Nota de seguridad importante: Este es un texto profesional de archivo, no un manual de laboratorio o de campo actual. Los procedimientos descritos incluyen mercurio, llamas abiertas, calefacción, parafina y otros equipos y materiales que pueden ser peligrosos o inaceptables en la actualidad. No aplicarlos sin normas válidas, evaluación de riesgos, fichas de datos de seguridad, laboratorio adecuado y supervisión profesional. El texto no forma parte de la oferta actual de productos y servicios de Savo Kusić.
Determinación del peso volumétrico del suelo
Existen varios métodos para determinar el peso volumétrico del suelo, de los cuales describiremos los más utilizados: el método del cilindro, el método con inmersión de la muestra en agua, el método con inmersión de la muestra en mercurio y el método con arena.
Procedimiento con cilindro
Este procedimiento es el más utilizado y se realiza en campo y laboratorio. Se aplica al suelo ligado y no ligado.
Se presiona un cilindro metálico de volumen conocido, con un borde inferior afilado, en el suelo o en una muestra intacta o compactada artificialmente, de modo que se llene completamente con masa de suelo. Después de eso, la superficie de la muestra se nivela con un cuchillo con los bordes superior e inferior del cilindro e inmediatamente se cierra con tapas metálicas y se pesa en una balanza.
Si W es el peso de la muestra con el cilindro y las tapas, W0 es el peso del propio cilindro con las tapas, V es el volumen del cilindro
la densidad del suelo γ es:
γ = (W - WP)/V
El procedimiento para sumergir la muestra en agua.
Este procedimiento se basa en la propiedad física de que el volumen de un cuerpo sumergido en agua es igual al volumen de agua desplazada. Se utiliza únicamente para suelo ligado, cuando no se puede obtener una muestra de forma geométrica regular.
Del suelo no perturbado o de una muestra más grande, se toma un trozo de muestra con forma de macaco y se mide su peso W en su estado natural en una balanza. Luego se cubre la muestra con parafina derretida, que no debe estar demasiado caliente, pero sí lo suficiente para que se derrita. Una fina capa de parafina 1-2 mm debe cubrir completamente toda la muestra. Luego se pesa la muestra con parafina en una balanza y se obtiene el peso W’. El peso de la parafina es W’ – W.
El volumen de parafina VP, obtenido de la forma: VP * γP = W’ – W,
donde γP es el peso volumétrico de la parafina, que se conoce y asciende a γP = 0,892 p/cm3.
De la ecuación anterior tenemos: VP = (W’ – W)/0,892 [cm3].
Fig. 1. Determinación del peso volumétrico del suelo sumergiendo la muestra en agua
Luego, la muestra envuelta en parafina se cuelga en una balanza con un fino hilo de seda (fig. 1), la balanza se equilibra e inmediatamente se coloca un recipiente con agua destilada debajo de la muestra, de modo que toda la muestra quede sumergida en agua. Dado que por la aparente pérdida de peso de la muestra en el agua se altera el equilibrio en la báscula, se restablece retirando las pesas, de manera que se obtiene el peso de la muestra con parafina sumergida en el agua W. La diferencia en el peso de la muestra con parafina en estado no sumergido y sumergido da el peso del agua desplazada, es decir, si el peso volumétrico del agua YW = 1,00, el volumen de agua desplazada Vw
Del volumen Vw restamos el volumen de parafina VP, y obtenemos el volumen de la muestra.
La densidad del suelo es: γ = W/(Vw – VP)*m
donde m es el coeficiente de corrección debido a la diferencia de temperatura del agua, ya que Y = 1,0 para la temperatura del agua en 4 °C: m = γw,T / γw,4oC.
Procedimiento con inmersión de muestra en mercurio
Este procedimiento se aplica para suelos ligados, también en los casos en los que es necesario renunciar a tomar una muestra de forma geométrica regular, como es el caso, por ejemplo, al determinar los límites de contracción del suelo.
Fig. 2. Determinación del peso volumétrico del suelo sumergiendo la muestra en mercurio
Se sumerge la muestra en un recipiente completamente lleno de mercurio (fig. 2) y con ayuda de una placa de vidrio con finas púas metálicas se presiona para que quede completamente sumergida en mercurio. El mercurio prensado se vierte en un recipiente más grande, de donde se toma y mide su peso. Si W es el peso de la muestra, Wz es el peso del mercurio desplazado, γz es el peso volumétrico del mercurio, Vz=V es el volumen de mercurio desplazado que es igual al volumen de la muestra;
Vz * γz = Wz * Vz = Wz/ γz
entonces el peso volumétrico del suelo es:
γ =W*γz /Wz.
Procedimiento de arena
Esta prueba se realiza en el campo y se aplica con mayor frecuencia a suelos no ligados, grava, arena de grava, material de morrena y en otros casos, cuando no es posible la extracción de muestras no perturbadas con cilindros. El principio de este procedimiento consiste en cavar un hoyo en el suelo y luego llenarlo con arena normal de peso volumétrico conocido, a partir de lo cual se determina el volumen del hoyo. El peso volumétrico del suelo se determina a partir del peso de la masa excavada y el volumen del hoyo.
