1 ANLISIS DEL PESO ESPECFICO Y POROSIDAD DE MATERIALES POROSOS MEDIANTE PICNOMETRA DE HELIO Cristina de Santiago Buey (*) y Manuel Raya Garca(*) (*) Laboratorio de Geotecnia del CEDEX1. RESUMEN La picnometra de gases es un mtodo basado en el desplazamiento de volmenes para medir con gran precisin el volumen del esqueleto slido de cualquier tipo de material. El objetivo de esteartculoesdaraconocerelmtododelapicnometradegas,sufundamentofsicoy funcionamiento,suaplicacinenladeterminacindepesosespecficosodensidades,as como la posibilidad de calcular diferentes tipos de porosidades a partir de los datos resultantes deste.Amododeejemplo,sepresentanlosresultadosdeunestudiorealizadosobrela variacin del peso especfico de un material de elevada porosidad como son los agregados de arcilla expandida, en funcin del tamao de partcula al que se reduce durante la preparacin de muestras. 2. ABSTRACT Gaspycnometryisatechniquethatusesthegasdisplacementmethodtoprovidehigh-precisionvolumemeasurementsanddensitycalculationsonawidevarietyofmaterials.Inert gases such as Helium are used as the displacement medium. Helium is an one-atomic inert gas withaverysmallparticlediameterandthereforeitissuitablebecauseitsmoleculescan penetrate more efectively into the structures, rapidly filling the tiniest pores of the sample. In this studyspecificgravityvaluesoflightweightexpandedclayaggregates(LECA)wereobtained followingtheprocedureASTMD5550-94.Theseaggregatescontainthousandsofsmall,air-filledmicroporesgeneratedduringtheircalcinationandexpansion.Theaimofthisstudyisto analyse how isolated closed pores can have an influence in the resulting specific gravity value. Resultsshowthat,atthepycnometer,sampleswithacertainpercentageofisolatedpores presentlowervaluesthanthetruespecificgravity.Thedifferencebetweentherealandthe obtainedvaluesallowstocalculatetheopenandsealedporositypercentages(being thelater one undetectable by water or mercury inmersion). 3. INTRODUCCIN Enlosltimosaossehavenidodesarrollandoconcrecienteintensidadelusodela picnometradegascomotcnicadedeterminacindelpesoespecficodetodotipode materialescomorocas,suelos,cementos,hormigones,aceros,polmeros,materiales refractarios, etc. Los picnmetros de gas, al igual que el picnmetro de agua, se basan en el desplazamiento de volmenes, es decir, lo que realmente realizan estos aparatos es una medicin muy precisa del volumen real de un slido, basada en el principio de Arqumedes. El picnmetro, tanto de agua comodegas,esunrecipientedevolumenestablequesellenaconunfluidodedensidad conocida. Cuando posteriormente se introduce la muestra cuya densidad o peso especfico se 2 quiereconocer,stadesplazaunciertovolumendefluido.Elvolumendefluidodesplazado, generalmentedeterminadoporladiferenciadepesodelconjunto,equivalealvolumendela muestraobjetodeestudio.Conocidalamasaoelpesodelamuestra,esposiblecalcularsu densidad o su peso especfico respectivamente. Lacaractersticaespecficadelpicnmetrodegasesquefuncionacongasesideales potencialmente no reactivos con la superficie de las partculas slidas. Por ello, esta tcnica es independientedequelamorfologadelamuestraseamsomenosregularoirregularose encuentreenbloqueoenpolvo.Si,ademsdemedirelvolumenconlamayorprecisin posible se conoce su peso tambin con gran exactitud, es posible calcular su densidad real. 4. DENSIDAD, PESO ESPECFICO Y POROSIDAD DE LOS SLIDOS Antes de analizar el fundamento fsico de los picnmetros, es conveniente distinguir entre dos conceptos muy similares relacionados con el grado de compacidad de los materiales: densidad y peso especfico. La densidad y el peso especfico son magnitudes distintas, pero entre ellas existe una ntima relacin. gVg MVP = = = (1) Donde es el peso especificoP es el peso de la sustancia M es la masa de la sustancia V es el volumen que ocupa la sustancia es la densidad de la sustanciag es la aceleracin de la gravedad: 9,81 m/s2 4.1.Densidad Ladensidadesunadelaspropiedadesmscaractersticasdelosmateriales.Seobtiene dividiendosumasaentreelvolumenqueocupa.LlamandoMalamasa,yValvolumen,la densidad () vale: VM= Unidades:AunqueenelSistemaInternacionallaunidaddedensidadeselkg/m3,esmuy frecuente expresar la densidad en g/cm3, del sistema cegesimal. 4.2.Peso especfico Elpesoespecficoeselpesodeunaunidaddevolumen.Representalafuerzaconquela Tierra atrae a un volumen unidad de la misma sustancia considerada. Llamando P al peso y V al volumen, el peso especfico () vale: VP= Unidades:ElpesoespecficotieneunidadesdeFuerza/Volumen.As,segnelSistema Internacional la unidad de peso especfico es el N/m3. Sin embargo se usan muy habitualmente otrasunidadescomoelkp/m3yelkp/dm3oinclusoladina/cm3,quecorrespondealsistema 3 cegesimal.BajolagravedaddelaTierraelkilopondioequivale,desdeelpuntodevista numrico,alkilogramo.Porestarazn,elpesoespecficodeunslidoexpresadoenkp/m3 tiene el mismo valor numrico que su densidad expresada en kg/m.

