“Laboratorio N° 01: RELACIÓN DE PESOS Y

VOLÚMENES, CONTENIDO DE HUMEDAD, PESO

ESPECÍFICO Y PESO ESPECÍFICO RELATIVO O

GRAVEDAD ESPECÍFICA DE SÓLIDOS”

ENSAYO 1:

RELACIÓN DE PESOS Y VOLÚMENES

INTRODUCCIÓN

Generalmente se denomina suelo a la parte superficial de la corteza terrestre,

que tiende a desarrollarse en la superficie de las rocas emergidas por la

influencia de la intemperie y de los seres vivos (meteorización).

Los suelos son sistemas complejos donde ocurren una vasta gama de

procesos químicos, físicos y biológicos que se ven reflejados en la gran

variedad de suelos existentes en la tierra. Son muchos los procesos que

pueden contribuir a crear un suelo particular, algunos de estos son la

deposición eólica, sedimentación en cursos de agua, meteorización, y

deposición de material orgánico.

Para poder describir completamente las características de un depósito de suelo

es necesario expresar las distintas composiciones de sólido, líquido y aire, en

términos de algunas propiedades físicas. Debida a estas características es

necesario estudiar la composición, características físicas y químicas del suelo

con la finalidad de evaluar si son o no aptos para un proceso de construcción.

Los Alumnos.

OBJETIVOS

Identificar los estados del suelo, conocer los parámetros de pesos y volúmenes de cada una de las fases del suelo, y tener las relaciones existentes entre pesos y/o volúmenes.

MARCO TEÓRICO

A. DEFINICIÓN DE SUELO.

Es la capa más superficial de la corteza terrestre, que resulta de la descomposición de las rocas por los cambios bruscos de temperatura y por la acción del agua, del viento y de los seres vivos.

El proceso mediante el cual los fragmentos de roca se hacen cada vez más pequeños, se disuelven o van a formar nuevos compuestos, se conoce con el nombre de meteorización. Los productos rocosos de la meteorización se mezclan con el aire, agua y restos orgánicos provenientes de plantas y animales para formar suelos. Luego el suelo puede ser considerado como el producto de la interacción entre la litósfera, la atmósfera, la hidrósfera y la biósfera. Este proceso tarda muchos años, razón por la cual los suelos son considerados recursos naturales no renovables. En el suelo se desarrolla gran parte de la vida terrestre, en él crece una gran cantidad de plantas, y viven muchos animales.

B. COMPONENTES DEL SUELO.Se pueden clasificar en inorgánicos, como la arena, la arcilla, el agua y el aire; y orgánicos, como los restos de plantas y animales. Uno de los componentes orgánicos de los suelos es el humus. El humus se encuentra en las capas superiores de los suelos y constituye el producto final de la descomposición de los restos de plantas y animales, junto con algunos minerales; tiene un color de amarillento a negro, y confiere un alto grado de fertilidad a los suelos.

Fase Sólida: Comprende, principalmente, los minerales formados por compuestos relacionado con la litósfera, como sílice o arena, arcilla o greda y cal. También incluye el humus.

Fase Líquida: Comprende el agua de la hidrosfera que se filtra por entre las partículas del suelo.

Fase Gaseosa: Tiene una composición similar a la del aire que respiramos, aunque con mayor proporción de dióxido de carbono (CO2). Además, presenta un contenido muy alto de vapor de agua. Cuando el suelo es muy húmedo, los espacios de aire disminuyen, al llenarse de agua.

Fase solida: Fragmentos de roca, minerales individuales, materiales orgánicos.Fase liquida: Agua, sales, bases y ácidos disueltos, incluso hielo.

Fase gaseosa: Aire, gases, vapor de agua.

C. TIPOS DE SUELOS. Suelo Seco; sus características son:

Todos los vacíos se encuentran con aire.No existe agua libre en el suelo

Suelo parcialmente saturado; se caracteriza por:Parte de los vacíos se encuentra con agua y una parte con aire.

Suelo saturado; se caracteriza por:Todos los vacíos se encuentran con agua.

D. FASES, VOLÚMENES Y PESOS.En el modelo de fases, se separan volúmenes V y pesos W así: Volumen total Vt, volumen de vacíos Vv (espacio no ocupado por sólidos), volumen de sólidos Vs, volumen de aire Va y volumen de agua Vw. Luego:

Vt=Vv+Vs y Vv=Va+Vw

En pesos (que es diferente a masas), el del aire se desprecia, por lo que Wa = 0. El peso total del espécimen o muestra Wt es igual a la suma del peso de los sólidos Ws más el peso del agua Ww; esto es:

Wt=Ws+Ww

Vt: Volumen total de la muestra del suelo (volumen da la masa)

Vs: Volumen de la fase sólida de la muestra (volumen de sólidos)

Vw: Volumen de la fase líquida (volumen de agua)

Va: Volumen de la fase gaseosa (volumen de aire)

Vv: Volumen de vacíos de la muestra de suelo (volumen de vacíos).

