PESO ESPECÍFICO DE LOS SUELOSASTM D 854-58

1. Datos generalesUbicación : La práctica de laboratorio se realizó en el Laboratorio de Mecánica de

Suelos de la facultad de ingeniería Civil de la Universidad San Pedro. Curso : Mecánica de Suelos IDocente : Segundo Rodríguez

2. OBJETIVOEl objetivo de la práctica de laboratorio es determinar el peso específico de los sólidos de un suelo, mediante la aplicación de un método general, para suelos de partículas pequeñas (suelos y agregados finos), cuya gravedad específica es mayor de uno.

3. EQUIPO, HERRAMIENTAS Y MATERIALES

Frasco volumétrico (Picnómetro), limpios y secos de 500 cm3 de capacidad

Bomba de vacío con tuberías y uniones, o en su defecto un mechero o un dispositivo para hervir el contenido del picnómetro.

Horno de secado

Balanza de precisión, con capacidad de 1200g y sensibilidad de 0.01g, y otra de capacidad de 200g con sensibilidad de 0.001g.

Cuenta gotas o pipeta.

Termómetro graduado con un a escala de 0 a 50 °C, y con precisión de 0.1 °C. Recipientes para evaporación Dispositivo para calentar agua, con temperatura graduable Agua destilada.

Muestra de suelos seco, 300 g.

4. FUNDAMENTO TEÓRICO

PESO ESPECÍFICOEs la relación entre el peso en el aire de un cierto volumen de solidos a una temperatura dada y el peso en el aire del mismo volumen de agua destilada, a la misma temperatura.

CALIBRACIÓN DEL PICNÓMETROEl método de calibración de picnómetros está basado en la dilatación térmica del frasco (matraz), el cual nos servirá para determinar el peso específico de un suelo determinado, el peso del frasco lleno de agua hasta el enrase es función de la temperatura de prueba; ello es debido al cambió de volumen del matraz por la dilatación del vidrio y a la variación del peso específico del agua.El recipiente de volumen conocido es el frasco volumétrico el cual mide un volumen patrón de agua destilada a 20° C el volumen será ligeramente menor.

El peso específico relativo de la mayoría de las partículas minerales constituyentes de un suelo varía entre límites estrés (2.60 a 2.90).El peso específico relativo de los sólidos de un suelo se determina en el laboratorio haciendo uso de un matraz con marca de enrase.El peso del frasco lleno de agua hasta el enrase es función de la temperatura de prueba; ellos es debido al cambió de volumen del matraz por la dilatación del vidrio y a la variación del peso específico del agua.El recipiente de volumen conocido es el frasco volumétrico el cual mide un volumen patrón de agua destilada a 20° C el volumen será ligeramente menor. Como el cambio además es pequeño para desviaciones de temperaturas pequeñas en el fluido, y además es relativamente fácil mantener la temperatura de ensayo cercana a los 20° C, es posible aplicar una corrección aproximada de temperatura para desviaciones pequeñas de temperatura en los cálculos del ensayo, que

permita una aproximación satisfactoria sin necesidad de recurrir a determinar experimentalmente el cambio en el contenido volumétrico del frasco con la temperatura. Alternativamente se puede desarrollar una curva de calibración para cualquier frasco volumétrico dado. Limpiar cuidadosamente el frasco, el frasco se llena hasta su marca con agua. El aire atrapado (burbujas) se desaloja por ebullición.

W=WPIC+VH2O.

W = peso del matraz lleno de aguaWPIC = peso del matrazVH2O = volumen del agua = peso específico para diferentes temperaturas.

No resulta práctico ejecutar la prueba a una misma temperatura, por lo que es conveniente medir el peso del matraz lleno de agua para varias temperaturas y trazar una gráfica de la variación de esos pesos. De esta curva de calibración puede obtenerse el peso del matraz lleno de agua para cada caso específico. A menudo para este experimento se utiliza agua común en lugar de agua destilada, el error, también en este caso, es bastante pequeño.La presencia de aire disuelto en el agua destilada usada en la calibración del matraz no afecta los resultados de la prueba; de hecho, las moléculas del aire entran en la estructura molecular del solvente sin aumento de volumen de éste. El peso total de la solución es la suma de los pesos constituyentes; el peso del aire es nulo y su presencia, cuando está disuelto, no cambia ni el peso ni el volumen del conjunto. El aire atrapado en la muestra sí ha de ser removido.

GRAVEDAD ESPECÍFICALa gravedad específica de los granos del suelo, es siempre bastante mayor que la gravedad específica volumétrica determinada, incluyendo los vacíos en el cálculo (bien llenos de aire – secos – o llenos de agua, parcial o totalmente). Así pues, es normal que en suelo real, los minerales de la fracción muy fina y coloidal su gravedad específica mayor que los minerales de la fracción más gruesa.

