guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y
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Guía introductoria para el uso óptimo de tensiómetros y psicrómetros en
laboratorio
Beltrán, F.
Universidad de los Andes, Colombia
Caicedo, B.
Universidad de los Andes, Colombia
Monroy, J.
Universidad de los Andes, Colombia
ABSTRACT
El desarrollo de la geotecnia y las demandas propuestas por el sector práctico de la ingeniería civil han
impulsado el progreso de la mecánica de suelos clásica, enfocando la misma hacia el estudio particular de
un conjunto de tipos de suelo determinados, tales como los suelos saturados. El avance en la investigación
climática y la posibilidad de reconocer con más exactitud los materiales encontrados en el subsuelo son unas
de las razones que han llevado a generar la necesidad de investigar más sobre otros parámetros, como la
presión de poros negativa, los cuales afectan el comportamiento mecánico de los suelos, reconociendo así
que alrededor del planeta las condiciones de saturación total no son las que prevalecen en el mismo, siendo
los suelos no saturados los que predominan en grandes extensiones del mundo. Debido a lo anterior, la
cuantificación exacta de estos parámetros ha sido un área de estudio relevante, ya que no solo es importante
determinar su efecto sobre la estabilidad mecánica del mismo, sino también es de suma importancia la
inclusión de protocolos correctos que aseguren una medición exacta. El presente artículo tiene como
objetivo principal el desarrollo de una guía que sirva como herramienta para el uso y mantenimiento correcto
de equipos de medición de presión de poros negativa, el cual es uno de los parámetros más importantes en
el análisis de suelos no saturados, estos equipos son los tensiómetros y psicrómetros. A partir de este
protocolo introductorio se esperaría optimizar el rendimiento de las mediciones en ensayos futuros.
Palabras clave: tensiómetro, psicrómetro, succión matricial, succión total, compactación.
1. INTRODUCCIÓN
La exactitud en las mediciones de succión en
suelos no saturados radica principalmente en el
buen uso de las herramientas disponibles para
llevar a cabo las cuantificaciones necesarias. Para
el desarrollo del presente documento, se propone
analizar el comportamiento de la presión de poros
negativa a lo largo de una serie de ciclos de
compactación y posterior descarga. El objetivo de
lo anterior hace referencia a la importancia que
tienen los suelos compactados en el campo de la
ingeniería y cómo estos abarcan una gran cantidad
de contextos geotécnicos (Caicedo, 2014), por
otro lado, el proceso de compactación se
convierte en un método útil para determinar los
rangos óptimos de medición de los equipos
propuestos en este artículo.
2
1.1. Revisión de conceptos teóricos:
Succión.
En principio, es importante definir la
composición común de un suelo no saturado en
función de sus fases. En la Figura 1 se puede
apreciar el perfil general de un suelo no saturado
constituido por una serie de divisiones, en la parte
izquierda del perfil se incluye el cambio de la
presión de poros en relación a la profundidad,
donde entre más seco se encuentre el suelo, la
presión tenderá a ser más negativa, mientras que
en la interfaz entre la tabla de agua y la zona
capilar, la presión de poros es igual a la presión
atmosférica (0 kPa).
Figura 1. División de fases en suelo no saturado.
Es de especial análisis el comportamiento dentro
de los poros en la zona donde se encuentra agua y
aire en estado continuo, ya que se se evidencia la
presencia de meniscos alrededor de los límites de
cada poro (Figura 2.a), los cuales se mantienen en
este estado debido al desbalance de fuerzas
producido sobre las partículas ubicadas en la
interfaz aire-agua (Figura 2.b). Con el objetivo
de mantener un equilibrio en el menisco formado
en los poros, es necesaria para la interfaz generar
una fuerza de tensión sobre la superficie del
mismo, lo anterior es posible debido a la
propiedad de tensión superficial (Fredlund &
Rahardjo, 1993).
Figura 2. (a) interfaz aire-agua en suelos no saturados; (b) desbalance de fuerzas en partículas de agua en superficie.
Los meniscos mostrados anteriormente toman su
forma como resultado de una caída en la presión
actuante a cada lado de la interfaz, el menisco se
encuentra expuesto tanto a la presión de aire (𝑢𝑎),
como a la presión de agua (𝑢𝑤), la diferencia
entre estas presiones dentro de los poros se
conoce como succión matricial. Este concepto en
términos de succión se define como la presión de
poros negativa resultante de la medición de la
presión parcial de vapor de agua que se encuentra
en equilibrio con el agua dentro del suelo en
relación con la presión parcial de vapor en
equilibrio con una solución de composición
idéntica a la del agua dentro de este suelo (como
se cita en Fredlund & Rahardjo, 1993, p. 65). Por
otro lado, dentro del suelo se presentan otros dos
tipos de succión. Por una parte cuando existe
presencia de sales en el fluido ubicado dentro de
los poros, se presenta una interacción físico-
química entre la solución y los minerales propios
del suelo, lo anterior se denomina como succión
osmótica (Wan, Gray & Graham, 1995). La
suma entre la succión matricial debida
principalmente a efectos de capilaridad y la
succión osmótica consecuencia de la presencia de
sales en la estructura de suelo da como resultado
el concepto de succión total.
2. MATERIALES Y EQUIPO
2.1. Medición de succión matricial
De forma teórica, el potencial de agua es la
medición resultante en términos del potencial
energético entre el agua encontrada dentro de una
muestra y agua pura no expuesta a esfuerzos
3
externos (agua libre). A partir de esto, la medición
directa de succión matricial se compone de cuatro
elementos básicos: por un lado, se tiene el agua
expuesta a las interacciones presentes dentro de
una muestra de suelo; en segundo lugar se tiene
agua pura destilada – desionizada; el tercer
elemento se define como un disco poroso o
cerámico, el cual asegura una deficiencia en
términos de presión entre el agua pura y el aire
circundante en el suelo; y por último, se hace uso
de un sistema de medición de presión que entra en
contacto directo con la muestra de agua destilada
– desionizada. A partir de lo anterior, cuando el
sistema compuesto por el medidor de presión, el
agua pura y el disco poroso entran en contacto
directo con el suelo, se efectúa un gradiente
hidráulico, el cual produce un flujo que pasa a
través del disco, y cuando el sistema llegue al
equilibrio, se determina el valor de succión
matricial (Guan, 1996). Para determinar este
valor, se usó un conjunto de tensiómetros UMS –
T5x, los cuales utilizan el principio anteriormente
expuesto para establecer el valor correspondiente
al potencial matricial del agua a través de una
punta de cerámica porosa de alto grado.
Como se puede apreciar en la Figura 3, el
tensiómetro se encuentra compuesto en general
por cuatro elementos, los cuales se expondrán a
continuación:
1. Cerámica porosa: además del sensor de
presión, este elemento determina la
capacidad última del instrumento en
función a su capacidad de entrada de aire.
Este elemento se encuentra elaborado de
cerámica con pequeños poros llenados
con agua degaseada. Se debe procurar
mantener la cerámica siempre
humedecida con agua pura.
2. Asta de acrílico: componente frágil que
permite el almacenamiento de agua
destilada – desionizada.
3. Cuerpo del sensor: en este se encuentra
un sensor piezoeléctrico de presión, el
cual mide la succión en relación a la
presión atmosférica medida en la
membrana de presión atmosférica.