Peso especfico relativo de un slido (S): Es la relacin entre el peso al aire de un determinado volumendeslidoyelpesoalairedeunvolumenequivalentedeaguadestiladaauna temperaturade4C1.Aldividirambospesosconlasmismasunidades,elpesoespecfico relativo es adimensional. De qu parmetros depende el peso especfico? Elpesoespecficodeunmaterialhomogneo,comopuedaserunapartculamineralpura, depende de dos factores: la clase de tomos de que est compuesta y la manera como estn empaquetados los tomos. As,entrelosmineralesconunamismaestructuraenloscualesesconstanteel empaquetamiento,loselementosconmayorpesoatmicopresentan,porlogeneral,mayor pesoespecfico.Enlasiguientetablaseofreceunejemplocondiferentesminerales isoestructurales del grupo de los carbonatos. Tabla 1: Variacin del peso especfico con el catin estructural (Klein & Hurlbut Jr., 1998) MineralComposicinPesoatmico del catin Peso especfico del mineral AragonitoCO3Ca40,082,95 EstroncianitaCO3Sr87,623,76 BaritinaCO3Ba137,344,29 CerusitaCO3Pb207,196,55 Porotrolado,lainfluenciadelempaquetamientodelostomossobreelpesoespecficose apreciaclaramenteenloscompuestospolimorfos,enlosquelacomposicinpermanece constanteperovaraelempaquetamientodelostomos.Valgacomoejemploelcasodel diamante, de empaquetamiento mas denso y compacto, y el grafito (Tabla 2): Tabla 2: Variacin del peso especfico con el tipo de empaquetamiento (Klein & Hurlbut Jr., 1998) Diamante3,5 Grafito2,2 El peso especfico de un material heterogneo, como pueda ser un suelo, depende nicamente delpesoespecficodelasdiferentesfasesmineralesquelocomponenydelaproporcin relativa en la que stas se encuentran. Dado que los minerales no metlicos ms abundantes en la corteza terrestre son el cuarzo (S = 2,65), el feldespato (S = 2,60-2,75) y la calcita (S= 2,72),losvaloresdepesoespecficoenlasmuestrasanalizadasengeotecniaseencuentran habitualmente en el rango de valores S = 2,60 2,75 (Klein and Hurlbut Jr, 1998). 1 El agua destilada a una temperatura de 4C tiene una densidad de 1,000 g/cm3. 4 4.3.Densidad real, aparente y total Desdeunpuntodevistafsico,losmaterialespuedenserconsideradossistemastrifsicos, constituidosporunafaseslida(laspartculasquedefinenlafbrica),unafaselquida (generalmenteagua,yaseagravitacionaloasociadaalaspartculasmedianteadsorcin)y una fase gaseosa (habitualmenteaireconvapordeagua). Tantola faselquidacomola fase gaseosaocupanhuecosenelinteriordelmaterial,queasuvezpuedenseraccesibleso inaccesibles (Figura 1). Huecos accesibles (ha), tambin llamados abiertos, son los que estn en comunicacin con el exterior. Huecosinaccesibles(hna),tambinllamadoscerrados,noestnencomunicacinconel exterior. Los huecos no accesibles actan disminuyendo la densidad aparente pero, al no estar conectados con el exterior, es imposible detectarlos mediante ninguna tcnica que implique la penetracindeunfluidoenelinteriordelosmismos,comoenlosensayosdeinmersinen agua o mercurio. Desde el punto de vista del comportamiento del material poroso,laporosidadcerradainfluyeeneldescensode su densidad aparente y en la posible disminucin de las propiedadesresistentes.Sinembargo,noesuna porosidadefectivaqueparticipeactivamenteenla conductividadhidrulicadelmaterial,yaquelosporos aisladosnoconstituyenunaposibletrayectoriaparala percolacin de fluidos. Figura 1: Fase slida, huecos accesibles y huecos inaccesibles en un slido poroso (Fuente: Mayor, 1977) Enunslidoporosocomoeldelafigura1sepuedendefinirdiferentesvolmenes: considerando exclusivamente la fase slida, el esqueleto formado por fase slida ms huecos noaccesiblesensuinterior,elconjuntodehuecosaccesiblesynoaccesibles,oelvolumen total de todas las fases existentes en el material. En funcin del volumen que se considere, la densidad o peso especfico resultantes sern muy diferentes.Todaslasdefinicionesqueseexpondrnacontinuacinpuedenserdescritasen trminos de densidades o pesos especficos, simplemente cambiando la masa de las frmulas por el peso. Sepuedendistinguirtresdensidades:Densidadaparente,densidadrealydensidaddel esqueleto (Figura 2). 