Wt: Peso Total de la muestra de suelo. (Peso de la Masa).

Ws: Peso de la fase sólida de la muestra.

Ww: Peso de la fase líquida (peso del agua).

Ww: Peso de la fase gaseosa, convencionalmente considerado como nulo.

E. POROSIDAD (ƞ)Se define como la probabilidad de encontrar vacíos en el volumen total. Por eso 0 < ƞ < 100% (se expresa en %). En un sólido perfecto ƞ = 0; en el suelo ƞ ≠ 0 y ƞ ≠ 100%.

ƞ(%)=VvVt

×100

F. RELACIÓN DE VACÍOS (e).Es la relación entre el volumen de vacíos y el de los sólidos. Su valor puede ser e > 1 y alcanzar valores muy altos. En teoría 0 < e →∞.

e=VvVs

G.DENSIDAD RELATIVA O COMPACIDAD RELATIVA (DR):Este parámetro nos informa si un suelo está cerca o lejos de los valores máximo y mínimo de densidad, que se pueden alcanzar. Además 0 ≤ DR ≤ 1, siendo más resistente el suelo cuando el suelo está compacto y DR = 1 y menor cuando está suelto y DR = 0. Algunos textos expresan DR en función del peso seco y el peso específico seco. Aquí, e máx. es para suelo suelto, e mín. para suelo compactado y e para suelo natural.

DR (%)=emáx .−e

emáx .−emín .

Los suelos cohesivos, generalmente tienen mayor proporción de vacíos que los granulares; los valores típicos de n y e son: e = 0,55 – 5,00 y n = 35 – 83%.

H. GRADO DE SATURACIÓN (Gw):Se define como la probabilidad de encontrar agua en los vacíos del suelo, por lo que 0 ≤ Gw ≤ 100%. Físicamente en la naturaleza Gw ≠ 0%, pero admitiendo tal extremo, Gw = 0% → suelo seco y Gw = 100% → suelo saturado.

Gw(% )=V w

V v

×100

I. CONTENIDO DE AIRE (Ga).Probabilidad de encontrar aire en los vacíos del suelo. 0 ≤ Ga ≤ 100%. En el suelo saturado, los vacíos están ocupados por agua CA = 0 y en el suelo seco, por aire Ga = 100%. Naturalmente, Gw + Ga = 100%.

Nota: En suelos granulares, DR < 35% es flojo, 35% ≤ DR ≤ 65% es medio y DR > 65% es denso.

Ga(%)=V a

V v

×100

J. CONTENIDO DE HUMEDAD (ω).Es la relación, en %, del peso del agua del espécimen, al peso de los sólidos. El problema es ¿cuál es el peso del agua? Para tal efecto debemos señalar que existen varias formas de agua en el suelo, y unas requieren más temperatura y tiempo de secado que otras para ser eliminadas. En consecuencia, el concepto “suelo seco”

también es arbitrario, como lo es el agua que pesemos en el suelo de muestra. Suelo seco es el que se ha secado en estufa, a temperatura de 105°C – 110°C, hasta peso constante durante 24 ó 18 horas (con urgencia).El valor teórico del contenido de humedad varía entre: 0 ≤ω→∞. En la práctica, las humedades varían de 0 (cero) hasta valores del 100%, e incluso de 500% ó 600%, en el valle de México.

NOTA: En compactación se habla de ωóptima, la humedad de mayor rendimiento, con la cual la densidad del terreno alcanza a ser máxima.

ω (%)=W w

W s

×100

K. GRAVEDAD ESPECÍFICA DE LOS SÓLIDOS (Ss).La gravedad específica es la relación del peso unitario de un cuerpo referida a la densidad del agua, en condiciones de laboratorio y por lo tanto a su peso unitario. En geotecnia sólo interesa la gravedad específica de la fase sólida del suelo, dada por:

Ss=γ sγw

=W s

γwV s

EQUIPOS, HERRAMIENTAS Y MATERIALES

Balanzas de precisión de 0.1 y 0.01 gr.

Horno.

Suelo granular.

Recipiente metálico.

Regla metálica o wincha.

Trozo de suelo.

PROCEDIMIENTO

1. Tomamos adecuadamente los datos de peso y volumen del recipiente a utilizar. Llenamos con suelo, dándole una densidad al material que no permita cambios de volumen significativos al manipular el recipiente. Enrasamos la superficie con la regla metálica realizando movimientos horizontales. Rellenamos las oquedades con el suelo, resultado de nivelar la superficie. Anotamos el peso del recipiente con suelo en el lugar adecuado del formato provisto.

