Granulometria de Suelos por Tamizado e Hidrometro

Ensayo Granulometrico|Granulometria

metodo granulometrico

El ensayo o análisis granulométrico consiste en la medición y gradación de los granos o partículas constitutivas de una muestra de suelo o formación sedimentaria con el fin de determinar sus propiedades mecánicas, cálculos de abundancia, y la separación de los componentes del sustrato.

Tabla de contenido

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Pruebas y practicas de granulometria en laboratorio

Las pruebas que se pueden realizar en granulometría son diversas y existen varios tipos, como, por ejemplo:

Centrifugación analítica: este método consiste en el fraccionamiento de partículas que se depositan en el tiempo según su tamaño y densidad. La velocidad de la sedimentación se calcula a partir de la velocidad angular del centrifugado y es recomendable cuando se cuenta con un sistema polidispersado.

Análisis de imágenes: para este método se usa una fotografía de los granos que se analiza microscópicamente, implementado programas de computadora especializados capaces de analizar grandes cantidades de pixeles y determinar el tamaño de las partículas presentes en la imagen.

Difracción laser: este método usa la difracción de la luz, se pasa un haz laser en una solución donde se encuentran partículas suspendidas, las cuales difractan la luz del haz y se registra en los fotodiodos. Este método no es muy usado ya que la medición de la difracción dependerá de que tan translucidos u opacos sean las partículas, sin embargo, es sumamente útil para medir partículas sumamente pequeñas.

¿Que es y para que sirve la Granulometría de Suelos por Tamizado?

granulometria de suelos por tamizado

El método granulométrico más usado en el análisis de suelo es la granulometría por tamizado, la cual consiste en el uso de mallas o tamices con aberturas de diferentes tamaños que permitan separar por tamaño los materiales que constituyen la muestra de suelo, de esta forma, se pueden aislar y estudiar por separado los elementos que conforman la muestra.

Granulometria por hidrometro de suelos

Existen múltiples métodos de granulometría, uno de ellos es la granulometría por hidrómetro la cual consiste en determinar de forma porcentual la proporción del tamaño de las partículas finas de los suelos que pasan por la malla N° 200 mediante la suspensión de los sedimentos en el líquido para determinar su densidad.

Para realizar este análisis de debe colocar una cantidad de suelo junto con un agente dispersante durante aproximadamente 12 horas, posteriormente se mueve la solución a un agitador mecánico para luego verter la solución en un cilindro graduado y se añade agua destilada hasta la marca superior. Usando un hidrómetro se toman lecturas del cilindro en diferentes intervalos de tiempo, al final se saca el hidrómetro y se coloca en un cilindro con agua limpia. Con los datos obtenidos se realizan los cálculos necesarios.  

granulometria por el metodo de sedimentacion o hidrometro

Numero de mallas para granulometría

Las mallas de tamizado usadas en el análisis granulometría poseen un número asociado a la cantidad de hilos cruzados por pulgada cuadrada, lo cual determina la abertura por la que pueden pasar los granos de la muestra de suelo. Por ejemplo, una malla de numero 16 tiene 16 hilos verticales y 16 horizontales, dejando una abertura de 1.19mm.

En los análisis granulométricos es común usar varias mallas, de esta forma se pueden tener rangos de partículas que son capaces de pasar por las mallas, un ejemplo de esto sería una partícula 4×10, es decir, que pasa por la malla número 4 y se retienen en la malla número 10, por lo que el tamaño de la partícula está entre 4.76mm y 2.0mm.

Tabla de Tamices para Granulometria

Tabla nominal de tamices segun su abertura

Coeficientes de Uniformidad y Curvatura

Cuando se realizan análisis granulométricos es importante hablar de dos cosas muy importantes, los coeficientes de uniformidad y curvatura.

El coeficiente de uniformidad (CU) se utiliza para medir la uniformidad del tamaño de las partículas de una muestra de suelo. Se conoce como la relación que existe entre el 60% del peso del material y el diámetro por el cual pasa el 10% de la muestra de suelo.

calculo del coeficiente de uniformidad

Como resultado se tiene una cantidad adimensional que, si es menor que 5 (x < 5) se considera uniforme, si se encuentra entre 5 y 20 (5 < x < 20) se dice que el suelo es poco uniforme y si es mayor que 20 (x > 20) se dice que el suelo se encuentra gradado

El coeficiente de curvatura (CC) Es un indicador del equilibrio relativo existente entre los intervalos de los tamaños de las partículas en una muestra de suelo, Además de medir el grado de la curvatura de la granulometría. Se calcula dividiendo el diámetro máximo del 30% de las partículas de suelo al cuadrado entre el 60% del diámetro máximo multiplicado por el 10% del diámetro máximo del suelo más fino.

calculo del coeficiente e curvatura

Gradación y Curva granulométrica

La curva granulométrica es una representación funcional de los datos obtenidos que permite esquematizar de forma más accesible el desempeño adecuado. Para realizar la curva se suelen hacer dos procedimientos, en el primero se tamiza el suelo en las mallas y posteriormente se pesan los tamices con los sedimentos retenidos.