La superficie del suelo, cuyo peso volumétrico necesita ser determinado, se nivela de manera que quede horizontal, luego se coloca sobre ella una placa de hojalata de tamaño aproximado 40 x 40 cm (fig. 3), con una plantilla recortada en el medio del diámetro Ø = 20 cm, espesor 5 mm, para cavando un hoyo en el suelo. La hojalata se coloca plana sobre el suelo y se fija con clavijas. Se cava un agujero con un diámetro de 20 cm y una profundidad de aproximadamente 20 cm con una herramienta manual (cuchillo, espátula, cuchara, cincel) a través de la abertura de la plantilla, preferiblemente con paredes verticales, pero no fuera de la plantilla y se limpia bien. Todo el material excavado se coloca sobre la placa, luego inmediatamente después de excavar, mientras aún tiene su humedad natural, se pesa en una báscula y se determina su peso W. Para posteriormente determinar la humedad natural, la muestra se coloca en una caja de hojalata con tapa, para ser llevada al cuarto de secado una vez finalizado el trabajo de campo. Inmediatamente después se vierte en el hoyo excavado arena normal seca, cuyo peso volumétrico γd se determina midiendo, es decir, a partir de la prueba de laboratorio realizada previamente, vertiendo arena por el mismo embudo y desde la misma altura, h cae como en la prueba de campo.
Fig. 3. Determinación del peso volumétrico del suelo mediante la prueba de arena
Antes de comenzar la prueba, mida el peso de la arena normal en el vaso, luego después de llenar el agujero en el suelo con esa arena hasta la superficie superior de la hojalata, que está nivelada con una regla de acero de longitud 40 cm, mida el resto de la arena en el vaso, de modo que se obtenga el peso exacto Wd de la arena normal seca en el agujero hasta la superficie superior de la hojalata. El volumen Vd del agujero excavado hasta la superficie superior de la hojalata se determina con base en la fórmula Vd = Wd/γd.
El volumen V del agujero en el suelo se obtiene restando el volumen v de la abertura de la plantilla de hojalata:
El peso volumétrico del suelo γ es: γ = W/V, donde W es el peso del suelo excavado del hoyo medido inmediatamente después de la excavación. Cabe señalar que en lugar de arena, que es menos sensible en tiempo húmedo, se utiliza yeso, aceite o asfalto frío. Además, también existen dispositivos especiales para trabajar de forma más fácil y rápida en la masa con arena.
Los valores aproximados de los pesos volumétricos del suelo se dan en la tabla 1, con una nota de que en los análisis geomecánicos en cada caso, el peso volumétrico del suelo debe determinarse mediante experimentos en el laboratorio o en el campo.
Determinación de la humedad del suelo
La prueba para determinar la humedad del suelo se lleva a cabo de varias maneras, a saber, el método de laboratorio usando un secador eléctrico, métodos de campo usando secado a fuego abierto, usando carburo, midiendo bajo el agua y usando un picnómetro de aire. Aquí describiremos sólo los dos primeros métodos, que se aplican con mayor frecuencia en nuestro país.
Método de laboratorio mediante secador eléctrico
Este método es el más confiable y el más aplicado para todo tipo de suelo. Se coloca un trozo de suelo de una muestra intacta entre dos vasos cóncavos, llamados relojes de arena, que se sujetan con una abrazadera de metal y se pesan juntos en una balanza analítica, y luego se colocan en una secadora eléctrica donde se seca a 105°C hasta que el peso sea constante (fig. 4). La diferencia de temperatura durante el secado no debe ser mayor que ±2°C, ya que a menor temperatura no se realiza el secado completo y a mayor temperatura los ingredientes orgánicos de la muestra pueden quemarse. La duración aproximada del secado de la muestra con un reloj de arena en la secadora es de unas 6 horas para la arena y de unas 12 horas para la arcilla. Después del secado, la muestra cerrada en gafas de arena con una pinza se coloca en un desecador para que se enfríe a temperatura ambiente, después de lo cual se mide nuevamente.
Fig. 4. Secado de muestras en relojes de arena con pinza
Si W es el peso de la muestra en estado natural de humedad con el reloj de arena y la pinza, Ws el peso de la muestra en estado seco con el reloj de arena y la pinza, Wt el peso del reloj de arena y la pinza, la humedad del suelo w según la definición de Atterberg es el peso del agua dividido por el peso del suelo en estado seco, es decir: w = W-Ws / Ws-Wt * 100 [%].
Determinación de la porosidad del suelo y coeficiente de porosidad
La prueba se realiza en una muestra inalterada, siempre que su volumen pueda determinarse en un estado inalterado.
Presionamos un cilindro metálico de volumen conocido en suelo intacto o en una muestra de mayores dimensiones, nivelamos la superficie superior de la muestra con los bordes del cilindro y la ponemos a secar en 105°C hasta que el peso sea constante, luego la dejamos enfriar a temperatura ambiente y la pesamos nuevamente en la báscula junto con el cilindro.
Si V es el volumen interno del cilindro, Vm es el volumen de sólidos no porosos del suelo, Wd es el peso seco de la muestra, γs es el peso volumétrico de las partículas sólidas, la porosidad del suelo n es
El volumen Vm se determina en base al peso seco de la muestra Wd:
es decir, en porcentaje del volumen total del suelo
Como γd = Wd/V, es decir, peso volumétrico seco del suelo, se puede poner
n = 100* (1 – γd/ γs) [%].
El coeficiente de porosidad se obtiene de la fórmula e = n/(1-n).
Para el diseño, control de calidad o ejecución de obras, utilizar normativa vigente, métodos de ensayo estandarizados y laboratorio autorizado. Este texto se conserva como recurso educativo histórico.