Universidad de Oriente Núcleo Bolívar Escuela de Ciencias de la Tierra Departamento de Geotecnia Ensayos de Materiales Grupo # 1


ASPECTO TEORICO

Densidad En el suelo, como en cualquier otro cuerpo físico, la densidad se define como la masa por unidad de volumen. Ahora bien, dado su carácter poroso, conviene distinguir entre la densidad de sus componentes sólidos y la del conjunto del suelo, incluyendo los huecos, por ello nos referiremos a dos tipos de densidad.

Densidad in situ El poder conocer la densidad que posee un suelo en terreno o en su estado natural, ha sido un gran reto para los investigadores de mecánica de suelos y científicos del área en general. Se realiza esta determinación para comprobar el grado de compactación en rellenos compactados

artificialmente. Es muy útil en el caso de suelos sin cohesión (gravas y arenas), los cuales, por lo general no permiten obtener muestras inalteradas, y por

medio de la densidad in situ se puede reproducir el suelo natural en la densidad natural a partir de una muestra alterada. Un suelo natural o compactado requiere la determinación de la densidad in situ. En la mayoría de los proyectos, esta verificación se logra bien por el cono de arena o por el método del balón de densidad. En otros casos, se utilizan equipos nucleares. Seobtiene el peso del suelo húmedo retirado de una pequeña excavación de forma cilíndrica hecho sobre una superficie horizontal de suelo. Interesa determinar el volumen de dicho hueco para calcular la densidad húmeda del suelo a través de


Hum

WT Vh

Donde

WT: Peso del suelo húmedo. Vh: Volumen del hoyo. Y si se obtiene el contenido de humedad w del material excavado, el peso unitario seco del material es:

Hum sec a

1 w

Densidad Relativa La densidad relativa es una propiedad índice de los suelos y se emplea normalmente en gravas y arenas, es decir, en suelos que contienen casi exclusivamente partículas mayores a 0.074 mm (malla #200). La densidad relativa es una manera de indicar el grado de compacidad (compactación) de un suelo y se puede emplear tanto para suelos en estado natural como para rellenos compactados artificialmente. El uso de la densidad relativa es importante en mecánica de suelos debido a la correlación directa que ella tiene con otros parámetros como por ejemplo: el ensayo Proctor, el ensayo C.B.R. y oros relacionados con la capacidad de soporte de un suelo. Conceptualmente la densidad relativa indica el estado de compacidad de cualquier tipo de suelo. La densidad relativa se obtiene de la determinación de otros parámetros como lo son: Densidad Mínima, Densidad Máxima y la


Densidaden Sitio, de estos, los dos primeros se realizan enlaboratorio y el último se debe realizar en terreno. El ensaye es aplicable a suelos que contengan hasta un 12% de partículas finas y un tamaño máximo nominal de 80 mm.

Densidad Real Se designa de esta forma a la densidad de la fase sólida. Es un valor muy permanente pues la mayor parte de los minerales arcillosos presentan una densidad que está alrededor de 2.65 gramos por centímetro cúbico. Muy semejante es la de los minerales más abundantes en las arenas, como cuarzo, feldespatos, etc Los carbonatos presentan una densidad algo menor así como la materia orgánica, que puede llegar a valores de 0.1; por lo que en horizontes muy orgánicos o carbonatados habría que reconsiderar el valor anterior, fundamentalmente en los primeros en los que puede calcularse aplicando los valores citados a los contenidos relativos de fracción mineral y orgánica.