4. Membrana de presión atmosférica: en
este componente se mide la presión
atmosférica del aire. Este elemento debe
siempre dejarse libre, sin riesgos de
contaminación.
Figura 3. Componentes T5x.
El rendimiento teórico de este equipo cubre
rangos tanto de presión como de tensión. Para el
equipo T5x se pueden medir valores máximos de
-160 kPa bajo condiciones adecuadas, las cuales
se especificarán más adelante en esta sección. Por
otro lado, se presenta una limitación en
mediciones de presión. Para este rango se debe
procurar que el equipo no llegue al límite no
destructivo de 300 kPa, ya que a partir de este
punto el sensor de presión se vuelve totalmente
ineficiente, presentando daño permanente.
A continuación, se presentarán una serie de
ventajas en cuanto al uso de este equipo, así como
las limitaciones que presenta el mismo:
4
Ventajas:
Medición precisa de presiones negativas,
incluyendo aquellas muy cercanas a 0.
Posibilidad de medir tanto presión
positiva como presión de poros negativa.
Bajo condiciones de llenado ideales, se
esperaría un tiempo de respuesta rápido
de hasta 5 segundos.
La conexión análoga del equipo permite
monitorear en tiempo real los valores de
presión o tensión medidos en el suelo.
Relación lineal entre la señal de salida en
mV y la unidad común de medida de
presión (kPa).
Limitaciones:
Se presentan limitaciones en suelos
secos. Debido a la baja humedad que
estos presentan, las succiones matriciales
tenderán a ser muy altas, lo cual se sale
del rango óptimo de medición de los
equipos.
Para uso en campo, es necesario el uso de
suficiente protección mecánica, esto
debido a que es un equipo relativamente
frágil a cambios súbitos de presión o
rompimiento de sus elementos.
Debido a la alta sensibilidad del sensor de
presiones interno, la más pequeña
burbuja de aire que se forme dentro del
asta de acrílico conlleva a una
disminución importante en la precisión de
las mediciones. Por otro lado, estas
burbujas generan una inversión en el
flujo, produciendo que el agua se mueva
desde el sistema hacia el suelo,
concluyendo en la cavitación del equipo.
No es resistente al congelamiento, por lo
tanto hay que monitorear la temperatura a
la cual se encuentra expuesto para evitar
daños en el sensor interno.
Para procurar un buen rendimiento del equipo, es
importante tener especial cuidado en las
condiciones en las cuales este sea utilizado y las
aplicaciones a las cuales el equipo sea sometido,
entre los requerimientos más importantes se
encuentran:
Se requiere que el suelo no tenga
potenciales negativos más allá de -80 kPa
en la mayoría de los casos, de lo contrario
se presentaría una cavitación del mismo
debido a las altas succiones presentadas,
lo cual sucede en suelos secos.
El uso principal de este instrumento es el
de medir de forma puntual el potencial de
agua en el suelo. La toma de datos de
forma continua a lo largo del tiempo
puede generar burbujas internas,
descalibración del equipo y posterior
perdida de la precisión en las mediciones,
tal y como se ve en la sección de
resultados de este artículo.
Siempre se debe mantener libre de
contacto la membrana de medición de
presión atmosférica, de igual forma no se
debe tocar nunca con los dedos la punta
cerámica del instrumento, esto podría
contaminarla y por consiguiente
disminuiría su rendimiento, como se dijo
anteriormente es recomendable siempre
mantenerla humedecida con agua pura.
2.2. Medición de succión total
Para la medición de la succión total en el suelo
se usaron dos equipos distintos, un psicrómetro
Wescor PST-55-30 con punta recubierta de acero
inoxidable (screen-caged) conectado a una
estación de medición PSYPRO y un medidor de
succiones totales WP4-T, este último se usó solo
para medir el potencial de agua antes y después de
las pruebas de compactación. El psicrómetro
PST-55-30 se define como un psicrómetro de
termocupla, este tipo de instrumento permite
determinar el potencial de agua a partir de la
medición de la humedad relativa en equilibrio con
el suelo. A partir de este parámetro se puede
calcular la succión total usando la siguiente
ecuación:
5
𝛹 = (𝑅𝑇
𝑉𝑤) 𝑙𝑛 (
𝑒
𝑒0)
Donde “Ψ” se refiere a la succión total, “RT” es
la multiplicación entre la constante universal de
los gases y la temperatura absoluta en K, “e” se
define como la presión parcial de vapor de agua y
"𝑒0" es la presión de vapor saturada, donde el
cociente entre estos dos últimos términos da lugar
a la humedad relativa.
El funcionamiento del psicrómetro termocupla
PST-55-30 consiste en el uso del efecto Peltier
para crear un diferencial de temperatura en las
juntas de referencia internas. A continuación se
muestra la operación realizada en el psicrómetro
para obtener los valores de humedad relativa y
posteriormente calcular el potencial de agua, este
último paso se realiza internamente en la estación
PSYPRO.
1. En primer lugar, el sistema inyecta una
corriente de 8 mA durante un tiempo
determinado, esto produce que una de las
uniones se enfríe y la otra se caliente,
liberando de esta forma calor, que
establece la temperatura de la termocupla
por debajo de la temperatura del punto de
rocío, lo anterior resulta en la
condensación de agua en la unión de
referencia.
2. Cuando el tiempo de enfriamiento se
cumple, se apaga la corriente,
permitiendo así establecer la depresión en
la temperatura requerida. Teniendo lo
anterior, se mantiene una temperatura
constante, lo cual se logra pocos
segundos después de cortar la corriente
cuando se utilizan pequeñas juntas como
las que posee el PST-55-30 (Figura 4).
3. Cuando se asegura una temperatura que
tiende a ser constante, la estación
PSYPRO comienza a recolectar los datos
necesarios para determinar el valor del
potencial de agua total y a promediar los
mismos a discreción del usuario.
Figura 4. Psicrómetro termocupla PST-55-30; (a) Componentes internos del instrumento (Kirkham, 2004); (b) Psicrómetro usado en el proyecto.
El rango de medición teórico del psicrómetro
termocupla usado en este análisis comprende
valores entre 0 y -8 MPa. Cuando en el suelo se
presentan potenciales de agua totales más
negativos que este valor, la temperatura de rocío
tiende a estar a más de 0,6°C por debajo de la
temperatura del ambiente, esto genera que la
eficiencia del efecto Peltier disminuya y no sea
posible condensar la cantidad suficiente de agua
para tomar mediciones estables (Andraski &
Scanlon, 2002).
Ventajas
Permite medir succiones altas, por lo cual
puede usarse en suelos secos con un gran
rango de humedades. Cabe aclarar que
para suelos muy secos hay ciertas
limitaciones, las cuales se tocarán a fondo
más adelante.
Su uso es sencillo, después de calibrado
el equipo se inserta en el suelo con una
corta serie de recomendaciones, a partir
de esto se toman los datos que se
registrarán en el PSYRPO.
Por otro lado, a diferencia del T5x, no se
presentan problemas de cavitación.
Limitaciones:
Como se mencionó anteriormente, para
un suelo muy seco (humedades cercanas
a 5% en caolín) se presentan problemas
6
en la medición, esto debido a que los
potenciales de agua encontrados en estas
muestras superan el rango óptimo de
medición del equipo.
Debido a la teoría de operación del
psicrómetro termocupla, su uso se limita
a entornos totalmente controlados, en los
cuales se asegure estabilidad de
humedad y temperatura entre otros, por
lo anterior no es recomendable para ser
usado in situ.