5 a) Densidad aparente (ap) Siseconsideraelvolumentotaldelmaterial, incluyendoelvolumendelafaseslidaylos huecos, tanto accesibles como inaccesibles, la densidaddeterminadasedenominadensidad aparente. hna ha sapV V VMaparente VolumenMasa+ += = b) Densidad real () Siseconsideranicamenteelvolumendela faseslida,ladensidaddeterminadase denominadensidadreal.Enestecasose excluyeelvolumendehuecos,tanto accesibles como inaccesibles. sVMreal VolumenMasa= = c) Densidad del esqueleto (esq) En las tcnicas de estudio de la porosidad que implicanlapenetracindeunfluidoenel interiordelosporos,estapenetracintendr lugarexclusivamenteenlosporosaccesibles, dejando vacos los inaccesibles. Se determina deestaformaladensidaddelesqueleto, considerandoelvolumendelafasesliday los poros internos aislados. hna sesqV VMesqueleto VolumenMasa+= = Figura 2: Densidades de un slido poroso: a) Densidad aparente, b) Densidad real, c) Densidad del esqueleto (Fuente: Mayor, 1977) 4.4.Porosidad total, abierta y cerrada A partir de los datos de densidad aparente (ap), real () y del esqueleto (esq) de un material, o suscorrespondientespesosespecficosrelativos(ap,,esq),esposiblecalcularlaporosidad total, abierta y cerrada, as como las relaciones entre ellas: Laporosidadtotalsedeterminaapartirdelpesoespecficorealyelaparente,mediantela siguiente ecuacin: 6 aphna ha shna hathna hatotalV V VV VVV Vn=+ + +=+= (2) La porosidad abierta se deduce a partir del peso especfico del esqueleto y el aparente: esqap esqhna ha shathaabiertaV V VVVVn =+ += = (3) La porosidad cerrada se calcula matemticamente como la diferencia entre las dos anteriores: abierta total cerradan n n = (4) Por otro lado, se puede calcular la porosidad cerrada del esqueleto, relativa al conjunto de fase slida y huecos no accesibles que constituyen el esqueleto del material: esqhna shnaesqueletoV VVn=+= (5) Larelacinentreestaporosidadcerradadelesqueletoylaporosidadcerrada,referidaal volumen total de la muestra, es la siguiente: esqapesqueletohna ha shnathnacerradanV V VVVVn =+ += = (6) 5. PICNOMETRA DE HELIO VERSUS PICNOMETRA DE AGUA Las propiedades que determinan el comportamiento de los materiales en un picnmetro, tanto de agua como de gas, son su red porosa, superficie especfica y tamao de partcula, as como los fenmenos de interaccin que se producen entre la superficie de las mismas y el fluido del picnmetro. Por ello, la diferencia fundamental entre el picnmetro de agua y el picnmetro de gas radica en las propiedades fsico-qumicas de los dos fluidos utilizados: tamao molecular, energa de hidratacin y capacidad de adsorcin, fundamentalmente debidas a fuerzas de tipo dipolo o van der Waals. Eldimetromoleculardelaguaes0,276nm(Hersh,1961).Aunqueeltamaomoleculares muyligeramentesuperioraldelhelio,supolaridadesnotablementesuperior.Adems,la penetracin de las molculas de agua en el interior de los poros ms pequeos se complica y ralentizadebidoalafuerteinteraccinqueseproduceentrestasylasuperficiedelas partculas.Unapenetracinincompletaenlosporosdelamuestrapuedellevaaunvalormenorquesuvalorreal,quepuedeincrementarseconeltiempomediantesucesivas medicionesenlascualeselaguavapenetrandocadavezms.Eltiemponecesarioparala completa penetracin del agua en la muestra es mayor cuanto menor es el tamao de partcula 7 y mayor el tamao de la muestra analizada. En ocasiones resulta necesario recurrir a bombas de vaco que fuercen al agua a penetrar en los poros de la muestra. Finalmente,cabedestacarqueelusodelpicnmetrodeaguanoesrecomendableenlos casosenquelamuestradesuelocontienecualquiertipodemateriasolubleenaguao minerales susceptibles de incorporar molculas de agua en su estructura, modificndola, como es el caso de materiales expansivos. LostomosdeHeliosonesfricos,dedimetro0,20-0,23nm(Hersh,1961;Bondand Spencer,1958)ynopresentanfuerzasdevanderWaals,loquesetraduceenuna prcticamente nula capacidad de adsorcin en la superficie de los slidos (Franklin, 1949). En consecuencia,lostomosdeheliopuedenpenetrarenporosde tamaoinferioralos0,3 nm (Van Krevelan, 1961). Por ello, el helio es un gas apropiado para calcular el verdadero volumen del esqueleto slido de los suelos. 