Densidad Aparente Refleja la masa de una unidad de volumen de suelo seco y no perturbado, para que incluya tanto a la fase sólida como a la gaseosa englobada en ella. Para establecerla debemos tomar un volumen suficiente para que la heterogeneidad del suelo quede suficientemente representada y su efecto atenuado. Es muy variable según el suelo, incluso en cada uno de los horizontes porque depende del volumen de los poros. Si el suelo es compacto, la densidad sube. Su valor en los horizontes A suele estar comprendido entre 1 y1.25, mientras que en los horizonte B puede alcanzar hasta 1.5 o más alto. Su valor nos permite establecer equivalencias entre las relaciones masa/masa, que son la forma habitual de medir los parámetros del suelo, y


las masa/superficie que son las utilizadas en la aplicación de aditivos al mismo para corregir sus deficiencias. Si queremos adicionar un determinado porcentaje de un elemento establecido, hemos de conocer la masa de suelo que corresponde a una superficie definida para un espesor concreto. Usualmente se utiliza como unidad de superficie la hectárea y como profundidad la correspondiente a la capa arable que se establece como promedio en 30 cm.De este modo, la masa de una hectárea podemos calcularla multiplicando la densidad aparente por su volumen, que vendría expresado por el producto del espesor deseado en metros multiplicado por 10.000 que es su superficie en metros cuadrados. En este caso la densidad debería expresarse en Mg/m³ y el resultado final quedaría en Mg/ha. Una vez conocido ese valor ya es posible aplicar cualquier relación masa/masa obtenida en la determinación del parámetro a corregir, sin más que adecuar convenientemente las unidades.

Tabla de densidades

Suelo Arenoso Suelo Arcilloso

1.20 a 1.80 gr/cm3 1.00 a 1.60 gr/cm3

Según Archer y Smith (1972)

Suelo de textura arena fina Suelo franco arenoso Suelo franco limoso Suelofranco arcilloso

1.75 gr/cm3 1.50 gr/cm3 1.40 gr/cm3 1.20 gr/cm3


Humedad de un suelo
Se denomina humedad del suelo a la cantidad de agua por volumen de tierra que hay en un terreno. Su medición exacta se realiza gravimétricamente, pesando una muestra de tierra antes y después del secado. Su medición in vivo plantea más dificultades, siendo el TDR y la sonda de neutrones los sensores con mejores respuestas. Su medición puede realizarse teóricamente a través de formulas o en laboratorio. Siendo la segunda mas engorrosa por necesitar entre 8 y 12 horas para el secado de la muestra en el horno. La humedad es necesaria en cada ensayo que se le realice al suelo porque ella jugara un papel importante en la consolidación de las partículas del suelo

MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS

Ensayo Ns 1.- Método del Cono de Arena Cono Metálico compuesto por una válvula cilíndrica. Frasco grande de vidrio con arena. Cuchara y espátula pequeña. Parafina Horno eléctrico Dos Balanzas, con apreciación de 1 gr Placa de base, de 6 pulgadas de diámetro 1 regla de 30 cm. Recipientes de humedad o taras Envase (lata) para colocar el suelo removido del hueco.

Ensayo Ns 2 Método del Aceite. Cilindro Graduado de 1000 ml. Aceite quemado 1 placa de base de 4 pulgadas de diámetro. 1 espátula pequeña y cuchara.


1 regla de 30 cm. Recipientes de humedad o taras Dos balanzas, con apreciaciónde 1 gr. Envase (lata) para colocar el suelo removido del hueco. Horno eléctrico

Ensayo Ns 3 Método del Cilindro. Cilindro Metálico (hueco) Vernier Martillo Espátula Horno eléctrico Recipientes de humedad o taras Dos balanzas, con apreciación de 1 gr Placas de área mayor al cilindro metálico.

Ensayo Ns 4 Método de la Parafina. Espátula y cuchillo Balanza con apreciación de 1 gr Cilindro graduado de capacidad 1000 ml Parafina Hilo Muestra de suelo