El equipo debe ser debidamente
calibrado antes de utilizarse, siendo la
calibración un proceso complejo en el
cual debe asegurarse una temperatura
constante en el ambiente. Si se usa un
equipo que no se ha calibrado
previamente, las mediciones pueden
diferir a las esperadas en mucho más de
un 100%.
Conociendo lo anterior, se propone consignar una
serie de recomendaciones mostradas a
continuación, esto con el objetivo de asegurar la
precisión en la toma de medidas de succión total.
Recomendaciones de uso
Es importante llevar a cabo una
calibración adecuada. Este proceso se
mostrará en la siguiente sección.
Para obtener mediciones precisas, debe
asegurarse que no existan gradientes de
temperatura en el espacio que rodea al
psicrómetro dentro del suelo, esto genera
cambios drásticos en las juntas de
medición debido a la gran influencia que
tiene esta propiedad física a la hora de
tomar mediciones. Para solucionar
parcialmente este problema se
recomienda que el ensayo se lleve a cabo
bajo condiciones de temperatura
totalmente controladas.
Se recomienda realizar un chequeo de los
parámetros eléctricos antes de comenzar
las pruebas, esto incluye la correcta
conexión del instrumento a la estación de
medición. Como se vio anteriormente, el
funcionamiento del psicrómetro
termocupla depende de un concepto
eléctrico, lo cual infiere que si el
amperaje de la corriente de Peltier o el
tiempo de aplicación de la misma no son
los correctos, podrían llegarse a tomar
medidas incorrectas y en ciertos casos
dañar el equipo.
Calibración de psicrómetros
La calibración de los psicrómetros consiste en
encontrar un factor que relacione los resultados de
succión total experimentales en una serie de
soluciones de NaCl con los resultados de succión
total provenientes de un ensayo realizado bajo
condiciones controladas sobre las mismas
soluciones, tal y como lo recomienda Lang
(1967).
Para disminuir las fuentes de error durante la
calibración, se sugiere seguir el procedimiento
descrito por Fredlund (1993) y Brown & Bartos
(1982), el cual consiste en disponer de una cámara
totalmente sellada, en la base y las paredes de esta
se pone un papel filtro saturado con una solución
de cloruro de sodio a una determinada molalidad
(Figura 5). Posterior a esto, se introduce el
psicrómetro y se sella herméticamente la cámara
dejando suspendido el instrumento dentro de la
misma.
A partir de esto, se debe esperar a que la presión
interna de la cámara se equilibre, esto puede
variar entre 2 a 6 horas para cada solución (Brown
& Bartos 1982) dependiendo de las condiciones
del entorno y del tamaño de la cámara, por esto es
importante realizar la calibración en una
habitación con temperatura controlada.
Luego de que las muestras se equilibren y el
potencial de agua medido sea relativamente
constante, se registran estos datos. El anterior
proceso debe realizarse para cada una de las
molalidades escogidas. De acuerdo con Brown &
Bartos (1982), es suficiente con comparar los
potenciales de tres soluciones a tres distintas
molalidades, las cuales se exponen a una sola
7
temperatura, se sugiere usar soluciones a 0.5, 1 y
1.5 molal a 25°C.
Figura 5. Esquema del montaje para calibración de psicrómetros.
Los resultados recolectados en estos ensayos
deben compararse con los datos teóricos para
potenciales de agua de cloruro de sodio a las
mismas molalidades probadas experimentalmente
(Lang, 1967). A continuación, se muestran los
potenciales totales teóricos para cada molalidad.
Figura 6. Succiones totales teóricas para soluciones de NaCl (Lang, 1967).
Estos potenciales de agua se encuentran en bares,
para realizar la conversión a MPa basta con
multiplicar los mismos por 0.1. Por otro lado, en
la siguiente tabla se muestran los resultados de las
succiones totales experimentales con su
respectivo valor teórico.
Tabla 1. Resultados para calibración de psicrómetros con NaCl.
A partir de estos resultados, se grafica la succión
experimental contra la succión teórica y se
incluye una línea de tendencia lineal, el factor de
calibración que se usará más adelante para
modificar las medidas de succión obtenidas en el
suelo, corresponde al resultado del inverso de la
pendiente de esta línea de tendencia. Para la
calibración realizada en el presente estudio, da
como resultado una pendiente de 0.4001, lo cual
concluye en un factor de calibración aproximado
de 2.5.
Figura 7. Relación entre succión teórica y succión experimental en ensayo de calibración.
WP4-T
Con el objetivo de comparar las mediciones de
succión total recolectadas por el PST-55-30, se
utilizó el equipo WP4-T. Este equipo presenta
grandes ventajas en comparación a los demás
instrumentos de medición de potencial total de
agua, entre las ventajas más importantes reluce su
amplio rango de medición, el cual cubre tensiones
de entre 0 a -300 MPa. Por otro lado, presenta
tiempos de respuesta rápidos en relación con las
altas succiones que mide, las cuales muestran una
precisión cercana al ±1% para rangos entre -10 y
0,5 2,281 0,11
1 4,64 0,42
1,5 7,134 2,04
Concentración
NaCl (m)
(MPa)
(MPa)
y = 0,4001x - 1,0178R² = 0,8776
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8
S. e
xper
imen
tal (
MP
a)
S. Teórica (MPa)
8
-300 MPa y de ±0,1 MPa para valores menores a
-10 MPa (Decagon, 2007).
Este instrumento utiliza la técnica de punto de
rocío para determinar la succión total en una
muestra de suelo. Esta técnica consiste
básicamente en crear un sistema equilibrado entre
la muestra y el aire dentro de una cámara sellada,
este equilibrio se logra cuando el potencial de
agua en el aire circundante en la cámara es igual
al potencial de agua dentro de la muestra, lo
anterior se alcanza cuando la temperatura es la
suficiente para comenzar la condensación; en este
punto una termocupla ubicada en el espejo
incrustado debajo de la muestra registra esta
temperatura y avisa al usuario que el sistema ha
llegado al equilibrio, a partir de esto se pueden
registrar los datos de succión total obtenidos para
cada muestra. La principal limitación de este
instrumento radica en que no es posible realizar
un registro continuo mientras se lleva a cabo un
determinado ensayo, teniendo lo anterior se
tomaron medidas antes del ensayo de
compactación y después del mismo.
Figura 8. Equipo de medición de succión total por punto de rocío WP4-T.
2.3. Equipo de carga y modelo
El equipo a utilizar para realizar el proceso de
compactación fue una prensa “Digital Tritest 50
Load Frame” de ELE International, esta prensa
tiene la capacidad máxima de aplicar una carga de
5 toneladas. El funcionamiento de esta prensa se
basa en el control de deformación. Este equipo
inicia su proceso de compactación a partir de una
velocidad en milímetros por minuto que el usuario
impone en la pantalla principal. En la siguiente
sección, se exponen los ciclos de compactación y
las velocidades de deformación establecidas para
cada escalón del ensayo realizado en este estudio.
Por otro lado, el modelo en el cual se dispuso el
suelo y se llevó a cabo la compactación constaba
de un recipiente de acrílico de 17.5 centímetros de
diámetro interno, este poseía una atura
aproximada de 10 centímetros, con un recipiente
base en acrílico construido para contrarrestar los
esfuerzos generados por la compactación y así
evitar posibles fugas de suelo o agua y
rompimiento del elemento. El recipiente se
dividía en dos partes, la parte base con la placa
gris de acrílico grueso y una parte superior, creada
con el propósito de poder insertar los equipos una
vez se tiene aproximadamente la mitad del
volumen total requerido de suelo. A continuación,
se muestran los elementos usados para el montaje
del ensayo.
