DETERMINACIÓN EN LABORATORIO DEL CONTENIDO DE AGUA (HUMEDAD) DEL SUELO, ROCA Y MEZCLAS DE SUELO -AGREGADO

I.N.V. E – 122 – 07

1. OBJETO

1.1 Este método cubre la determinación de laboratorio del contenido de agua (humedad) de suelo, roca, y mezclas de suelo-agregado por peso. Por simplicidad, de aquí en adelante, la palabra "material" se refiere a suelo, roca o mezclas de suelo -agregado, la que sea aplicable.

1.2 El contenido de agua del material se define como la relación, expresada en

porcentaje, entre la masa de agua que llena los poros o "agua libre", en una masa de material, y la masa de las partículas sólidas de material.

1.3 El término “material sólido” como es empleado en ingeniería geotécnica, típicamente se

asume que significa partículas minerales que se forman naturalmente y que no se disuelven fácilmente en agua. Por lo tanto, el contenido de agua en materiales que contengan materias extrañas (tales como cemento, o algo semejante) pueden requerir un tratamiento especial o una definición calificada del contenido de agua. Además, algunos materiales orgánicos pueden descomponerse al secarse en el horno a la temperatura normal usada para este método (110º C). Materiales que contengan yeso (sulfato de calcio deshidratado u otros compuestos con cantidades sign ificativas de agua hidratada) pueden presentar problemas especiales puesto que este material se deshidrata lentamente a la temperatura normalmente usada para este secamiento (110º C) y a muy bajas humedades relativas forman un compuesto (sulfato de calcio hemihidrato) el cual no está normalmente presente en materiales naturales, excepto en algunos suelos desérticos. Para poder reducir el grado de deshidratación del yeso en los materiales que lo contengan o poder reducir la descomposición en materiales con alto contenido orgánico puede ser aconseja ble secar estos materiales a 60º C o en una desecadora a temperatura ambiental. De esta manera , cuando se use una temperatura de secado diferente a la normal, tal como se define en este método de prueba, el contenido de agua resultante puede ser diferente al normalmente determinado según las temperaturas normales de secamiento.

Nota 1.– Los métodos de prueba ASTM D2974 proveen un procedimiento alternativo para determinar el contenido de agua en materiales altament e orgánicos (turba).

1.4 Materiales que contengan agua con cantidades considerables de sólidos

solubles (tales como sal en sedimentos marinos) al ser probados con este método darán una masa de sólidos la cual incluye los sólidos previamente solubles. Estos materiales requieren un tratamiento especial para retirar o cuantificar la presencia de sólidos precipitados en la masa seca de la muestra o debe usarse una definición calificada del contenido de agua.

1.5 Esta norma de ensayo requiere varias horas para un correcto secado del

contenido de agua de la muestra. La norma INV E – 135 explica el secado de la muestra en un horno microondas, que es un proceso más corto.

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1.6 Esta norma exige el secamiento del material en un horno a altas temperaturas.

Si el material que está siendo secado se encuentra contaminado con ciertos químicos, puede haber peligros de salud y seguridad. Por lo tanto, esta norma no debe usarse para determinar el contenido de agua en suelos contaminados, a no ser que se hayan tomado medidas adecuadas de precaución sobre salubridad y seguridad.

1.7 Esta norma no pretende considerar todos los problemas de seguridad, si es que alguno

existe, asociados con su uso. Es responsabilidad de quien la emplea, el establecimiento de prácticas apropiadas de seguridad y salubridad y la determinación de la aplicabilidad de limitaciones regulatorias, antes de su uso.

2. RESUMEN DEL MÉTODO

La aplicación práctica de la determinación del contenido de agua en un material, es conocer la masa del agua removida al secar dicho material cuando está húmedo (espécimen de prueba) hasta peso constante, en un horno controlado a 110° ± 5° C (230° ±9° F); y usar este valor como la masa del agua en el espécimen de prueba. La masa del material remanente después de secado en el horno, corresponde a la masa de las partículas sólidas. El contenido de agua se calcula relacionando la masa de agua en la muestra húmeda con la masa de la muestra seca.

3. USO Y SIGNIFICADO

3.1 Para muchos materiales , el contenido de agua es una de las propiedades índices más significativas que se emplea para establecer una correlación entre el comportamiento de l suelo y otras propiedades índices.

3.2 El contenido de agua de un material se usa en casi todas las ecuaciones que

expresan las relaciones de fases entre aire, agua y sólidos, en un volumen dado de material.

3.3 En suelos de grano fino (cohesivos), la consistencia depende de su contenido

de agua. El contenido de agua de un suelo, junto con su límite líquido (norma INV E – 125) y su límite plástico (norma INV E – 126), se usan para expresar su consistencia relativa, o índice de liquidez.

