturas iniciales (L i ).
– Una vez retiradas éstas, se instala el collarín en el molde y la sobrecarga en la placa base, ajustando el conjunto en la mesa vibratoria.
– La mesa se hace vibrar a su máxima amplitud durante 8 minutos. A continuación se retira la sobrecarga y el collar, colocando de nuevo los diales en las mismas posiciones iniciales y se registran los nuevos niveles de la placa, obteniendo así una media de lecturas finales (L f ).
– Por último, se retira la placa base y se pesa el molde más el suelo vibrado (W 2 ), que debe ser similar a W 1 , salvo que se haya producido pérdida de finos durante la vibración.
Determinación de la densidad máxima en húmedo.
– Puede hacerse sobre el material de la muestra acondicionada (seca) al que se añade una cantidad suficiente de agua, dejándolo en remojo durante 1/2 hora, o sobre la muestra de suelo húmedo del campo.
– Seleccionando el molde y el peso de la muestra según la tabla 2.17., se llena el molde con tierra húmeda mediante una pala o una azada, añadiendo entonces una cantidad suficiente de agua para que se acumule una pequeña película en la superficie. El molde se hace vibrar con la tierra saturada durante 6 minutos, reduciendo la amplitud de la vibración durante los últimos minutos para evitar que la tierra fluya. Transcurrido este tiempo, se elimina el agua que aparece en la superficie de la muestra.
– A continuación, se coloca la placa base sobre la cara superior de la muestra y se repiten los pasos descritos en la determinación de la densidad máxima en seco. Una vez obtenidas las lecturas finales del dial, se retira la placa base y se extrae cuidadosamente el total de la muestra húmeda y se seca en el horno hasta obtener pesadas consecutivas constantes (W3 ).
Determinación de la densidad máxima con el pisón Marshall
Método alternativo para determinar la densidad máxima de un suelo. Consiste en la compactación mediante el martillo o pisón Marshall utilizado en la compactación de probetas de asfalto.
Se justifica porque es un procedimiento menos complejo y costoso en comparación con la mesa vibratoria; es más rápido y fácil de manejar, lo que facilita su uso, especialmente en los laboratorios de campo.
La masa del pisón, al caer, no entra en contacto directo con el suelo a compactar, sino con la placa circular del pisón, que ejerce un efecto vibratorio sobre el suelo. Este ensayo está normalizado en la norma española NTL 205/91 y es aplicable para arenas no cementadas, que pasan completamente por el tamiz de 5,0 mm. (malla nº 4 ASTM) y que no contengan más de un 10% de material que pase por el tamiz de 0,08 mm. (malla nº 200 ASTM). Además, la norma define la densidad máxima como la que alcanza la arena cuando se compacta en estado seco con una energía por volumen de 5086,5 Joule/dm3 .
Aparato para determinar la densidad máxima con martillo Marshall Martillo Marshall, que consiste en un martillo con base circular de 9,8 cm. de diámetro, sobre el que cae una masa de 4,5 kg. desde una altura de 46 cm.
Horno de secado con circulación de aire y temperatura regulable que logre mantenerse en 110º ± 5º C. Si el laboratorio se monta en el campo, será necesaria una estufa u horno.
Herramientas y accesorios. Molde estándar de compactación de 4″, balanza, recipientes de plástico, tamiz ASTM nº 4, azada y regla metálica.
Procedimiento para determinar la Densidad Máxima con pisón Marshall.
Para la preparación de la muestra, se deben tomar aproximadamente 6 kgs. de material representativo de la muestra a ensayar y secarlo en un horno o estufa hasta masa constante. Posteriormente, dividir el material obtenido por cuartos en dos porciones iguales.
Posteriormente, se debe pesar el molde con la base ajustada (Mm), comprobar su volumen (Vm) e instalar el collarín superior. Disponer el molde y su conjunto en una plataforma plana y firme. Tomar una porción del material compactando la muestra mediante 5 capas, aplicando en cada una de ellas 50 golpes de martillo Marshall distribuidos uniformemente, incidiendo la superficie de cada capa recién compactada usando un punzón, con una profundidad no mayor a 1 cm.
Una vez terminada la compactación, se retira el collarín y el material sobrante se enrasa y se pesa el molde junto al suelo compactado (Ws). Esta operación se debe repetir con la otra porción de suelo y establecer la densidad máxima como el promedio de los resultados obtenidos.
5.- Expresión de los resultados
Figura 2.18. Tabla de clasificación del estado del suelo según la densidad relativa. Fuente: Dujisin D., 1974.
Observaciones.
Según la tesis Optimización de los ensayos de control de calidad en Mecánica de Suelos (A. Assis, 1988), se establece que los valores máximos de densidad obtenidos por este método son generalmente inferiores a los obtenidos con la mesa vibratoria, con variaciones medias inferiores a 0,04 grs/cc.
El uso del pisón Marshall implica una mayor rapidez en la obtención de resultados, especialmente si se trata de un laboratorio de campo.
Fuentes:
- Acevedo, S. & Colls. El papel de óxidos de hierro en los suelos.
- Determinacion de las densidades. Universidad de Valparaiso.
- Sanzano A. Factores de Formación de los suelos.