6. EL PICNMETRO DE GAS. TIPOS Comoyasehamencionado,lospicnmetrosdegas,aligualquelospicnmetrosdeagua, midenelvolumendelosslidosdeunaformamuyprecisa,basndoseeneldesplazamiento de volmenes descrito en el principio de Arqumedes. Fundamentalmente existen dos tipos de picnmetros de gas: -El primer modelo de picnmetro introduce un volumen conocido de gas en el interior de laclulaoceldaportamuestras.Elincrementodepresinesproporcionalalvolumen del material objeto de estudio. -El segundo tipo de picnmetro de gas mide la cada de presin producida cuando a un gas sometido a una presin conocida en el interior de una cmara junto con la muestra estudiada (cmara o clula portamuestras) se le permite fluir a otra cmara (cmara o cluladeexpansin),ambasdevolumenconocido.Estacadadelapresines proporcionalalvolumendelamuestraestudiada.Estemodelodepicnmetroser analizado ms en detalle posteriormente ya que a este tipo corresponde el picnmetro del Laboratorio de Geotecnia (Figura 3). Figura 3: Picnmetro de Helio del Laboratorio de Geotecnia 8 7. FUNCIONAMIENTO DE UN PICNMETRO DE GAS CON CMARA DE EXPANSIN En la figura 4 se muestra un esquema del interior de un picnmetro de gas donde se reconocen dos cmaras o clulas, la cmara portamuestras y la cmara de expansin, as como la vlvula que las comunica. Figura 4: Esquema del picnmetro de Helio Asumiendoquetantolaclulaportamuestras(Vcel)comolacluladeexpansin(Vexp)se encuentran a presin atmosfrica (Patm) y temperatura ambiente (Tatm), se cierra la vlvula que las conecta y se incrementa la presin de la clula portamuestras con la muestra en su interior (Vm)hastaunvalorP1(134kPaaproximadamente),permitiendoposteriormentequese equilibreelsistema.Entoncesseregistraycalculaelvolumendelamuestraapartirdela ecuacin de los gases ideales, ya que se conocen todas las variables de esta ecuacin: ( )atm cel m celRT n V V P = 1(7) De igual forma, para la clula de expansin: atm atmRT n V Pexp exp =(8) Donde Vcel es el volumen de la clula portamuestras Vexp es el volumen de la clula de expansin Vm es el volumen de la muestra R es la Constante de Avogadro: 0,082 atm L / Kmol nexp es el nmero de moles de Helio en la clula de expansin ncel es el nmero de moles de Helio en la clula portamuestras Tatm es la temperatura atmosfrica Patm es la presin atmosfrica Una vez equilibrado el sistema, se abre la vlvula que conecta ambas cmaras, igualndose la presin en ambas cmaras en un valor P2. La ecuacin que expresa este fenmeno es: atm atm cel m celRT n RT n V V V Pexp exp 2) ( + = + ( ) ( )exp 1 exp 2 V P V V P V V V Patm m cel m cel+ = + ( ) ( )exp 2 1 2 ) ( V P P V V P Patm m cel = 9 exp1 22VP PP PV Vatmm cel ((

= (9) Sumando y restando Patm en el denominador:

( )( )exp1 22exp1 22VP P P PP PVP P P PP PV Vatm atmatmatm atmatmm cel = + = (10) Dividiendo entre (Patm - P2) en numerador y denominador: ( ) ( )1) () (21expexp21 222= = atmatmatmatm atmatmatmm celP PP PVVP PP P P PP PP PV V(11) donde g atmg atmP P PP P P2 21 1= =