DETERMINACION DE LA DENSIDAD DEL SUELO EN TERRENO


Este ensayo permite obtener la densidad de terreno y así verificar los resultados obtenidos en faenas de compactación de suelos, en las que existen especificaciones en cuanto a la humedad y la densidad. Entre los métodos utilizados, se encuentran:  El Método Del Cono De Arena El método del cono de arena, se aplica en general a partir de la superficie del material compactado, este método se centra en la determinación del volumen de una pequeña excavación de forma cilíndrica de donde se ha retirado todo el suelo compactado (sin pérdidas de material) ya que el peso del material retirado dividido por el volumen del hueco cilíndrico nos permite determinar la densidad húmeda. Determinaciones de la humedad de esa muestra nos permiten obtener la densidad seca. El método del cono de arena utiliza una arena uniforme normalizada y de granos redondeados para llenar el huecoexcavado en terreno. Previamente en el laboratorio, se ha determinado para esta arena la densidad que ella tiene para las mismas condiciones de caída que este material va a tener en terreno. Para ello se utiliza un cono metálico.  Método Con Densímetro Nuclear La determinación de la densidad total ó densidad húmeda a través de este método, está basada en la interacción de los rayos gamma provenientes de una fuente radiactiva y los electrones de las órbitas exteriores de los átomos del suelo, la cual es captada por un detector gamma situado a corta distancia de la fuente emisora, sobre, dentro o adyacente al material a medir.

Como el número de electrones presente por unidad de volumen de suelo es proporcional a la densidad de éste, es posible correlacionar el número relativo de rayos gamma dispersos con el número de rayos


detectados por unidad de tiempo, el cual es inversamente proporcional a la densidad húmeda del material. La lectura de la intensidad de la radiación, es convertida a medida de densidad húmeda por medio de una curva de calibración apropiada del equipo. Método Del Balón De Caucho A través de este método, se obtiene directamente el volumen del agujero dejado por el suelo que se ha extraído. Por medio de un cilindro graduado, se lee el volumen de agua bombeado que llena la cavidad protegida con el balón de caucho que impide la absorción del agua enel terreno. Como ventaja, este método resulta ser más directo y rápido que el cono de arena, pero entre sus desventajas se encuentran la posibilidad de ruptura del balón o la imprecisión en adaptarse a las paredes del agujero, producto de cavidades irregulares o proyecciones agudas lo que lo hacen poco utilizado. Método Del Densímetro De Membrana Aplicable a suelos donde predomina la grava media y gruesa. Una vez nivelada la superficie, se coloca un anillo metálico de diámetro aproximado de 2 mt. y se procede a excavar el material que encierra el anillo en una profundidad aproximada de 30 cm. Una vez removido el material, se coloca una membrana plástica que se adapta perfectamente al interior del anillo y al fondo de la grava. Esta membrana se llena con agua, registrando el volumen que llena la cavidad y que corresponderá al volumen de material extraído. Método Del Cono Gigante


Aplicable a suelos donde predominan las partículas mayores a 50 mm.o en suelos como gravas uniformes, en donde la utilización de la arena no resulta conveniente puesto que esta ocuparía los vacíos que originalmente poseen las gravas. En reemplazo de arena, es común utilizar gravilla o bolitas de vidrio. Método mediante bloques. Se utiliza para determinar la densidad de suelos cohesivos en estado natural, en suelos compactados y suelos estabilizados, donde se determina el peso y volumen demuestras en estado inalterado. Estas muestras son extraídas cuidadosamente mediante un cuchillo o espátula y son recubiertas con parafina sólida. De la pared de la excavación se extrae una muestra representativa para determinar el contenido de humedad. La muestra no perturbada, se pesa y se determina su volumen al depositarla dentro de un sifón, leyendo en un cilindro graduado el volumen de agua desplazado al cual se le debe restar el volumen de parafina que recubre la muestra para lo cual es necesario saber ladensidad de ésta.  Método Del Aceite Aplicable en suelos finos poco permeables, una vez nivelada la superficie, se coloca la placa de diámetro pequeño, se excava

aproximadamente 5 cm y se extrae la muestra a la cual se le calculara la humedad. En un cilindro se agrega una cantidad de aceite que será la lectura final, y se le vierte en el hoyo para medir su volumen. Método De La Parafina Este experimento permite determinar el peso unitario de suelos cohesivos. El procedimiento se basa en el principio de Arquímedes, el cual permite determinar el volumen de una muestra a través del volumen de agua que desplaza. Conocido el volumen y el peso de la muestra, se podrá


determinar el peso unitario de la muestra. Para proteger la muestra se utiliza cera en este procedimiento. El volumen de la cera utilizada se descontara del volumen total.