4. EQUIPO

4.1 Horno – Controlado termostáticamente, preferiblemente de tiro forzado y que mantenga una temperatura uniforme de 110° ± 5°C (230° ± 9°F) en toda la cámara de secado.

4.2 Balanzas – que tengan una precisión de ± 0.01 g para muestras que tengan una

masa de 200 g o menos; y ± 0.1 g para muestras que tengan una masa por encima de 200g.

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4.3 Recipientes – Vasijas apropiadas hechas de un material resistente a la

corrosión y a cambios en su masa al ser sometidas a repetidos calentamientos y enfriamientos y a operaciones de limpieza.

Para muestras con masa menor o próxima a 200 g, se usarán recipientes con tapas de cierre hermético; mientras que para muestras de masa mayor que 200 g se usarán recipientes sin tapa (Nota 2). Se necesita un recipiente para cada determinación del contenido de agua. Nota 2.- El propósito de las tapas de cierre hermético es doble: prevenir las pérdidas de humedad de las muestras antes del pesaje inicial y para ev itar la absorción de humedad proveniente de la atmósfera después del secado y antes del pesaje final.

5. MUESTRAS

5.1 Las muestras que estén almacenadas, antes del ensayo, en recipientes no corrosivos y herméticos, se deben mantener a una temperatura entre 3° y 30° C y en un área en la cual no tengan contacto directo con la luz solar (cuarto oscuro). Las muestras alteradas que se encuentren en otros recipientes deberán ser almacenadas de manera de prevenir o minimizar la condensación de humedad en las paredes internas de los recipientes.

5.2 La determinación del contenido de agua se deberá hacer tan pronto como sea

posible después de la preparación de la muestra, especialmente si se usan recipientes potencialmente oxidables (como tubos de acero de pared delgada, la tas de pintura, etc) o bolsas plásticas.

6. ESPÉCIMEN DE ENSAYO

6.1 Para las determinaciones de los contenidos del agua que se realicen en conjunto con otro método de ensayo, se deberá usar la masa de la muestra requerida en este último, si es mayor a la establecida por la presente norma. Si no se ha especificado un mínimo de masa de muestra en ese método, se deberán aplicar los valores que se mencionan más adelante.

6.2 La masa mínima de material húmedo seleccionada para ser representativa del

total de la muestra debe rá estar de acuerdo con lo siguiente:

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Tamaño máximo de partícula

(pasando 100%

Tamaño de tamiz estándar

Masa mínima de espécimen húmedo

para prueba de contenido de agua, reportado a ± 0.1%

Masa mínima de espécimen húmedo

para prueba de contenido de agua, reportado a ± 1%

2 mm o menos No. 10 20 g 20g A

4.75 mm No. 4 100 g 20g A

9.5 mm 3/8 " 500 g 50g

19.0 mm 3/4 " 2.5 kg 250g

37.5 mm 1 ½ " 10 kg 1kg

75.0 mm 3 " 50 kg 5kg A Para ser representativo, no se debe n usar menos de 20g

La cantidad mínima de masa usada puede necesitar ser incrementada para poder obtener los dígitos mínimos necesarios para la masa de agua cuando se reporten contenidos de agua al más cercano 0.1% o como se indica en la Sección 10.

6.3 El uso de un espécimen para prueba más pequeño que el mínimo indicado en

6.2, requiere especial cuidado, a pesar de poder ser el adecuado para el propósito de la prueba. Cualquier espécimen usado, que no satisfaga estos requisitos, deberá anotarse en la hoja de datos de la prueba o en sus formatos.

6.4 Al trabajar con un espécimen pequeño (menos de 200g) que contenga una

partícula de grava relativamente grande, resulta apropiado no incluir esta partícula en el espécimen de prueba. Sin embargo, cualquier material descartado debe describirse y anotarse en los formatos para datos u hojas de datos.

6.5 Para aquellas muestras que consisten en su totalidad de roca intacta , la masa

mínima del espécimen debe ser de 500g. Porciones representativas de la muestra pueden partirse en partículas más pequeñas , dependiendo del tamaño de la muestra, del recipiente y de la balanza que se va a usar . Para facilitar el secado, véase la Sección 8.4. Especimenes de tamaños tan pequeños como 200 g pueden ser probados, si resultan aceptables contenidos de agua de sólo dos dígitos significativos.