2. Llenamos la probeta graduada con agua potable (de preferencia agua destilada), echamos agua cuidadosamente en el recipiente por los lados y levemente, evitando que se atrape demasiado aire en los vacíos del suelo. Llenamos el recipiente hasta el nivel superior sin permitir que el agua se desborde y se pierda. Es importante tener cuidado al llenar el agua hasta el tope, no se debe incurrir en el “redondeo” debido a la acción del menisco. Observamos los lados del recipiente a medida que se llene y si aparece burbujas de aire atrapadas, se tuvo que balancear el recipiente suavemente o golpear ligeramente en el sitio donde se encuentra la burbuja para desalojarla. Y, registramos el volumen de agua utilizando para llenar el recipiente de suelo.

3. Colocamos cuidadosamente el recipiente lleno sobre la balanza, (se podría colocar el recipiente parcialmente lleno con agua en la balanza), una vez allí terminamos el llenado, teniendo mucho cuidado en mantener el nivel del recipiente en forma que se encuentre completamente lleno de agua al final de la operación. Registramos el peso del suelo, más agua y el recipiente. Comparamos el peso con los milímetros de agua añadidos. La diferencia debe ser del orden 2 a 5 gr. Si es más que esto se debe verificar el cilindro graduado y/o las operaciones de peso realizadas.

4. Revisamos antes de retirarnos del laboratorio que todos los datos de los pesos y volúmenes de las fases de suelo en sus diferentes estados, se encuentren completos. Y por último llevamos al horno.

ANÁLISIS DE DATOS

A. Datos de laboratorio.

CARÁCTERÍSTICA OBSERVADA DATO

Peso del recipiente (Wr) 180.50 gr

Volumen del recipiente (Vr) 892.93 cm3

Peso del suelo seco +¿ recipiente (W1) 1997.80 grPeso del suelo + agua +¿recipiente (W2) 2200.62 gr

Peso del suelo luego del secado + recipiente (W3) 1975.70 grPeso del suelo seco (Ws) 1817.30 gr

Peso del suelo saturado (Wss) 2020.12 grPeso del agua para saturar (Wws) 202.82 gr

Volumen de agua para saturar (Vws) 202.82 cm3 ó ml

Donde:

Vr=π ×D 2

4×h=π ×9.9 cm2

4×11.6cm=892.932cm3

Wss=W 2−Wr=2200.62−180.50=2020.12gr

Ws=W 1−Wr=1997.80−180.50=1817.30gr ó

Ws=W 3−Wr=1975.70−180.50=1795.20gr

Wws=Wss−Ws=2020.12−1817.30=202.82gr

Vws=Wwsγws

=202.82gr1gr /cm3

=202.82cm3ó ml

B. Cálculos de gabinete: Primeramente graficamos el perfil del suelo, en cada uno de sus estados, con sus

respectivas fases. El diagrama de fases para nuestro suelo parcialmente saturado vendría dado por:

Para completar los valores de cada fase realizamos los cálculos de las constantes de peso y volumen para cada fase, a base de los datos obtenidos en el laboratorio y de las ecuaciones conocidas y estudiadas anteriormente.

Consideremos estos datos, para el suelo saturado:Wa=0gr

Ww=pesodel suelo saturado−peso del suelo seco=2020.12−1817.30=202.82gr

Ws=1817.30 gr

∴Wt=Ws+Ww+Wa=2020.12gr

Para los volúmenes:

Vw=Wwγw

=202.82 gr1gr /cm3

=202.82cm3

Vs=volumendel recipiente−volumende agua=892.93−202.82=690.11cm3

Va=Vv−Vw=202.82−202.82=0cm3

∴Vt=Vs+Vw+Va=892.93cm3

Con los datos hallados completaremos el diagrama de fases.

CÁLCULOS Y RESULTADOS

A. La relación de vacios.

e=VvVs

e=202.82690.11

=0.29

B. La porosidad.

ƞ(%)=VvVt

×100

ƞ(%)=202.82892.93

×100=22.71%

C. Grado de saturación.

Gw (% )=VwVv

×100

Gw (% )=202.82202.82

×100=100%

D. Grado de saturación de aire.

Ga (%)=VaVv

Ga (%)= 0.00202.82

×100=0%

E. Peso específico seco.

γ d=W s

V t

γ d=1817.30892.93

×9.807=19.96 KNm3

F. Peso específico saturado.

γ sat=W s+Ww

V m

γ sat .=2020.12892.93

×9.807=22.19 KNm3

G. Peso específico efectivo.γ '=γ sat .−γw

γ '=22.19−9.807=12.383 KNm3

H. Gravedad específica de sólidos.

Gs= WsVsγw

Gs= 1817.30690.11×1

=2.63

CUESTIONARIO

1. Comentar las limitaciones del cálculo de Gs de esta forma. ¿Por qué se ha limitado tanto el tamaño de la partícula del suelo?Este ensayo se realizó se realizó con la muestra de suelo disgregado y no en estado natural, es por eso que existen errores en el contenido real del peso de los sólidos por

volumen total de la muestra, es por esto que se limitó el tamaño de las partículas para poder compactar en el recipiente.