Donde:
1. Recipiente base de acrílico.
2. Base para aplicación de deformación de
la prensa.
3. Psicrómetro termocupla Wescor PST-55-
30.
4. Tensiómetro UMS T5x.
5. Placa metálica para distribución de
esfuerzos.
6. Pantalla principal donde se establecen las
velocidades de deformación en mm/s.
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Figura 9. Elementos necesarios para el montaje.
2.4. Ciclos de compactación
El proceso de compactación se basó en 3 ciclos
de carga y descarga cada uno, los cuales fueron
llevados a cabo a deformación controlada tal y
como se expuso anteriormente. En primera
instancia, la velocidad de deformación en el
escalón inicial de carga se calculó para mantener
una razón de deformación inicial de 40 µstrain/s,
asegurando una deformación unitaria aproximada
del 20% (Caicedo, 2014). Por otro lado, se llevó a
cabo un ensayo de prueba con el objetivo de
determinar las velocidades de carga y descarga
subsecuentes, en la siguiente tabla se consignan
las tasas de deformación utilizadas, las cuales
permitieron llevar a cabo un correcto análisis del
comportamiento interno de la succión para cada
ciclo de compactación.
Tabla 2. Velocidades de deformación.
Como se ve en la Tabla 2, fue necesario disminuir
la velocidad de carga a partir del primer ciclo, esto
debido a que se esperaría llegar al esfuerzo limite
por escalón de forma más rápida si se aplica la
misma tasa inicial, lo cual incidiría en un
comportamiento no tan preciso en función del
tiempo de respuesta de los equipos insertados en
el modelo, debido a esto se disminuye en un 50%
la velocidad de carga de los ciclos restantes. En
términos de carga, el esfuerzo máximo inicial
corresponde a 150 kPa, este se va aumentando a
razón de 150 kPa por escalón, dando como
resultado un esfuerzo máximo último de 450 kPa.
Posterior a esto, el ciclo de descarga se cumple
cuando se alcanza un esfuerzo correspondiente a
la cuarta parte del esfuerzo inicial, el cual
corresponde a 37.5 kPa. A partir de lo anterior,
cuando el esfuerzo aplicado llegue tanto a los
valores máximos como mínimos, se deja
constante el mismo durante 30 minutos.
2.5. Material
Preparación de suelo
El suelo utilizado en el presente estudio
corresponde a caolín, el cual es una arcilla
perteneciente al grupo de los silicatos. Las
características relevantes para este material se
muestran en la Tabla 3. La gravedad específica
fue determinada en el laboratorio de suelos de la
Universidad de los Andes.
Tabla 3. Características del caolín usado.
Para evaluar el rendimiento de los equipos
medidores de succión, se llevó a cabo la
preparación de cinco unidades de suelo, cada una
con una humedad diferente, la cual variaba entre
5% a 25%, aumentando la misma en 5% para cada
uno de los suelos preparados. La preparación del
suelo se llevó a cabo siguiendo los lineamientos
propuestos por Tarantino & De Col (2008), a
partir de este protocolo y procesos que se
evidenciaron durante esta actividad, se registraron
una serie de recomendaciones importantes para
llevar a cabo una preparación adecuada del
material, estas recomendaciones se muestra a
continuación:
mm/min mm/s
Ciclo de carga inicial (1) 0,3 0,005
Ciclos de carga 2 y 3 0,15 0,0025
Descarga -0,03 -0,0005
PendienteVelocidad
Límite líquido (%) 55
Límite plástico (%) 30
Gs 2,63
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1. Antes de determinar las cantidades de
agua necesarias para lograr una
determinada humedad, debe realizarse
una prueba de humedad natural. Esta
consiste en determinar la humedad que
posee el suelo en el bulto adquirido.
Para llevar a cabo esta prueba deben
extraerse por lo menos tres muestras
provenientes del conjunto total de suelo
que se dispone, a partir de esta extracción
se pesa la cantidad de suelo y la tara sin
material en la cual se adiciona el mismo.
Posterior a esto, se insertan las muestras
en un horno a 110°C, temperatura a la
cual se espera la evaporación total del
agua natural que se encuentra dentro del
suelo (Bowles, 1981). Pasadas 24 horas
desde que se introducen las muestras al
horno, se sacan y se pesan de nuevo,
teniendo estos datos se calcula la
humedad natural tal y como sigue a
continuación:
Teniendo que el porcentaje de humedad
en un suelo se determina por:
%𝐻 =𝑊𝑤
𝑊𝑠∗ 100
Donde "𝑊𝑤" es el peso de agua dentro de
la muestra y "𝑊𝑠" corresponde al peso de
suelo seco. A partir de esto se determina
que la humedad natural es:
%𝐻𝑛 =𝑊𝑤+𝑡 −𝑊𝑠+𝑡
𝑊𝑠+𝑡 −𝑊𝑡∗ 100
Donde:
𝑊𝑤+𝑡: Peso total de la muestra
húmeda (antes de secar en el
horno), este incluye el peso de la
tara.
𝑊𝑠+𝑡: Peso total de la muestra
seca, incluyendo el peso de la
tara.
𝑊𝑡: peso correspondiente a la
tara o recipiente para cada
muestra.
Luego de determinar la humedad natural,
se pueden realizar los cálculos para
establecer la cantidad de agua necesaria
faltante.
2. El proceso de preparación del suelo debe
ser rápido y cuidadoso, esto con el
objetivo de asegurar que las cantidades de
material y agua necesarios efectivamente
se estén adicionando y además evitar
pérdidas por evaporación cuando el suelo
se esté mezclando.
3. Se recomienda adicionar el agua por
medio de un rociador, de esta forma se
procura que el agua se distribuya en toda
la cantidad de suelo, evitando formación
de grandes grumos.
4. Si se usa una batidora de baja capacidad
de almacenamiento, es recomendable
mezclar cantidades de suelo por capas,
teniendo especial cuidado en adicionar el
agua en el suelo y no en las paredes de la
máquina.
5. Cuando se haya mezclado correctamente
el suelo con el agua, se debe disponer de
un tamiz con apertura cercana a un
milímetro. En este tamiz se pone una
parte de la mezcla anteriormente
realizada, con ayuda de una espátula y
vibrando el elemento, se dispone a
disgregar los grumos resultantes de la
unión entre partículas de agua y suelo.
6. El contenedor donde se tiene el suelo a
mezclar y el recipiente en el cual se
guarda el resultado final luego de su paso
por el tamiz deben mantenerse tapados,
esto evita que se pierda agua y
posteriormente se disminuya la humedad
del conjunto.
7. Cuando se termine de mezclar todo el
material para una determinada humedad,
se debe guardar en un recipiente sellado
herméticamente, el cual deberá
permanecer en un cuarto con una
temperatura relativamente constante
durante por lo menos 7 días, esto se
realiza con el objetivo de asegurar una
homogeneidad en la humedad de todo el
conjunto (Tarantino & De Col (2008).
11
8. Es recomendable que se prepare más
material del cual se piensa probar, esto
crearía un margen de cantidades que
favorece la prueba de varios especímenes
sin tener que volver a invertir tiempo en
la preparación del mismo.