Cuando nos referimos a gradación se refiere al nivel de proporción de las partículas según su tamaño en una muestra de suelo. Durante el traslado o la manipulación es común que se pierda ciertas porciones de muestra que pueden afectar en el análisis final del suelo, es por esto que una manipulación adecuada es vital para tener datos precisos, un error en la medición de la gradación puede conllevar a problemas en la construcción sobre el suelo debido a que no se toman en cuenta las características reales del mismo.

curva granulometrica

Ventajas de la gradacion

Una graduación medida de forma adecuada provee de ciertas ventajas al momento de realizar un estudio o una construcción, estas son:

  • Una aproximación de real de la proporción del tamaño de las partículas del suelo.
  • Un menor espacio entre las partículas del suelo.
  • Un aumento en la durabilidad debido a mayor cantidad de agregado por unidad cubica.
  • La posibilidad de formar mezclas con mejor uniformidad.

Determinación de la Granulometria

1.- Campo de Aplicación

Este método implementa el tamizado para determinar la distribución de la proporción en tamaños de partículas mayores que 0.08 mm de diámetro en una muestra de suelo.

Nota 1: Para obtener la distribución de tamaño de la muestra que fue procesada por un tamiz 0.08 mm, se puede sedimentar esa fracción, usando el método de la sedimentación se coloca en en un líquido conocido, comúnmente agua destilada y basándose en la Ley de Stokes, que establece que, en un fluido con una densidad y viscosidad determinada, las esferas que estén hechas de un mismo material adquieren una velocidad de sedimentación proporcional al cuadrado de sus diámetros. Esto se conoce como el método Boyoucos o del hidrómetro.

 2.- Aparatos para realizar la Granulometría

  • Balanza, esta debe tener una capacidad superior a la masa que tiene la muestra adicional al recipiente donde se va a pesar; la resolución de balanza debe ser de 0.1 g para muestras que sean menores de 1.000 g y de 1 g  para  muestras superiores a 1.000 g.
  • Tamices
  • Tejidos: Son de alambre y cuentan con una abertura cuadrada. Estos alambren son tensados hasta que estén bajo la norma NCh 1022. Los tamaños nominales de las aberturas del tamiz se indican en la tabla I
tamaños nominales de tamices

Nota 2: En caso de no poseer los números de los tamices en mm se puede usar los datos en ASTM.

  1. Deben ser metálicos y suficientemente rígidos y firmes para ajustar las telas de alambre con la finalidad de evadir pérdidas de material durante el proceso de tamizado, así como alteraciones en la abertura de las mallas. De preferencia estas deben ser circulares, con diámetros de 200 mm y de 300 mm en caso de suelos gruesos.
  2. Depósito Receptor, Los tamices deben contar con un depósito que se ajuste perfectamente a su área para captar de forma efectiva el residuo más fino.
  3. Los tamices deben poseer una tapa que se ajuste perfectamente para evitar pérdidas de muestra, además esta debe estar marcada con tres diámetros que formen ángulos de 60° entre sí.
  • Requiere una buena circulación de aire y temperatura ajustable para las condiciones de los ensayos.
  • Mortero. Se debe contar con un triturador, preferiblemente de caucho, que permita disgregar las partículas conglomeradas sin necesidad de disminuir el tamaño de cada grano individual.
  • Herramientas y Accesorios. Se deben usar espátulas, brochas y recipientes para secado para las muestras, así como recipientes para pesaje del material de estudio.

3.- Preparación del material de Ensayo para determinar la Granulometria

Homogeneice cuidadosamente el total de la muestra de terreno en estado húmedo; luego reduzca por cuarteo, cuando esté seca suelte el fino adherido a la grava y arena, de ser necesario usando agua, y deshaga los terrones o grumos usando los dedos. Seque la muestra obtenida hasta masa constante a una temperatura de 110 ± 5°C; si se percata de la presencia de trumaos o restos de materia orgánica, seque la muestra en el horno a 60 ± 5°C.

proporcion de muestra necesaria para analisis granulometrico

4.- Procedimiento de Determinar la Granulometria

  • Pese toda la muestra con aproximación a 1 g y registre como A.
  • Proceda a realizar un corte de todo el material en el tamiz correspondiente al Tamaño Máximo Absoluto especificado; determine la masa de las fracciones que se encuentren sobre y bajo dicho tamaño con aproximación a 1 g y etiquetelas como B y Z, respectivamente.

Nota 3:  En la clasificación de Suelos se debe considerar un corte simple del material en el tamiz de 80 mm a la curva granulométrica obtenida con el este método.

  • Mida y registre el Tamaño Máximo Absoluto del material de la fracción B.
  • Corte todo el material registrado como Z en tamiz 5 mm y determine las masas, con aproximación a 1 g, de la fracción que pasó y de la que quedó retenida en dicho tamiz. Márquelas como C y D respectivamente (Nota 4).

Nota 4: Es necesario tomar la precaución de proteger el tamiz 5 mm con uno de un número mayor (por ejemplo, 20 mm).