La gravedad específica de los sólidos de un suelo se determina en laboratorio haciendo uso de matraz con marca de enrase.El matraz se llena hasta su marca, primero con agua y después con agua y la muestra de suelo. El aire atrapado entre las partículas de suelo se desaloja por ebullición o exponiendo la suspensión al vacío. Si la temperatura del agua es la misma que la de la suspensión puede obtenerse una fórmula para Gs, utilizando los esquemas siguientes:

Sea:Wbw = Peso del matraz lleno de agua.Wbws = Peso del matraz con suelo y agua.

Entonces, se tiene:Wbws – Wbw = Ws – Peso del agua desplazada por los sólidos.

El peso del agua desplazada por los sólidos del suelo vale:

W w=V s γo=W s

Gs

Según Gs=

γ sγ o

=W s

V sγ o . Por lo tanto:

W bws−W bw=W s−W s

G sLuego:

Gs=W s

W bw+W s−W bws

El peso del frasco lleno de agua hasta el enrase es función de la temperatura de prueba; ello es debido al cambio de volumen del matraz por la dilatación del vidrio y a la variación del peso específico del agua. No resulta práctico ejecutar la prueba a una misma temperatura, por lo que es conveniente medir el peso del matraz

lleno de agua (W bws) para varias temperaturas y trazar una gráfica de la variación

de esos pesos. De esta curva de calibración puede obtenerse W bw en cada caso específico.

El peso seco de los sólidos (W s ) debe determinarse antes de la prueba en materiales gruesos y después de ella, en suelos finos plásticos. La razón es, que en estos últimos suelos, el secado previo forma grumos de los que es difícil desalojar al aire atrapado.

5. PROCEDIMIENTOEn nuestro caso se usa como muestra solidos de suelos secados previamente en horno. Entonces el procedimiento para determinar el peso específico de los sólidos en suelos secados al horno, consiste en los siguientes pasos.

5.1. Calibración del frasco volumétrico (Picnómetro). Limpie y seque previamente el picnómetro. Llénese el picnómetro con agua destilada a la temperatura ambiente,

hasta una altura algo menor de la marca de enrase o calibración, déjese reposar durante unos minutos.

Medir la temperatura del agua contenida en el matraz, con una aproximación de 0.1 °C, colocando el bulbo del termómetro en el centro del matraz.

Con una gotero o cuenta gotas, completar el volumen del frasco con agua destilada, haciendo coincidir la parte inferior del menisco con la marca de enrase.

Completando el volumen de agua hasta la marca de enrase

Remueva cuidadosamente con un papel absorbente enrollado el exceso de agua que se encuentra por encima de la marca de calibración, sin llegar al menisco.

Para pesar los matraces se seca el cuello con un papel absorbente.

Pesar el picnómetro con agua, con una aproximación de 0.01 g, obteniendo Wbw.

Pesando los matraces en diferentes balanzas según su capacidad

Repita todos los pasos aproximadamente a la misma temperatura. Luego haga dos determinaciones adicionales una a la temperatura de laboratorio y otra a una temperatura aproximada de 5°C menor que la temperatura de laboratorio.

Dibujar los resultados de los pesos obtenidos en función de las respectivas temperaturas.

5.2. Procedimiento para determinar el peso especifico Se anotara en la plantilla toda la información requerida para identificar la

muestra.

Séquese el suelo al horno hasta obtener la condición de peso constante. El horno debe estar a una temperatura de 105 ±5 °C. Sáquese la muestra de la estufa y defese enfriar a la temperatura del laboratorio; protegiendo la muestra contra una ganancia de humedad.

Seleccione una muestra representativa de suelo, la cantidad requerida depende de la capacidad del picnómetro según la siguiente tabla:

Capacidad del picnómetro(cm3)

Cantidad requerida aproximada(g)

100 25 – 35250 55 – 65500 120 – 130

Pese la muestra con una balanza de precisión de 0.01g. Después de pesado, transfiera el suelo al picnómetro teniendo mucho

cuidado de no perder material durante la operación. Llene el picnómetro hasta la mitad de su contenido con agua destilada, sin

burbujas de aire y deje reposar la suspensión durante la noche. Extraiga el aire atrapado dentro de la suspensión del suelo con agua por

medio de rotaciones constantes y suaves al picnómetro. Complete con agua el picnómetro hasta la marca de calibración

removiendo el exceso que pudiese existir con un papel absorbente.

Pese la suspensión de suelo con agua y anote todos los datos en la plantilla.