Preparación de muestras y montaje en prensa
Cuando se han cumplido por lo menos 7 días
en los cuales se deja en reposo el material
preparado anteriormente, se procede a conformar
las muestras necesarias para realizar las pruebas
de compactación. En la siguiente figura, se
exponen los materiales necesarios para llevar a
cabo este proceso.
Figura 10. Herramientas para preparación de muestras.
Donde:
1. Placa metálica para distribución de
esfuerzos: este elemento se pone en la
parte superior del recipiente, con el
objetivo de distribuir de forma equitativa
los esfuerzos ejercidos por la prensa.
2. Espátula plástica: con el objetivo de
preservar la integridad de los equipos
insertados en el suelo, debe hacerse uso
de una espátula plástica y no metálica
para acomodar el arreglo de partículas
cuando se esté adicionando la mezcla
sobre el T5x y el PST-55-30.
3. Pala plástica: se utiliza para verter
grandes cantidades de suelo dentro del
recipiente.
4. Placa base de acrílico: en esta comienza
a adicionarse el suelo hasta llegar a su
límite superior.
5. División superior de acrílico: luego de
insertar los equipos, se adecua la placa
superior para seguir llenando el
recipiente.
6. Mazo para pre-compactación.
7. Papel filtro: se usa para evitar el
intercambio de humedad con el exterior.
8. Recipiente plástico: se utiliza para evitar
desperdiciar gran cantidad de material
durante la pre-compactación.
9. Recipiente sellado herméticamente: es el
recipiente en el cual se guarda la mezcla
de suelo y posteriormente se deja en
reposo durante por lo menos 7 días tal y
como se mencionó anteriormente.
A continuación, se expone el procedimiento
detallado para preparar las muestras de suelo y su
posterior montaje en la prensa, este deberá
repetirse cada vez que se vaya a llevar a cabo un
ensayo.
1. Deberá cortarse el papel filtro con el
mismo diámetro del recipiente donde se
pondrá el suelo, este se colocará al final
del procedimiento pero se recomienda
tenerlo listo desde el principio para evitar
intercambios de humedad en todo el
proceso.
2. Comenzar a adicionar el suelo por capas
hasta el límite superior del recipiente
base. Debido a lo suelto que este pueda
encontrarse al inicio del ensayo, siendo
los suelos con menores contenidos de
humedad más sueltos que las mezclas
más húmedas, es necesario realizar un
proceso de pre-compactación por cada
capa en todos los especímenes utilizando
el elemento #6 de la figura 10. Para el
presente estudio se imprimieron 30
golpes por capa para mezclas con 20% y
25% de humedad, para mezclas con
humedades menores se compactó con 40
golpes por capa.
12
Figura 11. Proceso de pre-compactación inicial (a) recipiente base donde se adiciona el suelo; (b) suelo sin pre-compactar; (c) compactación con el mazo; (d) suelo pre-compactado.
1. Cuando se llegue al límite superior de la
división base del recipiente, se insertan
los instrumentos en el suelo. Se debe
tener especial cuidado con la inclusión
del T5x en el material, este debe
insertarse de forma completamente
horizontal y con la mayor parte de cable
posible dentro del molde, esto es
importante debido a que se debe evitar
que el instrumento cree algún tipo de
ángulo con respecto a la horizontal, lo
cual a lo largo del proceso de
compactación podría resultar en el
rompimiento del asta, como se vio
anteriormente es bastante frágil. Además,
es importante mencionar que el sistema
de toma de medidas para el T5x debe
ponerse en 0 inmediatamente antes de
insertarse el mismo en el suelo, este valor
deberá ser anotado ya que será tomado
como el nuevo valor de succión 0 para
todo el proceso. Por otro lado el
psicrómetro debe insertarse de forma
horizontal, procurando que su punta no
quede en contacto con el otro equipo.
2. Cuando se incluyan los equipos en el
suelo, se procede a poner la división
superior de acrílico, teniendo cuidado con
no presionar los cables cuando se esté
uniendo el recipiente (Figura 12).
3. Luego de insertar la división superior de
acrílico, se sigue adicionando el suelo,
acomodando el mismo con la espátula de
plástico y posteriormente compactándolo
con el mazo. El suelo que se adicione
sobre la punta cerámica del tensiómetro
debe humedecerse un poco con agua
destilada – desionizada, esto favorecerá
al rápido equilibrio de las mediciones de
succión.
Figura 12. Preparación final de muestra (a) Se ponen los instrumentos de forma horizontal; (b) montaje de división superior; (c) adición de suelo sobre instrumentos con espátula plástica.
4. Cuando se tenga la muestra pre-
compactada hasta el límite superior del
recipiente, se pone el papel filtro cortado
anteriormente y la placa metálica (#7 y
#1. Figura 10), procurando que quede
nivelada y de forma horizontal en cada
borde del recipiente, esto es sumamente
importante debido a que deben evitarse
asentamientos diferenciales que
conlleven a daños en los equipos
insertados. El montaje final se muestra en
la Figura 13.
5. Se inserta la velocidad de carga inicial
deseada para el primer escalón y se
comienza el ensayo de compactación.
13
Figura 13. Montaje completo.
3. PROCEDIMIENTO DE USO Y
LIMPIEZA DE EQUIPOS
Anteriormente se expuso la teoría de
funcionamiento de cada uno de los equipos
usados en este estudio, en esta sección se explican
los conceptos prácticos que deben tenerse en
cuenta para procurar tomar medidas optimas de
succión matricial y succión total.
3.1. Psicrómetro Wescor PST-55-30
A continuación, se expondrá el procedimiento
a seguir para conectar de forma correcta el equipo
y posteriormente tomar las mediciones a lo largo
del ensayo.
1. Deberá conectarse la estación de
medición PSYPRO al computador. La
conexión a la estación se hará por medio
de la entrada circular, la otra parte del
cable se conectará a un convertidor de
RS-232 a USB, este último se conectará
al computador donde se deseen guardar
los datos En la Figura 14 se muestra el
montaje para la estación PSYRPO.
Donde:
a. Conexión de psicrómetros.
b. Salida circular de PSYPRO al
computador.
c. Conexión RS-232 a conversor.
d. Salida USB del convertidor RS-232 a
puerto BUS.
2. Se procede a realizar la instalación del
programa. Posterior a esto se conecta la
salida USB del PSYPRO al computador
(d en Figura 14), cada vez que se inicie el
programa deberán realizarse las
siguientes configuraciones:
a. En la pestaña superior izquierda
“File”, se encuentra un apartado
llamado “PC settings”, en este debe
configurarse el puerto COM que sea
usado cuando el computador detecte
la conexión exitosa con la estación
PSYPRO (Figura 15).
b. Cuando se haya escrito el puerto
COM de la estación, se da clic en
“Ok”, a partir de esto el programa
contactará al PSYPRO para verificar
que se establezca una conexión
exitosa, si efectivamente los cables
están bien conectados y el puerto
escogido es el indicado cargará la
barra de espera y aparecerá de nuevo
la ventana inicial, de lo contrario
aparecerá un aviso indicando un error
en la conexión (Figura 16).
Figura 14. Estación de datos PSYPRO.