7. SELECCIÓN DE ESPECÍMENES PARA PRUEBA

7.1 Cuando el espécimen para la prueba es una porción de una cantidad mayor de material, debe rá ser seleccionado para ser representativo de la condición del agua de la totalidad del material. La manera en que se seleccione el espécimen depende del propósito y de la aplicación de la prueba, del tipo de material a probar, de las condiciones de agua y del tipo de muestra. (De otra prueba, bolsa, bloque o semejantes)

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7.2 Para muestras alteradas, tales como muestras desbastadas , muestras de bolsa, etc. , el espécimen de muestra se debe obtener por medio de uno de los siguientes métodos (listados en orden de preferencia):

7.2.1 Si el material es tal que pueda ser manipulado y manejado sin pérdida

significativa de su humedad y segregación, debe ser mezclado completamente , seleccionando luego una porción representativa con una pala de tamaño tal que no se requieran más que unas pocas paladas para obtener el tamaño apropiado del espécimen como se define en la Sección 6.2.

7.2.2 Si el material es tal que no pueda ser mezclado totalmente, o mezclado y

muestreado con una pala, se forma una pila con el material, mezclándolo tanto como sea posible. Se recogen, por lo menos, cinco porciones del material de lugares escogidos al azar usando para esto un tubo de ensayo, pala, cuchara o palustre o cualquier artefacto similar apropiado para recoger las partículas más grandes que se encuentren en el material. Se combinan todas las porciones para obtener un espécimen para la prueba.

7.2.3 Si el material o las condiciones son tales que no permiten la formación de una pila, se deben recoger tantas porciones como sea práctico, usando lugares escogidos al azar que mejor representen la condición de humedad. Todas las porciones se deben combinar para obtener el espécimen de prueba.

7.3 Para muestras intactas tales como de bloque, cilíndricas, de tubo partido y

otras similares, el espécimen para la prueba se debe obtener usando uno de los métodos siguientes , dependiendo del propósito y uso potencial de la muestra:

7.3.1 Empleando un cuchillo, segueta, o cualquier aparato cortante, se desbasta el

exterior de la muestra a la suficiente distancia para comprobar si el material está estratificado y para retirar el material que parezca más seco o más mojado que la porción principal de la muestra. Si la existencia de estratos es cuestionable, la muestra se debe cortar por la mitad. Si el material resulta estratificado, véase la Sección 7.3.3.

7.3.2 Si el material no está estratificado, el espécimen se debe obtener cumpliendo los

requisitos de masa que se encuentran en la Sección 6.2, de la siguiente manera: (1) tomando todo o la mitad de la porción que está siendo probada; (2) cortando una tajada representativa de la porción que está siendo probada; o (3) desbastando la superficie expuesta de la mitad o de la porción que esta siendo probada.

Nota 3.– La migración de humedad en algunos suelos sin cohesión puede requerir la prueba de toda la sección de la muestra.

7.3.3 Si el material es estratificado (o se encuentra más de un tipo de material) , se selecciona

un espécimen promedio o un espécimen individual o ambos. Los especimenes deben ser identificados apropiadamente en cuanto a su ubicación o lo que ellos representan y deben incluirse comentarios apropiados en los formatos de prueba o las hojas de datos de pruebas.

Nota 4 .– Para prevenir la mezcla de los especímenes y obtener resultados incorrectos, todos los recipientes y tapas, si se usan, deben ser numerados y esta numeración debe registrarse en

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las hojas de datos del laboratorio. Los números en las tapas deberán coincidir con los de sus recipientes para evitar confusiones.

8. PROCEDIMIENTO

8.1 Se determina y registra la masa de un recipiente limpio y seco (y su tapa, si ella se usa).

8.2 Se escoge una muestra de ensayo representativa, de acuerdo con la Sección 6. 8.3 Se coloca la muestra húmeda en e l recipiente; se coloca la tapa firmemente en

posición, si procede , y se determina el peso del recipiente con la muestra de material, usando una balanza apropiada (ver Sección 4.2). Se anota este valor .

8.4 Se retira la tapa (si fue usada) y se coloca el recipiente con el material húmedo en el

horno para secar el material hasta obtener una masa constante. El horno secador se mantiene a una temperatura de 110° ± 5º C, a no ser que se especifique otra cosa (ver Sección 1.3). El tiempo requerido para obtener una masa constante puede variar dependiendo del tipo de material, tamaño del espécimen, tipo de horno y su capacidad, y otros factores. La influencia de estos factores puede establecerse generalmente usando buen juicio y con la experiencia adquirida con los materiales que están siendo probados y el equipo que se use.

Nota 5 .- Para facilitar el secado al horno de muestras de ensayo muy grandes, éstas deben ser colocadas en recipientes que tengan un área superficial amplia (como una bandeja) y el material separado en pequeños grupos. Nota 6 .- En la mayoría de los casos, el secado de una muestra durante la noche (16 horas), es suficiente. En los casos donde existan dudas concernientes a lo adecuado del procedimiento de secado, éste se debe continuar hasta que el cambio de masa, después de dos períodos de secamiento consecutivos (mayores de 1/2 h), sea insignificante (menor al 0.1%). Las muestras de arena se pueden secar frecuentemente a una masa constante en un periodo de 4 horas, cuando se usa un horno de tiro forzado. Nota 7.- Debido a que algunos materiales secos pueden absorber humedad de especímenes húmedos, aquellos deben ser retirados antes de colocar éstos en el horno. Sin embargo, este requerimiento no será necesario si los especímenes secos van a permanecer en el horno por un período de secado adicional de 16 horas.