son las presiones manomtricas referidas a la presin atmosfrica. Entonces:121exp= ggm celPPVV V 121exp =ggcel mPPVV V Ecuacin fundamental del picnmetro de gas(12) 8. DESCRIPCIN DEL PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL El Helio es el gas idneo para realizar este ensayo ya que es un gas noble que no interacta conlaspartculasdelsueloyescapazdepenetrarenlosporos mspequeos.Este tipode picnmetrosrequiereutilizarHeliodecalidadcertificadadealmenos99,995%depureza.La botelladeHeliodebetenerunapresinmnimade13,8bar(1,38MPa)yunreguladorenel rango 1-1,6 bar (100 160 kPa). Las muestras que van a ser analizadas en el picnmetro deben ser representativas del total del material. En general, cuanto mayor es la cantidad analizada mayor es la representatividad de la muestraymsexactaeslamedidadelvolumen.Comocondicingeneral,deberllenarsela celda portamuestras en torno a un 80-90% para dar unos resultados de precisin aceptable. ExistennumerosasnormasrelacionadasconlaaplicacindelapicnometradeHelioenla determinacindelpesoespecficoodensidaddediferentesmateriales.Dadoelcarcter 10 geolgicodelasmuestrasestudiadasenelLaboratoriodeGeotecnia,sesigueel procedimientodescritoenlanormaASTMD5550-94:StandardTestMethodforSpecific Gravity of Soil Solids by Gas Pycnometer, as como en las recomendaciones especficas de la casa comercial del picnmetro utilizado. 8.1.Preparacin de muestras En la tabla 3 se enumera una serie de artculos y normas ASTM que utilizan el picnmetro de Helioparaladeterminacindelpesoespecficodediferentesmateriales.Comosepuede observar,eltamaodepartculaconelqueserecomiendatrabajarencadaunadeellases muyvariable.Enconcreto,lanormaseguidaenelLaboratoriodeGeotecnia,enlaquese describe el mtodo de picnometra de helio para el estudio de suelos (D 5550-94) no especifica el tamiz ni el tamao de partcula idneo para este ensayo. Sin embargo recomienda, en caso denoconocerlamuestra,analizarlaenestadoinalteradoypulverizadoycompararambos resultados, aceptando como vlido el mximo de los dos. Tabla3:Especificacionessobreeltamaodepartculaenladeterminacindelpesoespecfico mediante picnmetro de Helio. AntecedentesTipo de muestraTamiz ASTMTamao Morris y Williams (1996) Residuos de carbnnm. 40< 0.42 mm ASTM C 604-98Materiales refractariosnm. 325< 45 m ASTM D 4892-89Brea slidanm. 30< 600 m ASTM D 2638-91Coque calcinado de petrleonm. 200< 75 m ASTM D 5550-94Partculas de suelosin especificarsin especificar Es necesario secar la muestra en un horno o estufa a 110 5C hasta pesada constante para eliminarelaguahigroscpica.Estahumedadproduceunadisminucinrelativadelvalordel pesoespecficoobtenidoenelensayo,yaqueelHelionopenetraenlosporosquese encuentranocupadosporagua.Dadoquelatcnicademedicindevolumenespor desplazamiento de gases, el aparato mide un volumen de muestra mayor que el real, es decir, un peso especfico menor del real. Debe tenerse especial precaucin con los minerales sensibles a la temperatura, como algunos sulfatosomineralesarcillosos,yaqueelcalentamientopuedealterarsuestructura.stosse puedensecaraunatemperaturamenor,perodebeestudiarseelefectodelamismaenla presencia de agua higroscpica en la muestra. Acontinuacinsedebeenfriarlamuestraenundesecador.Eltiempoquelamuestra permanece en el desecador debe ser el mnimo posible, sobretodo si sta es higroscpica. La muestranuncadebeestarmscalientequelatemperaturaambienteduranteunanlisis,ya que la temperatura afecta fuertemente a los resultados. Por otro lado, la muestra nunca debe estar expuesta al aire, incluso en el interior del desecador, ms tiempo del imprescindible para conseguir el equilibrio trmico, por el peligro potencial de determinados minerales de absorber humedad ambiental, lo que provocara cambios en la masa y el volumen. 