14
Figura 15. Verificación de puerto USB.
c. En la siguiente pestaña “Tools”,
deberá configurarse el reloj de la
estación, el cual se reiniciará cada
vez que se encienda, por lo anterior
es de suma importancia establecer
inicialmente la hora y la fecha en
calendario Juliano. Esta
configuración se realiza en “Set
PSYPRO Time”, luego de
seleccionar esta opción se podrá
sincronizar con la hora establecida en
el computador.
Figura 16. Error de conexión con la estación PSYPRO.
d. Debido al método para guardar datos
que posee la estación PSYPRO, es
recomendable que siempre se realice
una verificación de la memoria y
cada vez que se descarguen datos
estos sean movidos a otra carpeta,
con el objetivo de que no se
sobrescriban los archivos.
3. Cuando se realicen las anteriores
configuraciones iniciales, se procederá a
establecer los parámetros de medición,
estos se muestran en la siguiente figura.
Figura 17. Parámetros iniciales de medición.
Donde:
Cooling Current On Seconds: este
parámetro describe el tiempo durante el
cual se desea que el psicrómetro sea
refrigerado con la corriente de Peltier, el
programa permite configurar un tiempo
de 5 a 60 segundos. De acuerdo con
Brown & Bartos (1982), un tiempo de 30
segundos es correcto para la mayoría de
pruebas, si se desea mantener un corto
tiempo entre mediciones puede ponerse
un tiempo de 15 segundos, tiempos más
largos generalmente no ofrecen mejores
ventajas que un tiempo de 30 segundos.
Por otro lado, para suelos secos es
15
recomendable utilizar un tiempo de
refrigeramiento más largo, con el
objetivo de procurar que se llegue al
punto de condensación dentro de la
termocupla, de igual forma para suelos
húmedos basta con un tiempo entre 5 a 10
segundos (Wescor, 2004). Se recomienda
realizar ensayos de prueba para
determinar el mejor tiempo de impresión
de la corriente Peltier, en el presente
estudio se utilizaron siempre tiempos de
15 segundos, esto debido a que era
importante registrar datos con poca
dispersión en cuanto a tiempo entre ellos.
Measurement Period Seconds: el
programa permite especificar un tiempo
de medición entre 5 a 250 segundos, los
cuales se llevarán a cabo con intervalos
mínimos de 5 minutos entre ellos. En este
periodo, el sistema registra 50
mediciones, las cuales se tomaran en
intervalos dependientes del tiempo de
medición establecido.
𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠: 𝑀𝑒𝑎𝑠𝑢𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 𝑃𝑒𝑟𝑖𝑜𝑑
50
A partir de un ensayo de prueba, se
estableció que 30 segundos era un tiempo
óptimo para tomar las mediciones. Por
otro lado, se recomienda no establecer
tiempos tan largos (cercanos a 250 seg.) a
menos de que se realice el ensayo en un
medio con temperatura totalmente
controlada.
Delay Seconds After Cooling: como se
vio anteriormente en la sección “2.2.
Medición de succión total”, el sistema
requiere de un periodo de retraso luego de
imprimir la corriente Peltier con el ánimo
de estabilizar la temperatura interna, 3 a
4 segundos es suficiente para realizar este
proceso (Wescor, 2004).
Read Average Seconds: durante los
segundos establecidos en este parámetro,
se promedian una serie de mediciones, las
cuales se presentarán en el archivo final
de registro. Para determinar cuántas
mediciones se promedian, se divide el
“Read Average Seconds” entre el
intervalo de tiempo entre medidas. Se
recomienda que no se establezca un
tiempo largo para promediar las
mediciones, a menos de que se tenga un
medio con condiciones controladas,
específicamente la temperatura, lo
anterior debido a que durante este rango
pueden presentarse mediciones erróneas
que corresponden a un cambio súbito en
la temperatura, lo cual daría como
resultado un valor promedio incorrecto.
Correction Factors: en estas casillas se
escriben los factores de corrección
obtenidos a partir del proceso
especificado en la sección “2.2.
Medición de succión total – Calibración
de psicrómetros”, cada casilla hace
referencia al factor de corrección
correspondiente a cada uno de los
psicrómetros en orden numérico.
Log Interval: establece el intervalo entre
procesos de medición. Un proceso de
medición está compuesto por “Cooling
Current On Seconds” y “Measurement
Period Seconds”, durante este último se
realizan los procesos de retraso (Delay
Seconds After Cooling) y promedio de
mediciones (Read Average Seconds).
Cuando finaliza un proceso de medición
se puede establecer que el siguiente
recorrido comience luego de 5 a 32.707
minutos.
Por último, el sistema permite dos formas
distintas de realizar la toma de datos, la
primera consiste en recolectar los
resultados correspondientes al potencial
de agua en MPa para cada intervalo de
tiempo, en este archivo se incluye el
voltaje de la batería (bat V), la cual se
recomienda siempre mantener sobre 11.7
voltios, la temperatura de refrigeración
(Cool mV), la temperatura de la
termocupla (temp C), el offset en µV, el
cual siempre debe ser menos de 3 µV para
obtener mediciones significativas
(Caicedo, 2014) y el voltaje de la
“wetbulb”. Este tipo de registro de
denomina “Log Results Only”. Cuando se
16
desee conocer el voltaje obtenido a lo
largo de las 50 mediciones se deberá
seleccionar el segundo tipo de registro,
nombrado en el sistema como “Log
Results Plus Entire Psychrometric Curve
(50 pt. array)”. Para la mayoría de los
casos y con el objetivo de ahorrar
memoria, basta con seleccionar la opción
“Log Results Only”, a menos que las
condiciones del ensayo demanden
conocer el comportamiento puntual en
micro voltios a lo largo de cada proceso
de medición.
Cuando se hayan establecido todos los
parámetros anteriormente descritos, se
procede a guardar la configuración.
Teniendo en cuenta si se desea comenzar
a tomar datos inmediatamente (Logging
ON) o después cuando el usuario lo
decida (Logging OFF).
Existen tres destinos posibles para
guardar los datos, pueden almacenarse en
un archivo, configurarlos como los
nuevos parámetros por defecto o
guardarlos en el PSYPRO, teniendo esto
se recomienda siempre guardar los datos
en el PSYPRO, los cuales entonces se
actualizarán en el psicrómetro.
Una vez los parámetros deseados se
encuentren guardados en la estación de
medición, se recomienda verificar que
exista una conexión exitosa entre este
elemento y el computador, para esto se va
a “Tools” > “Contact PSYPRO”. Luego
de corroborar la conexión del sistema
bastaría con seleccionar la opción
“Logging ON” para que el psicrómetro
comience a realizar el proceso de
medición. A partir del presente estudio se
determinó que era indicado comenzar a
tomar mediciones entre 20 a 40 minutos
antes de iniciar el proceso, lo cual
permitía al psicrómetro calibrarse con el
ambiente.
4. Cuando se haya terminado el ensayo, se
da clic en la opción “Logging OFF” y
posteriormente se guardan los datos de
nuevo al PSYPRO, esto finaliza el
procedimiento de registro.
5. Para guardar los resultados, se va a
“Tools” > “Save PSYPRO data”, en esta
ventana (Figura 18) se muestran dos
distintas formas de guardar los datos; la
primera permite descargar la información
registrada desde la última descarga y la
segunda opción permite descargar todos
los datos guardados en la estación
PSYPRO. Como se dijo anteriormente,
debe tenerse cuidado con los archivos ya
guardados en el computador en la carpeta
“PSYPRO data”, debido a que existe la
posibilidad de que los nuevos datos
descargados se sobrescriban con los ya
guardados.