PROCEDIMIENTOSEnsayo Ns 1 Método del Cono de arena a. Se procede al tarado del cono, para ello lo primero que se hace es pesar el cono y obtenemos “peso del cono”. b. Se debe pesar el cono con la válvula de salida cerrada, con arena al ras, añadida por gravedad, y obtenemos “peso cono + arena”. c. Se le agrega parafina al cono en toda la boca de salida, para sellar la válvula, se deja secar, se pesa y obtenemos “peso cono + parafina”. d. Sin eliminar la parafina del cono, agregamos agua hasta el ras del cono, pesamos y obtenemos “peso cono + parafina + agua” e. Con los datos obtenidos calculamos la densidad para el cono. f. Procedemos al tarado del frasco, para ello lo primero que hacemos es pesarlo vacío, y obtenemos “peso frasco”. g. Le agregamos arena por gravedad, hasta el tope y enrasamos con una espátula, lo pesamos y obtenemos “peso frasco + arena”. h. Cerramos el frasco lleno de arena con el cono, y vamos para el campo. i. Una vez en el campo, colocamos la placa de base en el terreno seleccionado, y se procede a cavar un hoyo de entre 5 cm y 15 cm, de profundidad aproximadamente, teniendo cuidado de ir recogiendo la muestra extraída, para su posterior pesado y uso. j. Una vez abierto el hoyo, se procede a colocar el cono con arena, en la boca de la placa, se abre la válvula de salida, y dejamos que la arena caiga por gravedad dentro del hoyo, hasta que el flujo de arena cese. k.Cerramos la válvula y quitamos el cono del hoyo, pesamos la arena sobrante en el frasco (arena residual).


l. Vaciamos la arena del frasco, y agregamos agua al frasco vacío hasta el tope, y pesamos, obteniendo “peso frasco + agua”. Posteriormente calculamos la densidad para el frasco. m. Obtenemos un promedio de densidades cono-frasco; y la diferencia entre cada densidad no debe ser mayor de 0.5. n. Procedemos a realizar los cálculos correspondientes y obtener la “densidad húmeda in situ”. o. Pesamos la muestra de suelo recogida, y en una tara previamente pesada, agregamos una muestra de suelo húmedo, se pesa y obtenemos “tara + suelo húmedo”. Dejamos la muestra a secar en el horno, por aproximadamente 24 horas.
p. Una vez seca la muestra, pesamos y obtenemos “tara + suelo seco”.

Con lo cual procedemos a calcular la humedad. Luego obtenemos la “densidad seca in situ”.

Ensayo Ns 2 Método del Aceite.

Se realizaron 2 ensayos con este método siguiendo el mismo procedimiento para ambos. a. En un cilindro graduado medimos aproximadamente 1000 ml de aceite quemado (lectura inicial). b. En el campo, con una placa de base de 4 pulgadas de diámetro , cavamos un hoyo de 5 cm a 8 cm de profundidad aproximadamente, recogiendo el suelo que se vaya extrayendo, que posteriormente será pesado. c. Con cuidado se agrega el aceite de motor en el hoyo, hasta llenar el bordeinferior de la placa. Se deja escurrir el aceite por las paredes del la probeta


d.

Se observa la lectura final en la probeta y obtenemos el volumen de aceite utilizado en el ensayo por diferencia entre lectura final e inicial.

e.

Procedemos a realizar los cálculos correspondientes y obtenemos la “densidad húmeda in situ”.

f.

Se toma una muestra del suelo recogido y se coloca en una tara previamente pesada y obtenemos “tara + suelo húmedo”.

Colocamos en el horno por 24 horas aproximadamente, g. Una vez seca la muestra, pesamos y obtenemos “tara + suelo seco”. Hacemos los cálculos correspondientes y obtenemos “densidad seca in situ”.