  • Coloque el material de suelo retenido en el tamiz de 5 mm (D) en un recipiente de previamente lavado y añada agua potable en cantidad suficiente para cubrir la muestra. Proceda a seguir los siguientes pasos para el correcto aseo del material.
  1. Agite la muestra con el agua hasta que se separe el material fino, quedando así en solución.
  2. Vierta el agua con el material fino (que puede estar suspensión o en disolución) en los tamices N° 4 (5 mm) y N° 200 (0,08 mm), ordenados de manera decreciente.
  3. Añade nuevas cargas de agua y repita hasta que el agua agitada con la muestra se mantenga limpia y clara.
  4. Recolecte el material que se encuentra retenido en los tamices junto con el material decantado en el recipiente previamente aseado.
  5. Seque el material obtenido y lleve a el horno a una temperatura de 110 ± 5°C.
  6. Pese la masa seca y registre como D’.
  • Tamice el material registrado como D’ a través de la serie de tamices 150, 100, 80, 50, 40, 25, 20, 10 y 5 mm. Realice este tamizado en dos partes; un tamizado inicial, que puede ser manual o  mecánico, y un tamizado final que debe ser manual.
  1. Tamizado Inicial

Coloque el material registrado como D’ sobre el tamiz superior de la columna de tamices y cúbralo con la tapa y fondo.

Agite el conjunto de tamices por aproximadamente 5 min. Mínimo.

  1. Tamizado Final

Retire el primer tamiz provisto de depósito y tapa, y mantenga el conjunto de tamices ligeramente inclinado.

Agíte con movimientos horizontales y verticales alternadamente, girando el tamiz en forma intermitente. Realice esto durante al menos 1 min.

Registre el peso del material retenido sobre el tamiz.

Traspase el material retenido en el depósito al tamiz contiguo.

Repita los procesos descritos en los pasos anteriores hasta usar todos los tamices.

Registre el peso de la masa final del residuo contenido en el depósito.

  • Del material bajo 5 mm tome por cuarteo una muestra de 500 a 1.000 g, y registre su masa como C’. Lave delicadamente y con agua potable el material sobre tamiz 0.08 mm; posteriormente vacíe a un bol el material retenido en tamiz 0,08 mm y seque hasta masa constante a 110 ± 5°C.
  • Pese y registre el material lavado y seco como C”, aproximando a 0,1 g.
  • Tamice el material preparado de acuerdo a 5.7, según procedimiento descrito en 5.6 a) y b), a través de la serie de tamices: 2, 0,5 y 0,08 mm.
  • Determine la masa final del material retenido en cada tamiz y del material que pasa por el tamiz 0,08 mm, recogido en el depósito. Registre como Micon aproximación a 0,1g.
  • La suma de todas las masas no debe diferir en más de 3% para el material bajo 5 mm, ni en más de 0,5% para el material sobre 5 mm, respecto de las masas etiquetadas como C’’ y D’, respectivamente. En caso contrario, repita el ensayo.

5.- Expresión de resultados

  • Calcule el porcentaje de sobretamaño, de acuerdo a la expresión:
porcentaje de sobretamaño

Donde:

B : La masa de material sobre el Tamaño Máximo Absoluto especificado.

A : Masa de muestra total.

  • Calcule el porcentaje retenido en el tamiz i del material sobre 5 mm, de acuerdo a la expresión:

donde:

Mi : La masa retenida en el tamiz i del material sobre 5 mm.

C : La masa de la fracción por debajo de 5 mm.

D : La masa de la fracción  por encima de 5 mm.

  • Calcule el porcentaje retenido en el tamiz i del material bajo 5 mm, de acuerdo a la expresión:
porcentaje retenido en el tamiz por debajo de 5mm

Donde:

C : Masa de la fracción por debajo de 5 mm.

Mi : La masa retenida en el tamiz i del material bajo 5 mm.

C’ : La masa de muestra reducida por cuarteo de la fracción bajo 5 mm.

D : La masa de la fracción por encima 5 mm.

  • Exprese la granulometría como porcentaje acumulado que pasa por cada tamiz, indicando como primer resultado el del menor tamiz en que pasa el 100% y expresando el resultado para los tamices como la diferencia entre el porcentaje que pasa en el tamiz inmediatamente anterior al de cálculo y el retenido en el tamiz de cálculo. En caso de obtener un número decimal, aproximar al entero más cercano.
  • Los resultados de la granulometría pueden expresarse en forma gráfica en un sistema de coordenadas ortogonales; en el eje de las abscisas, a escala logarítmica, se indican las aberturas de los tamices y en el eje de las ordenadas, a escala lineal, se ubican los valores de los porcentajes que pasan en cada tamiz.

Fuentes

  • Manual de geología para ingenieros. Duque Escobar, Gonzalo (2003) Universidad Nacional de
    Colombia, Manizales.
  • UNI FIC Laboratorio N°2 Mecánica de Suelos: Código : AAGLS1.4 Versión : 1. Fecha: 17.09.2019. Página 1 de 13.
  • Análisis de Granulometría por Tamizado, Norma ASTM D6913.
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