8.5 Después de que el material se haya secado a masa constante, se remueve el

recipiente del horno y se le coloca la tapa. Se permite que el material y el recipiente se enfríen a la temperatura ambiente, o hasta que el recipiente pueda ser manejado fácilmente con ambas manos y la operación de pesaje no esté afectada por corrientes convectivas. Se determina la masa del recipiente y de la muestra secada en el horno usando la misma balanza que usó en las operaciones descritas en las Secciones 8.1 y 8.3. Se registra este valor.

Si el recipiente no tiene tapa, el material se pesa inmediatamente para que la temperatura del recipiente sea tal que la operación del pesaje no sea afectada por corrientes convectivas o después de enfriarlo en un secador.

Nota 8 .- Es recomendable el enfriamiento en un desecador, ya que s e previene absorción de humedad proveniente de la atmósfera durante dicho proceso.

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9. CÁLCULOS

Se calcula el contenido de agua del material así:

1001002

21 ×=×−−

=WsWw

WcWWW

w

donde: w = contenido de agua %, W1 = masa del recipiente y del espécimen húmedo, g, W2 = masa del recipiente y del espécimen seco, g, Wc = masa del recipiente, g, Ww = masa del agua, g, y Ws = masa de las partículas sólidas, g.

10. INFORME

El informe (hoja de datos) debe incluir lo siguiente:

10.1 Identificación de la muestra (material), por número de perforación, número de muestra, número de ensayo, etc.

10.2 El contenido de agua del espécimen, aproximado al 0.1% ó 1% dependiendo del

propósito del ensayo , según se requiera basándose en la cantidad mínima de la muestra. Si este método es empleado junto con otro método, el contenido de l agua del espécimen debe reportarse de acuerdo con el valor requerido por el método de prueba por el cual el contenido del agua está siendo determinado. Refiérase a la “Guía ASTM D 6020” para una explicación concerniente a dígitos significativos, especialmente si el valor obtenido por medio de este método de prueba va a ser usado para calcular otras relaciones, tales como el peso unitario o la densidad. Por ejemplo, si se desea expresar el peso unitario seco redondeado a 0.1 lbf/pie3 (0.02 kN/m3), podrá ser necesario el empleo de una balanza de mayor exactitud o un espécimen con mayor masa, con el fin de obtener los dígitos significativos de la masa de agua para determinar el contenido del agua lo mas cercano a los dígitos significativos requeridos. Además, los dígitos significativos expuestos en la “Guía ASTM D 6020” pueden necesitar ser incrementados al calcular las relaciones de fase, las cuales, a su vez ,pueden requerir 4 dígitos significativos

10.3 Se debe dejar una anotación, siempre que el espécimen de muestra tenga un peso menor

al mínimo indicado en la Sección 6. 10.4 Se debe indicar si el espécimen de muestra contuvo más de un tipo de suelo (por capas,

etc).

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10.5 Se indica el método de secado, si fue diferente al de horno a 110° ± 5° C (230 ± 9° F). 10.6 Se indica si algún material (tamaño y cantidad) fue excluido del espécimen de prueba.

10.7 Al reportar el contenido del agua en tablas, figuras, etc., cualesquiera datos

que no estén de acuerdo con los requisitos de este método de prueba deberán anotarse, tales como no satisfacer los requisitos de masa, balanza o temperatura, o si alguna porción del espécimen de prueba fue excluida .

11. PRECISIÓN Y TOLERANCIAS

11.1 Tolerancias – No hay ningún valor aceptado como referencia para este método

de prueba; por lo tanto, la tolerancia no puede ser determinada. 11.2 Precisión:

11.2.1 Precisión de un solo operador (Repetibilidad) – El coeficiente de variación de

un solo operador ha sido establecido en 2.7%. Por lo tanto los resultados de dos pruebas conducidas apropiadamente por el mismo operador, con el mismo equipo, no deben considerarse sospechosos a menos que se diferencien en más del 7.8% de su valor medio.

11.2.2 Precisión entre varios Laboratorios (Reproducibilidad) – El coeficiente de

variación entre varios laboratorios se ha establecido en el 5.0%. Por lo tanto, los resultados de dos pruebas conducid as apropiadamente por diferentes operadores, usando equipos diferentes no deberían considerarse sospechosos, a menos que se diferencien en más del 14.0% de su valor medio.

12. NORMAS DE REFERENCIA

ASTM D 2216-98