6. CÁLCULOS Y RESULTADOSLos siguientes datos se obtienen de manera directa luego de las pesadasPeso del picnómetro + agua +solidos a temperatura de ensayoPeso del suelo seco

La fórmula para calcular el peso específico de los sólidos es la siguiente:

Gs=kW s

W bw+W s−W bws

Dónde: k = Factor de corrección basado en el peso específico del agua a 20°CW s = Peso del suelo seco (g)W bw = Peso del picnómetro más agua a la temperatura ensayo (g)W bws = Peso del picnómetro + agua +suelo (g)

Como solo se realiza el ensayo con un picnómetro obtenemos los siguientes datos:

Prueba Nº 1Tamaño máximo de la muestra 130gMétodo de remoción de aire ReposoPeso de frasco + agua=Wbw (A) 680.4

Volumen del frasco a 20 Cº 500mlTemperatura 19Peso frasco + agua + suelo seco=Wbws (B) 755.6

Recipiente evaporador Nº 1Peso suelo seco: Ws (C) 120

Gs=W s

W bw+W s−W bws

= EA+E−B

2.679

k 1.0002Gs(corregido) 2.679

El valor de K se obtiene de la tabla de peso específico del agua y factor de corrección (K) del libro de Mecánica de Suelos de Juárez Badillo-Rico Rodríguez. De acuerdo a las temperatura tomadas en el laboratorio.

Para T=19 °C: γ=0.9984 g /cm3⇒k=1.0002

Entonces finalmente decimos que el peso específico Gs de los solidos del suelo es:

Gs=2 .679

7. CONCLUSIONES El resultado que se obtuvo es de Gs=2.679, es arena limosa.

Los resultados obtenidos de Gs es un tanto grande, esto es aceptable ya que la mayoría de las partículas son muy finas.

El peso del frasco lleno de agua hasta el enrase es función de la temperatura de prueba; ellos es debido al cambio de volumen del matraz por la dilatación del vidrio y a la variación del peso específico del agua. El peso específico del agua disminuye a medida que la temperatura aumenta.

Según Juárez Badillo-Rico Rodríguez, la presencia de aire disuelto en el agua destilada usada en la calibración del matraz no afecta los resultados de la prueba; de hecho, las moléculas del aire entran en la estructura molecular del solvente sin aumento de volumen de este. El peso total de la solución es la suma de los pesos de sus constituyentes; el peso del aire es nulo y su presencia, cuando está disuelto, no cambia ni el peso ni el volumen del conjunto. El aire atrapado en la muestra sí ha de ser removido.

Es frecuente, sobre todo en equipo ya muy usado, que existan fallas de calibración permanentes, por esto debe usarse la misma balanza en toda una prueba.

Otro error muy común proviene de que el menisco no resulte perfectamente a nivel de la marca de enrase; es de notar que una sola gota de agua puede dar un error en el peso de 0.05 g; el error se atenúa grandemente usando el valor promedio de varias lecturas efectuadas a la misma temperatura.

Al momento de pesar el picnometro con agua, se tuvo que quitar el material flotante (orgánico), ya que según la Mecánico de suelos no es preciso considerarlos en la medición de pesos y volúmenes relativos de las tres fases principales; su influencias se toma en cuenta en atapas posteriores del estudio de ciertas propiedades de los suelos.

8. OBSERVACIONES Se observó que al entrar en contacto el agua con el suelo se produce una

especie de burbujeo, esto es debido a la menor densidad del aire en comparación del suelo.

Las partículas de la sustancia orgánica emergen al entrar en contacto con el agua.

Cuando se deja reposar la suspensión de un día para otro, el nivel del agua sufrió un ligero descenso, esto debido al escape de la mayoría de moléculas de aire.

También, después de un día de reposar la suspensión, la muestra toma un tono de color diferente al primer día; es decir un tono bien claro en la parte superior y un tono colorido en la parte inferior.

9. RECOMENDACIONES Se debe realizar una revisión previa de los equipos e instrumentos antes de

realizar los ensayos.

Tratar siempre de usar los mismos equipos e instrumentos durante toda la práctica.

Tomar en cuenta la temperatura en la calibración del picnómetro, esto influye mucho en al volumen del picnómetro y también en el peso específico del agua.

Secar el cuello del picnómetro, encima de la marca de calibración o enrase. De preferencia hacerlo con un pedazo de tela absorbente, ya que el papel podría desprenderse un poco y dejarlo adherido en el cuello del matraz.

Dejar reposar la suspensión de un día para otro para asegurarnos que se le libere el aire atrapado en la suspensión.

BIBLIOGRAFÍA

Mecánica de Suelos Juárez Badillo – Rico Rodríguez Tomo IGuías y copias de Laboratorio