11 8.2.Determinacin del peso especfico Inmediatamenteantesdelanlisisdebepesarselamuestra,registrandosumasa(MS)en gramos e introducirla en la celda portamuestras del picnmetro. Para ello es necesario contar con una balanza analtica de 200 g de rango y 0,0001 g de precisin. Unavezintroducidaenlaceldaportamuestrasyantesdemedirsuvolumen,esnecesario eliminarlosgasesqueseencuentrenenelinteriordelosporosdelamuestra.Paraello, existendosformasdelimpiarlacluladegasesreactivos:mediantebombadevacoo mediante purgado con un gas inerte. Las determinaciones deben repetirse al menos tres veces, siendo necesario hacerlo ms veces silosvaloresdesdifierenmsde0,03.Sinembargoelnmerodedeterminacionesquese puedenrealizarsucesivamentesinparadavienelimitadaporlageneracindecalorenel transductor de presiones, ya que ello viola la premisa de que la temperatura es constante en la clula portamuestras y provoca una deriva del valor medido de S. El peso especfico relativo del suelo (S) se determina mediante la ecuacin: WSSSVM = (13) donde: MS: Masa de suelo medida antes de introducirlo en el picnmetro (gramos) VS: Volumen de muestra (cm3) W: Densidad del agua destilada a 4C (1 g/cm3) El peso especfico de los granos de suelo se expresa normalmente con dos decimales (al 0,01 mscercano),perolospicnmetrosmsprecisos,juntoconunabalanzaapropiada,pueden facilitar datos que permitan redondearse al 0,005 ms cercano o incluso mejor. Una vez el anlisis ha terminado, se recomienda medir de nuevo el peso de la muestra (MS2). Lacomparacindelosdosvaloresdepesos,inicialyfinal,sirveparacomprobarelbuen funcionamientodelpicnmetro.Silasdosmedidassediferencianenunvalormayorquela precisin de la balanza, ser necesario analizar el origen de tal diferencia y repetir el anlisis. Una ganancia de masa puede indicar que la muestra adsorbe agua, es decir, es higroscpica. Ello provoca una disminucin del peso especfico. Por el contrario una prdida de masa puede indicar que parte de la muestra se ha perdido durante el anlisis (puede ser arrastrada por el flujodegas),porunmalfuncionamientodelpicnmetro.Encualquiercaso,sedebeusar siempre el valor ms bajo de peso para el clculo de la densidad. 9. PROCEDIMIENTOS DE CALIBRACIN Lacalibracindecadatipodepicnmetroesdiferente.Debenseguirseentodomomentolas indicacionesdelfabricante.Decualquiermodo,todoslospicnmetrostienendos comprobaciones de la calibracin en comn: -La primera requiere comprobar el volumen de la celda portamuestras vaca. El volumen determinado debe encontrarse dentro del rango dado por el fabricante. 12 -Adems,cadapicnmetrodebesersuministradoconunvolumenestndarde calibracin,devolumenconocidoycertificadotoleranciadelfabricante,quepuede introducirseenlaceldaportamuestrasyanalizarse.Elvolumenmedidodebe encontrarse dentro del rango facilitado. Es recomendable comprobar el cero del picnmetro y realizar una calibracin cada da que se vayanarealizarmediciones.Deestaformaseaseguraunamayorprecisinenlosvalores obtenidos. Si cualquier calibracin cae fuera del rango de tolerancia facilitad por el fabricante, ser necesario buscar y solucionar el problema antes de continuar analizando muestras. Adicionalmente,convienerealizarconunaperiodicidadmensual(aproximadamente,yen funcindelafrecuenciadeuso),unarevisindelpicnmetrounpocomselaborada.sta consiste en introducir el volumen de calibracin y realizar 99 medidas sucesivas del mismo. A continuacin es necesario hacer un anlisis de las medidas, estudiando los valores obtenidos. Para considerar correcto el funcionamiento del picnmetro debe cumplirse que de 99 medidas consecutivasdelvolumendecalibracin,elvolumenmedioobtenidodebeserelvolumen estndar utilizado con una cierta desviacin permitida. 10. EL INFORME Un informe completo de picnometra de Helio debera incluir: -Identificacin de la muestra, incluyendo nombre del proyecto, sondeo, profundidad, etc. -Fecha del anlisis y nombre del operario que lo realiz. -Tipo de muestra: Inalterada o pulverizada -Preparacin de la muestra: slido o polvo, tamizado (tamao de tamiz) -Temperatura a la que se sec la muestra y tiempo de secado. -Masa de muestra inicial (MS) y final (MS2) en g (Ganancia o prdida de peso) -Volumen de la muestra medido por el picnmetro (cm3) -Peso especfico redondeado a 0,01 LasexigenciasderepetibilidadyreproducibilidaddeestemtodosegnlanormaASTMD-5550-94 son: Repetibilidad:Noseconsiderarnvaloresrepetidosporelmismooperadorquedifieranen ms de 0,02. Reproducibilidad:Noseconsiderarnlosvaloresinformadospordoslaboratorios(lamedia aritmtica de los valores repetidos) que difieran ms de 0,03. 