Ensayo Ns 3 Método del Cilindro

Se realizaron 2 ensayos con este método siguiendo el mismo procedimiento para ambos. a. Se calcula el volumen del cilindro midiendo con el vernier la altura y el diámetro interno de este y se pesa b. Se coloca el cilindro en la superficie previamente nivelada y sobre este el martillo se deja caer por su propio peso dando al cilindro tantos golpes como sea necesario para que quede totalmente enterrado c. Con la espátula se desentierra el cilindro, tratando de no perder la muestra d. Con una espátula se enrasa la muestra en los bordes del cilindro de manera que el volumen de esta correspondan al volumen del cilindro


e.

Inmediatamente se tapa el cilindro por ambas caras con lasplacas para evitar que pierda humedad.

f.

Se pesa la muestra húmeda en el cilindro y por diferencia se calcula el peso húmedo

g.

Se extrae la muestra del molde, se seca en la estufa y se pesa después de secada

Ensayo Ns 4 Método de la Parafina.

a.

Se extrajo cuidadosamente con un cuchillo una muestra de suelo proveniente de Bauxilum (Identificación: S66; Profundidad: 0.300.15; Excavación: P12), atándole un hilo y luego se pesó.

b. c. d.

Se midió en un cilindro graduado 800 ml de agua (lectura inicial) Se cubrió la muestra con parafina previamente derretida Se introdujo la muestra cubierta con parafina al cilindro graduado y se tomó la lectura (lectura final)

e.

Se restó la lectura final menos la lectura inicial para obtener el volumen de la muestra con parafina

f.

Se resto el peso de la muestra menos el peso de la muestra con parafina y se obtuvo el peso de la parafina

g.

Se busco el volumen de la parafina sabiendo que la densidad de la misma es de 0.96

h.

Al volumen de la muestra con parafina se le restó el volumen de la parafina y se obtuvo el volumen de la muestra, seguido de esto se procedió a calcular la densidad de la muestra.


RESULTADOS OBTENIDOS

Ensayo Ns 1 Método del Cono de arena Densidad para el cono = 1.36 gr / cm3 Densidad para el Frasco = 1.35 gr/cm3. Promedio de Densidades (cono – frasco) = 1.355gr/cm3. % de Humedad = 2.73 % Densidad Húmeda In Situ = Densidad Seca In Situ = Ensayo Ns 2.- Método del aceite Ensayo # 1 % humedad de Densidad húmeda = 1,55 gr/cm3. Densidad seca = gr/cm3.

Ensayo # 2 % humedad de Densidad húmeda = 1 gr/cm3. Densidad seca = gr/cm3.

Ensayo Ns 3 Método del Cilindro Ensayo # 1 % humedad de Densidad húmeda = 2,06 gr/cm3. Densidad seca = gr/cm3.


Ensayo # 2 % humedad de Densidad húmeda = 2 gr/cm3. Densidad seca = gr/cm3.

Ensayo Ns 4 Método de la Parafina. % humedad de Densidad húmeda = 2 gr/cm3. Densidad seca = gr/cm3.


BIBLIOGRAFIA

BADILLO, Juárez – RODRIGUEZ, Rico MECANICA DE SUELOS, Tomo I Editorial Limusa, S.A. de CV; México D.F., México, 2003. Pág. 65 al 71.

BOWLES, Joseph E. MANUAL DE LABORATORIO DE SUELOS EN ING. CIVIL Editorial Mc Graw-Hill, S.A.; Bógota, Colombia, 1981. Pág. 59 al 63.

OVIEDO C., Gustavo MANUAL DIDACTICO: ENSAYOS DE MECANICA DE SUELOS La Universidad del Zulia (LUZ); Maracaibo, Venezuela, 1987. Pág. 38 al 45.

Internet
www.fao.org/ag/ags/AGSE/agse_s/7mo/iita/C7.htm.

www.fpolar.org.ve/pogglioli/poggio49.htm.