2. Comentar sobre las mejoras que pueden hacerse en este primer laboratorio tales como:El uso del agente remojante u otros insumos en el agua, con la capacidad de reducir la formación de burbujas de aire en el suelo o en la superficie interior del recipiente. El empleo de dicho material sería necesario, ya que al eliminar la formación de las burbujas evitamos el aumento innecesario del volumen de aire en el suelo, dando así resultados más exactos.

Para mejorar la calidad de este laboratorio es imprescindible que pueda incluirse recipientes estándares para tener volúmenes y pesos de éstos los más exactos posibles.

3. ¿Cuánto afecta los resultados el tamaño de volumen del recipiente?Si el recipiente es de mayor tamaño, aumenta la posibilidad de que al llenarlo con el suelo, este en el inferior no sea ocupado totalmente, creciendo el contenido de aire y dando el resultado erróneo. Además podemos entender que mientras más grande la capacidad de la balanza debe ser superior y por ello un error mayor.

4. ¿Cuál es el error introducido al no utilizar agua destilada y/o agua desairada a 4°c?En este caso cambia el peso específico del líquido, que utilizando agua destilada o desairada, este es un valor constante igual a 1000 Kg/m3 o 1 gr/cm, dando valores exactos con relación al volumen y al peso del líquido en el diagrama de fase, si usamos agua potable por ejemplo no resultara este valor debido al contenido de minerales.

5. Derivar la constante 9,807 utilizada para convertir de gr/cm3 a KN/m3.

1grcm3×( 1Kg

1000 gr )×( 1000000cm3

1m3 )×(9.807 ms2 )=9.807 KNm3

6. ¿Qué errores adicionales, pudiese haber cometido? Comentarlos.Uno de los errores más importantes es debido a una mala calibración de los instrumentos, tales como las balanzas. Este error es muy importante ya que la utilización de diversas balanzas genera aún más error.

Otras formas de error son la temperatura, y las impurezas del suelo que pudieron afectar el peso específico del agua, arrastrando al error a los demás valores hallados a partir de este dato. En este caso para los cálculos se considera al agua un valor de 1000 Kg/m³ o 1 gr/cm³, lo cual es incorrecto ya que este debe considerarse según la temperatura del agua encontrándose en las tablas.

CONCLUSIONES

La descripción del diagrama de fases nos da una mirada clara sobre las propiedades de los suelos y la aplicación de los mismos en diferentes campos de la construcción, sobre todo considerando que la carrera que se estudia relaciona las variables agua-suelo.

Del análisis de datos podemos observar que el grado de saturación corresponde a un 100% por la ausencia del volumen de aire.

La relación de los vacíos y la porosidad son indicadores, aunque de manera indirecta, del nivel de asiento que se producirá al realizar una construcción en dicho suelo, que fue carácter del estudio.

La ausencia de volumen de aire no corresponde a un valor exacto pudiendo variar en posteriores ensayos, por lo tanto tenemos presente que los cálculos realizados son en suelos saturados.

RECOMENDACIONES

El recipiente a utilizar tiene que ser lo más uniforme posible; es decir no contener ondulaciones en su contorno (caso de las latas de leche), ya que esto favorece a un dato de volumen erróneo.

Al realizar el llenado del agua es imprescindible que se haga con sumo cuidado ya que puede colaborar a errores cuando erosiona el suelo por una caída de agua muy alta.

Debemos tomar en cuenta que la acción de pesar deberá realizarse con balanzas bien calibradas y con una sola para toda la experiencia, evitando de esta forma las desviaciones de cada aparato de medición.

Para mejorar la calidad y efectividad del proceso de experimentación, la medición de pesos deberá realizarse con balanzas de precisión y con la capacidad de unos cinco kilos.

BIBLIOGRAFÍA

PROVELBIO, Fulgencio y MARÍN Reinaldo. Estudios de la Naturaleza 7º, Editorial Santillana.

MAZPARROTE, Serafín y MILLÁN JUSTO. Estudios de la naturaleza 7º, Editorial Biosfera