Figura 18. Ventana para descargar los datos.
Limpieza del equipo
Para evitar un posible efecto de corrosión
dentro del elemento, este se deberá limpiar solo
con agua destilada – desionizada. El proceso
correcto de mantenimiento se basa en limpiar de
forma cuidadosa la punta de acero inoxidable con
un rociador convencional de agua, dejando el
psicrómetro de forma vertical con el objetivo de
expulsar los residuos que puede llegar a
almacenar adentro por el proceso de
compactación por efecto de gravedad y con ayuda
17
de la presión ejercida por el rociador. Los
elementos necesarios para un óptimo
mantenimiento se muestran en la siguiente figura.
Figura 19. Herramientas para la limpieza del psicrómetro.
Donde:
1. Balón volumétrico.
2. Rociador convencional con agua
destilada – desionizada.
3. Recipiente para recoger el agua
contaminada.
4. Toalla limpia sin motas.
5. Papel higiénico.
Luego de mojar con el rociador el instrumento, se
limpia suavemente el mismo con una toalla limpia
que no desprenda motas, posterior a esto se
introduce en un balón volumétrico, en el cual se
sumerge durante un tiempo para que los residuos
internos tiendan a diluirse. Luego de unos
minutos se saca del balón y se envuelve en papel
higiénico, este absorbe el agua destilada –
desionizada a la cual se expuso con anterioridad
el psicrómetro.
3.2. Tensiómetro T5x
El proceso de conexión del T5x es más sencillo
que el del psicrómetro. Para este equipo, se adapta
una conexión para poder registrar los resultados
en el sistema de datos del laboratorio de suelos.
Luego se verifica que las mediciones de succión
se muestren en tiempo real a lo largo de todo el
ensayo.
Para optimizar las mediciones realizadas con el
tensiómetro, se registran a continuación una serie
de recomendaciones en adición a las ya expuestas
a lo largo de este artículo:
Debido a que la fuente de corriente a la
cual se conecta el tensiómetro muchas
veces difiere con el voltaje determinado
por el manual, se debe dejar el
tensiómetro en una posición horizontal
hasta que la medición de presión sea
estable. Esta se anota y se pone en 0 el
sistema, creando así un nuevo punto de
inicio en función del voltaje propuesto
para este tensiómetro.
Nunca se debe dejar secar la punta de
cerámica, esto podría llevar a registrar
presiones que sobrepasen el límite
permitido por el equipo de 300 kPa.
Antes de insertar el tensiómetro en el
suelo, se deberá verificar que no haya
ningún tipo de burbujas dentro del
mismo. Debido a que el asta de acrílico
es transparente, es fácil ver el interior del
instrumento. Como se mencionó
anteriormente, la más pequeña burbuja
de aire dentro del sistema disminuye en
gran medida la calidad de los resultados.
Cuando el tensiómetro se pone sobre el
suelo, se debe crear una pasta de suelo y
agua destilada- desionizada alrededor de
la punta cerámica. Realizando esta
acción, se evidencio que los tiempos de
estabilización de las medidas disminuían
en comparación a la inclusión del equipo
sin propinarle un recubrimiento a la
punta cerámica.
Limpieza del equipo
Debido a las bajas humedades que se
manejaron en el presente estudio y los altos
esfuerzos a los cuales fueron sometidos los
equipos, se presentó cavitación en los
tensiómetros al finalizar cada uno de los ensayos.
18
Figura 20. Cavitación del T5x (a) elemento correctamente llenado; (b) elemento cavitado.
Como se observa en la Figura 20, en un
tensiómetro lleno se presenta difracción de la luz,
lo cual hace que las líneas en el papel se vean con
una dirección distinta, mientras que en el
elemento cavitado luego de un ensayo no se
logran ver las líneas debido al agua condensada y
el aire que tiene dentro del asta de acrílico.
La limpieza del equipo debe hacerse
humedeciendo todo el instrumento con un paño
húmedo con agua destilada – desionizada
exceptuando la punta de cerámica, la cual debe
limpiarse aplicando agua a presión con el rociador
convencional expuesto en la sección anterior. La
limpieza de los cables también se realiza
utilizando un paño húmedo, teniendo mucho
cuidado con no mojar el sensor de presión
atmosférica blanco ubicado a pocos centímetros
del cuerpo del sensor. Cuando se encuentre limpio
el equipo, se deberá de nuevo tapar la punta
cerámica con el recipiente especial, el cual se
llena con agua pura.
3.3. WP4-T
Extracción de muestras
Con el objetivo de generar una medición más
precisa, se extraen tres muestras de distintas
partes del recipiente tanto antes como después de
realizar el ensayo.
Figura 21. Herramientas para extracción de muestras.
Con ayuda del extractor manual (1), se extraen las
muestras compactadas luego de realizar el ensayo.
para obtener las muestras del suelo pre-
compactado (antes del ensayo) se puede utilizar el
elemento (1) pero debido a lo suelto que el suelo
se pueda encontrar, se hace uso de la espátula
metálica (3) para obtener las muestras, finalmente
se almacenan en los recipientes especiales (2).
En primer lugar y con base en los tiempos de
equilibración de temperatura y toma de medidas,
se recomienda conectar el equipo antes de realizar
los ensayos, encenderlo y dejarlo en reposo
durante cerca de 30 minutos. Cuando se haya
dejado calentar el equipo y se tengan los
recipientes con suelo solo hasta la mitad del
mismo, se dispone a ubicar las muestras sobre la
zona de equilibración y una por una se irá
ingresando el material a la cámara con el espejo
refrigerado.
Figura 22. Componentes WP4-T.
Los recipientes deben ingresarse a la cámara bajo
los dos siguientes requerimientos indispensables:
19
Sin tapa y con los bordes limpios, de lo
contrario existe la posibilidad de que el
espejo sea contaminado.
Llenos solo hasta la mitad, si esto no se
cumple las mediciones tomadas serán
incorrectas y podría llegar a descalibrarce
el espejo.
Siguiendo lo anterior, se coloca el recipiente en la
cámara, se cierra y se gira la perilla a la opción
“READ”, cuando esto se realice aparecerá la
siguiente pantalla.
Figura 23. Equilibrio de temperaturas.
Donde “Ts” hace referencia a la temperatura de la
muestra y “Tb” corresponde a la temperatura del
equipo. Si esta diferencia se encuentra entre -0.5
a 0 °C, los tiempos para tomar las mediciones
serán más cortos, por lo cual se debe esperar a que
esta condición se cumpla para que el equipo
cambie a la siguiente pantalla, en la cual se
muestran las dos unidades disponibles para la
toma de medidas y la temperatura interna del
sistema (Figura 24).
Figura 24. Toma de medidas de succión total.
Es probable que si la diferencia de temperaturas
sea un valor positivo muy alto, el sistema indique
que la “Muestra está muy caliente”, para
solucionar esto debe dejarse el recipiente dentro
del sistema durante un par de minutos, lo cual
conduciría a un equilibro de temperaturas y en
consecuencia a una diferencia entre ellas aceptada
por el equipo, a partir de esto pueden comenzar a
tomarse las mediciones.
Cuando el sistema llegue a la temperatura de
rocío, tal y como se explicaba en la sección “2.2.
Medición de succión total – WP4-T”, se mostrará
la succión total calculada en la muestra, esto se
sabe cuándo el LED ubicado en la parte frontal
del equipo alumbra de forma intermitente.