11. UN CASO PRCTICO DE APLICACIN DEL PICNMETRO DE HELIO EN LA DETERMINACIN DEL PESO ESPECFICO Y POROSIDADES DE UN MATERIAL POROSO Unodelosparmetrosquepuedeafectarenmayormedidaalvalordelpesoespecficoreal resultanteeseltamaodepartculadelslidoestudiado.Lainfluenciadeesteparmetroes debidaalaposiblepresenciadeporosnoaccesiblesenelinteriordelesqueletoslidodela muestra.Sielmaterialnocontieneporosaislados,elpesoespecficoobtenidoes independiente del tamao de partcula, como pueda ser el caso de una arena (Figura 4). 13 Siporelcontrarioelmaterialcontieneunciertoporcentajedeporosaislados,elpeso especfico depender principalmente del tamao de partcula, incrementndose al machacar y tamizar sucesivamente por tamices de menor tamao. En este caso, la porosidad calculada a partirdelospesosespecficosrelativosdeterminadosmediantelapicnometradeHelio (porosidadabierta)serinferioralaporosidadtotal,siendolaporosidadcerradaladiferencia existente entre ambas. sta se detectar y cuantificar fcilmente a partir del valor de los pesos especficos real, aparente y del esqueleto, segn las frmulas descritas anteriormente. En tales casos,amedidaquesemachacamslamuestraypasaportamicesdetamaos sucesivamentemenores,laporosidadcerradavadisminuyendohastaanularse,siendo finalmente la porosidad detectada (abierta) equivalente a la porosidad total. Parademostrareste fenmenosehaestudiado lavariacindelpesoespecficoresultanteen funcindeltamaodepartculaenunslidoextremadamenteporoso,comoeslaarcilla expandida.Laarcillaexpandidaesunmaterialaislantedeorigencermico,conestructura altamenteporosa,derivadadesuexpansinaaltastemperaturas.Suelevadaresistencia intrnsecalahaceaptaparasuutilizacintantoenmorterosaislantesultraligeroscomoen hormigones ligeros de altas prestaciones. Sepresentaenformadeagregadosdemorfologa redondeada,amododepellas,dedimetrovariable dentrodelrango10-30mm(Figura5),depeso especficoaparenterelativo(ap)=0.55,medido medianteelmtododeinmersinenmercurioy consideradoconstanteentodaslasmuestras analizadas en el estudio. Figura 5: Agregados de arcilla expandida Estosagregadosfueronfracturadosalamitadyposteriormentemachacadosytamizadosen tamaossucesivamentemenores,hastauntamaoinferiora0,080mm.Enlafigura6se observalavariacindelpesoespecficodeestematerialenfuncindeltamaoalquese redujo durante la preparacin de muestras. Se aade al grfico, con el fin de comparar, el peso especficodeunaarenamachacadaytamizadaporlosmismostamices.Comosepuede observar,laarenamuestraunvalorconstanteyestable,independientementedeltamaode muestra.Sededucedeestecomportamientoquelaarenanocontieneporosaisladosenel interior de su esqueleto. 14 Figura 6: Peso especfico de una arena y una arcilla expandida en funcin del tamao de grano Pararealizarlosclculosdeporosidadesnecesariodefinirelpesoespecficoreal.Eneste trabajo se ha considerado que por debajo de 80 m no existen poros aislados en el interior del esqueleto del material. Por esta razn, se considera a efectos prcticos que el peso especfico delesqueletoobtenido enlamuestramachacadaytamizadaporel tamizUNEde0,080 mm, es el peso especfico REAL, y se considerar constante para todas las muestras analizadas. Con la premisa de estas dos constantes: peso especfico aparente (ap = 0,55) y real ( = 2,64), se resumen en la tabla 4 los valores de peso especfico del esqueleto (esq) obtenido para cada tamao de partcula analizado. A partir de estos valores, y siguiendo las frmulas anteriormente expuestas, se calculan las porosidades total (nt), abierta (na), cerrada (nc) y del esqueleto (nesq) correspondientes a cada tamao. Tabla4:PesosespecficosrelativosdeterminadosmediantepicnometradeHelioyporosidades calculadas a partir de stos. DATOSAgregadoMitad agregado < 5 mm< 2 mm< 0,63 mm< 0,08 mm Peso especfico real2,64 Peso especfico aparenteap 0,55 Peso especfico del esqueletoesq 2,102,172,262,322,442,64 CLCULOS Porosidad total (%)nt 79,279,279,279,279,279,2 Porosidad abierta (%)na 73,874,775,776,377,579,2 Porosidad cerrada (%)nc 5,44,53,52,91,70 Porosidad del esqueleto (%)nesq 20,517,814,412,17,60 Comosepuedeobservarenlatabla,dadoquelospesosespecficosrealyaparenteson consideradosconstantes,tambinloeslaporosidadtotaldetodaslasmuestrasanalizadas, variandonicamenteelporcentajedeporosidadabiertaycerrada.Representandoesta variacin en funcin del tamao de partcula se obtiene la siguiente figura (Figura 7). 15 Figura 7: Variacin de la relacin entre la porosidad abierta y la porosidad cerrada en funcin del tamao de grano 12. CONCLUSIONES -Lapicnometradegassefundamentaenlosmismosprincipiosfsicosde desplazamiento de fluidos que el tradicional picnmetro de agua para la medida de precisindevolmenes.Estatcnicaofrececomovaloraadidolaspropiedades fsico-qumicasdelHelioque,comogasnoble,nointeraccionaconlosslidos estudiados, permitiendo analizar materiales problemticos por su reactividad con el agua y resultando una medida ms precisa y fiable. -La preparacin de muestras es un paso fundamental, que influye en gran medida en losresultadosobtenidos.Dentrodelosparmetrosdeterminantesseencuentrael tamao de partcula al que se reduce al material mediante machaqueo y tamizado. Losresultadosobtenidosparecendemostrarquesielmaterialpresentaporos aisladosyeltamaodepartculanoeslosuficientementepequeo,elpeso especfico resultante (del esqueleto) ser inferior al real. La diferencia entre el peso especficorealyelpesoespecficodelesqueletoofreceunainformacinmuy valiosa sobre la porosidad cerrada inaccesible al Helio. -Estos resultados abren dos posibles reflexiones: en primer lugar, desde el punto de vistadelametodologadepreparacindemuestras,esfundamentalmachacary tamizarlasmuestrasentamaossuficientementepequeoscomoparaasegurar que no quedan poros cerrados en su interior que falseen los resultados. En segundo lugar,laposibilidaddecalcularlaporosidadcerradaenlosslidosmediante 16 picnometraabreunamplioabanicodeposibilidadesdeestudiodelaporosidad, mediantelaaplicacindeestatcnicaaisladaoenconjuncinconotrastcnicas como la absorcin de agua, la microscopa o la porosimetra de mercurio.

13. BIBLIOGRAFA ASTMC-60498:StandardTestMethodforTrueSpecificGravityofRefractoryMaterialsby Gas-Comparison Pycnometer. ASTM D-596596: Standard Test Methods for Specific Gravity of Coating Powders. ASTM D-555094: Standard Test Method for Specific Gravity of Soil Solids by Gas Pycnometer ASTMD-2638-91:StandardTestMethodforRealDensityofCalcinedPetroleumCokeby Helium Pycnometer ASTMD-4892-89:StandardTestMethodforDensityofSolidPitch(HeliumPycnometer Method). Bond, R.L. and Spencer, D.H.T., 1958. The ultrafine capillary structure of coals and carbonized coals. Industrial Carbon and Graphite, papers read at the conference of the Society of Industrial Chemistry, London, 24-26 Sept 1957, 29-40. Franklin, R.E., 1949. A study of the fine structure of carbonaceous solids by measurements of true and apparent densities. Transactions of the Faraday Society Vol. 45, 274-286. Hersh, C.K., 1961. Molecular sieves.Reinhold, New York Klein, C and Hurlbut Jr., C.S., 1998. Manual de mineraloga. Ed. Revert. 4 Edicin. MayorGonzlez,G.1997.Teorayproblemasdematerialesdeconstruccin.Seriede compendios Schaum, Ed. McGraw-Hill, Cap. 1: Rocas, 1-19 Morris,P.H.andWilliams,D.J.1996.Comparisonofgasandwaterpycnometryofcoalmine wastes. Geotechnical Testing Journal Vol. 19 (1), 95-97 Van Krevelan, D.W. (1961): Coal Elsevier, Amsterdam.