EJEMPLO DE CALCULOS

Ensayo Ns 1.- Método del Cono de arena

Tarado del cono Volumen del cono = ((Wcono + agua + parafina) – (Wcono + parafina)) / densidad del agua Volumen del cono = (1509.1 gr – 459 gr) / 1 gr/cm3 Volumen del cono = 1050.1 cm3 Peso de la arena =(Wcono + arena – Wcono) Peso de la arena = 1896 gr – 458 gr Peso de la arena = 1438 gr

Densidad de la arena = Warena / volumen del cono Densidad de la arena = 1438 gr / 1050.1 cm3 Densidad de la arena = 1.36 gr / cm3

Tarado del frasco Volumen del frasco = ((Wfrasco + agua) – (Wfrasco) / densidad del agua Volumen del frasco = 5110 gr – 1109 gr / 1 gr / cm3 Volumen del frasco = 4001 cm3 Peso de la arena = (Wfrasco + arena) – (Wfrasco) Peso de la arena =6546 gr – 1109 gr Peso de la arena = 5437 gr


Densidad Densidad de la arena = (Warena / volumen de la arena) Densidad de la arena = 5437 gr / 4001 cm3 Densidad de la arena = 1.35 gr / cm3 Densidad promedio de arena (cono – frasco) = (1.36 gr / cm3 + 1.35 gr / cm3) / 2 Densidad promedio de arena (cono – frasco) =1.355 gr / cm3

Determinación de Humedad Peso del agua = (Wcapsula R51 + S, húmedo) – (Wcapsula R51 + S, seco) Peso del agua = 76 gr – 75.6 gr Peso del agua = 0.4 gr Peso del suelo seco = (Wcapsula R51 + S, seco) – (Wcapsula R51) Peso del suelo seco = 75.6 gr – 61 gr Peso del suelo seco =14.6 gr

Porcentaje de Humedad = (Wagua / W S. Seco) * 100 Porcentaje de Humedad = (0.4 gr / 14.6 gr) * 100 Porcentaje de Humedad = 2.73 %

Determinación de Densidad In Situ Densidad Húmeda = W húmedo / volumen del hoyo Densidad Húmeda = 2345.4 gr / 1484.459 cm3 Densidad Húmeda = 1.58 gr / cm3

Densidad Seca = densidadhúmeda / 1 + (W / 100)


Densidad Seca = 1.58 gr / cm3 / 1 + (2.73 / 100) Densidad Seca = 1.53 gr / cm3

Nota: los datos utilizados para realizar los cálculos anteriores se tomaron de las tablas de datos que se encuentran en los anexos.


Método del Cilindro

Ensayo # 1 Peso del Cilindro Diámetro del Cilindro Altura del Cilindro Peso de la Arena Volumen del Cilindro Densidad húmeda Densidad Seca % de Humedad Promedio 130.8 gr 6.415 cm 4.56 cm 304.8 gr 147.38 cm3 2.06gr / cm3 1.91 gr / cm3 7.40 %

Ensayo # 2 Peso del Cilindro Diámetro del Cilindro Altura del Cilindro Peso de la Arena Volumen del Cilindro Densidad húmeda Densidad Seca % de Humedad Promedio 131.6 gr 6.38 cm 4.52 cm 306.6 gr 144.50 cm3 2.12 gr / cm3 2.02 gr / cm3 4.62 %


Método del Aceite

Determinación de Humedad Cápsula N° Cápsula Cápsula +suelo húmedo Cápsula +suelo seco Agua Contenida Suelo Seco Humedad en Porcentaje L3(ensayo #1) 67.3 gr 77.6 gr 77.4 gr 0.2 gr 10.1 gr 1.98 % R55(ensayo #2) 67.1 gr 81.8 gr 81.5 gr 0.3 gr 14.4 gr 2.08 %

Determinación del Volumen del Hoyo Ensayo # 1 Lectura Inicial Lectura Final Volumen 1000 cm3 470 cm3 530 cm3 Ensayo # 2 1000 cm3 540 cm3 460 cm3

Determinación de las Densidades Ensayo # 1 Peso del suelo húmedo Volumen del Hoyo Densidad Húmeda Densidad Seca 819 gr 530 cm3 1.55 gr / cm3 1.52 gr / cm3 Ensayo # 2 733 gr 460 cm3 1.59 gr / cm3 1.56 gr / cm3