Cuando se haya analizado cada extracción, se
debe sacar cada recipiente con cuidado de la
cámara y cerrar la misma para mantenerla libre de
contaminación, posterior a esto se apaga y
desconecta el equipo.
4. RESULTADOS
A continuación, se muestra claramente la
trayectoria de carga y descarga en el espécimen
correspondiente a 10% de humedad. Este
comportamiento se presenta de forma similar en
todos los ensayos llevados a cabo para cada
contenido de humedad. Por otro lado, se muestra
la deformación unitaria axial contra el tiempo
para el ensayo llevado a cabo sobre el mismo
espécimen, en esta se evidencia una deformación
unitaria inicial aproximada de un 20%.
Figura 26. Evolución de la deformación axial para el ensayo a 10% de humedad.
Figura 25. Evolución del esfuerzo axial para el ensayo a 10% de humedad.
20
Como se pudo entender con lo expuesto
anteriormente, se espera que para muestras con
muy bajo contenido de agua, el mejor instrumento
para realizar las cuantificaciones sean los
medidores de succión total, tales como el
psicrómetro PST-55-30 y el WP4-T.
Lo anterior difiere parcialmente de los resultados
aquí obtenidos, ya que el único instrumento que
logró determinar la succión total en la muestra
más seca fue el WP4-T. Como se ve en la Tabla
4, las succiones obtenidas en la muestra
correspondiente a un porcentaje de 5% de
humedad rondan los -24, esto corresponde a un
error del 100% en relación con los resultados
obtenidos con el psicrómetro, lo anterior se
fundamenta en que esta magnitudes se salen del
rango óptimo de medición de los psicómetros
termocupla, el cual es cercano a los -8 MPa.
Para una humedad cercana al 10%, el rendimiento
del psicrómetro comienza a mejorar. En este caso
se ve que la succión disminuye cuando se
aumenta el esfuerzo y viceversa cuando existen
ciclos de descarga, esto de acuerdo con Tarantino
& De Col (2008) corresponde a una fluctuación
en el grado de saturación, lo cual básicamente
expone que si se aumenta el esfuerzo aplicado, el
agua al ser un fluido incompresible, comenzaría a
distribuirse por todo el suelo que anteriormente
estaba seco, lo cual disminuiría la magnitud de la
succión.
Por el contrario, si se descarga la muestra, el suelo
comienza a separarse de las partículas de agua,
generando un aumento en la aparición de
meniscos y por consiguiente valores más altos de
succión total, tal y como se ve en la Figura 27.
Como se puede analizar en la Tabla 4,
exceptuando por el ensayo realizado en el suelo
con 5% de humedad, el psicrómetro presenta un
gran desempeño en humedades bajas (10% a
15%), determinando así errores no mayores al
27.37%, los cuales corresponden a una dispersión
máxima cercana a 1 MPa con respecto a los
resultados de referencia obtenidos por el WP4-T.
ANTES DESPUES ANTES DESPUES ANTES DESPUES Max Min Max Min
5,00% -24,079 -22,152 0 -0,01 100,00% 99,95% -0,15 0,19 -38,405 -0,005 9754 2,71
10,00% -14,521 -13,719 -12,45 -11,14 14,26% 18,80% -12,88 -11,03 -35,685 -0,02 13020 3,62
15,00% -11,360 -10,181 -8,25 -8,39 27,38% 17,59% -9,07 -8,25 -37,985 -0,005 12966 3,60
20,00% -7,433 -6,490 -6,21 -4,7 16,46% 27,58% -6,33 -4,4 -35,92 -0,955 15295 4,25
25,00% -4,923 -4,168 -3,05 -2,37 38,05% 43,14% -3,09 -2,19 -36,55 -35,1 15500 4,31
Max Total -12,88 Max Total -38,405
Min Total 0,19 Min Total -0,005
Tiempo cavitación
aprox (seg-hrs)
WP4-T (Mpa) PSY (Mpa) % Error Psy (Mpa) T5x (kPa)
Tabla 4. Resultados de los ensayos para cada contenido de humedad.
Figura 27. Comportamiento de la succión total en el último escalón de carga para muestra con w: 10%.
21
Por otro lado, como se observa en la Figura 28, el
tensiómetro sigue el comportamiento esperado
para humedades más altas, en las cuales el
psicrómetro presenta un comportamiento más
lineal, sin cambios marcados en los ciclos de
carga y descarga. De igual forma, los tiempos
aproximados para los cuales el T5x presenta
cavitación son mayores a medida que aumenta la
cantidad de agua en el suelo.
Figura 28. Comportamiento de la succión matricial en el segundo escalón de carga para una humedad de 20%.
Analizando los resultados obtenidos para
succiones matriciales, se establece que en
promedio el tiempo de respuesta del tensiómetro
corresponde a 3 minutos, este tiempo se define
como el lapso que existe entre un pico o valle en
la gráfica de esfuerzo en relación al pico o valle
presentado en la succión para cada escalón
determinado.
A partir de esto y analizando de nuevo la Tabla 4,
se determina que el rango efectivo de lectura de
succiones totales para el psicrómetro puede llegar
a ser un poco más de -8 MPa, este aumento radica
en la calidad de la calibración, los tiempos
escogidos para realizar la medición y la
preparación adecuada del suelo, tal y como se vio
en las secciones anteriores. Por otro lado, se
observó que la succión matricial máxima medida
con el T5x fue de -38.4 kPa, esto difiere en gran
medida de la medición límite teórica a la que
puede llegar el elemento antes de cavitar, la cual
es de -160 kPa para la edición T5x. Lo anterior
radica en la calidad de la calibración del equipo
cada vez que se ensayaba y en la adecuación del
mismo dentro del suelo.
5. CONCLUSIONES
A partir del presente estudio, se concluye que
el parámetro más importante para llevar a cabo
medidas óptimas de succión total y matricial
radica en la calidad de la calibración de los
equipos y el procedimiento que se sigue para
insertar los mismos en el suelo. Por otra parte, es
importante decir que la variación de los datos
obtenidos por el psicrómetro con respecto a las
medidas registradas con el WP4-T corresponde a
errores provenientes de la alteración constante del
entorno. Como se mencionó con anterioridad, el
buen funcionamiento del psicrómetro termocupla
con efecto Peltier se basa en realizar los ensayos
bajo condiciones de temperatura controladas,
también se recomienda que el psicrómetro sea
insertado a por lo menos 15 centímetros de la
superficie del suelo, en este punto se asegura una
disminución importante en el gradiente de
temperatura presentado a lo largo del ensayo.
Se recomienda que el tensiómetro T5x se use en
suelos con humedades mayores a 25%, esto
debido a que aunque en el presente estudio se
demostró un comportamiento esperado en torno a
las trayectorias de succión en estas muestras, se
evidencia una variación muy pequeña en la
succión, lo cual además de dar cuenta que este
instrumento se debe utilizar para medidas
puntuales, sugiere que su mejor desempeño se
produzca en suelos mucho más húmedos.
Por último, se establece que dependiendo del
protocolo seguido para toma de mediciones con el
psicrómetro, este puede desempeñarse en
humedades no menores al 10%. Un material
preparado con cantidades de agua menores a este
valor produciría resultados de succión muy
grandes, donde el único instrumento útil para la
medición de este parámetro sería el WP4-T.
22
6. REFERENCIAS
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