Granulometría y Plasticidad en Suelos
Granulometría y Plasticidad en Suelos
Granulometría y Plasticidad en Suelos
En los comienzos de la investigación de las propiedades de los suelos se creyó que las
propiedades mecánicas dependían directamente de la distribución de las partículas
constituyentes según sus tamaños; por ello era preocupación especial de los ingenieros la
búsqueda de métodos adecuados para obtener tal distribución. Aún hoy tal parece que
todo técnico interesado en suelos debe pasar a modo de etapa de iniciación, por una época
en que se siente obligado a creer que, con suficiente experiencia, es posible deducir las
propiedades mecánicas de los suelos a partir de su distribución granulométrica o
descripción por tamaños; es común, sin embargo, que una no muy dilatada experiencia
haga que tal sueño se desvanezca.
Más aún en esos suelos gruesos, ha de señalarse, según ya se dijo, que el comportamiento
mecánico e hidráulico está principalmente definido por la compacidad de los granos y su
orientación, características que destruye, por la misma manera de realizarse, la prueba de
granulometría, de modo que en sus resultados finales se ha tenido que perder toda huella
de aquellas propiedades tan decisivas. De esto se desprende lo muy deseable que sería
poder hacer una investigación granulométrica con un método tal que respetara la
estructuración inalterada del material; este método, sin embargo, hasta hoy no se ha
encontrado y todo parece indicar que no se podrá desarrollar jamás.
Estos porcentajes retenidos se calculan tanto parciales como acumulados, en cada malla,
ya que con estos últimos se procede a trazar la gráfica de valores de material
(granulometría).
MÉTODO DE ENSAYO ESTÁNDAR PARA MATERIAL MÁS FINO QUE LA MALLA Nº 200 (75
M) EN AGREGADO MINERAL POR LAVADO. (ASTM C 117 – 95.)
Este método de ensayo presenta dos procedimientos, uno usando sólo agua para la
operación de lavado y el otro incluyendo un agente humectante que ayude a separar el
material más fino que la malla de 75 m (N° 200). La norma propone que cuando no se
especifique por qué método ensayar, el procedimiento que deberá ser utilizado es el que
usa solamente agua.
En algunos casos, el material fino está adherido a las partículas grandes, tal como algunos
revestimientos de arcillas y de revestimientos en agregados que han sido extraídos de
mezclas bituminosas. En estos casos, el material más fino será separado más rápidamente
con un agente humectante en el agua.
Este método de ensayo es propuesto debido a que el material más fino que 75 m puede
ser separado de las partículas gruesas mucho más eficiente y completamente por
tamizado húmedo que a través por tamizado en seco. Por tal razón, cuando se necesitan
determinaciones precisas de material más fino que la malla de 75 m en agregado fino o
grueso, este método es usado en la muestra previamente al tamizado en seco (norma
ASTM C 136).
El resultado de este método de ensayo es incluido en los cálculos del análisis por tamizado
de agregados gruesos y fino (ASTM C 136), y la cantidad total de material más fino que la
malla de 75 m por lavado, más la obtenida por tamizado en seco de la misma muestra,
se reportan con los resultados obtenido con el método de ensayo C 136. Usualmente, la
cantidad de material adicional más fino de 75 m obtenido en el proceso de tamizado en
seco, es una cantidad pequeña. Si fuera grande, la eficiencia de la operación de lavado
puede ser verificada. Esto puede ser también una indicación de degradación del agregado.
Para el ensayo se deberá escoger una muestra de material en función del tamaño máximo
nominal de sus partículas según la siguiente tabla:
En el ensayo se lava una muestra de agregado de una manera prescrita, usando agua o
agua conteniendo un agente humectante especificado. El agua de lavado decantada
conteniendo material disuelto y suspendido, es pasada a través de la malla Nº 200. La
pérdida en masa resultante del tratamiento de lavado se calcula como el porcentaje de
masa de la muestra original y se reporta como el porcentaje de material más fino que las
malla de 75 m por lavado.
El ensayo trata básicamente de separar una muestra de agregado seco de masa conocida,
a través de una serie de tamices de aberturas progresivamente menores, con el objeto de
determinar los tamaños de las partículas.
Cu = D60
D10
Un valor grande de Cu indica que los diámetros D60 y D10 difieren en tamaño apreciable.
También existe otro parámetro y es el coeficiente de concavidad (Cc), el cual es una
medida de la forma de la curva entre D60 y el D10 y se define:
Cc = D30
D10 x D60
Otro indicador importante es el Modulo de finura, que describe los tamaños de los
agregados finos (arenas).
a) En primer lugar sirve de un relleno, que se acomoda dentro de los intersticios de los
agregados gruesos.
b) En segundo lugar sirve como lubricante para el agregado grueso, ya que la proporciona
una serie de rodillos para mejorar la manejabilidad de la masa de concreto.
El módulo de finura, es otra medida del grosor o tamaño. Para agregado fino se puede
definir como un índice de su valor lubricante en la mezcla. Este índice describe la
proporción de finos y gruesos que se tienen en las partículas que los constituyen.
El cálculo del módulo de finura (MF) de una arena se realiza sumando los porcentajes
retenidos acumulados por las mallas N° 4, 8, 16, 30, 50 y 100, y dividiendo esta suma entre
100.
1. EQUIPO Y MATERIALES
1.2 Dos probetas de 1000 cm3 cada una, una de ellas únicamente con marca de aforo y
sin vertedero.
1.5 Cronógrafo
1.7 Desecador
1.7 Varios: espátula, gotero o pipeta, regla graduada en cm, vernier, piceta, agua
estilada, cápsula de 100 cm3, cápsula de 400 cm3, toallas de papel, agente defloculante.
2. PROCEDIMIENTO
2.2 Para esta calibración se preparan soluciones de una sal soluble (sal de mesa), de
concentraciones conocidas y se observan las lecturas del hidrómetro en cada una de las
soluciones. Se pueden utilizar soluciones de 20, 30 y 40 gr de sal por cada 1000 cm3 de
solución. Es suficiente con preparar 500 cm3 de solución con cada una de las
concentraciones indicadas para fines de calibración.
2.3 Se verifica el volumen de un matraz aforado de 500 cm3, llenándolo hasta la marca
de aforo con agua destilada y pesándolo en la balanza con capacidad de 800 gr. El
volumen se obtiene dividiendo el peso del agua en el matraz entre el peso específico del
agua, a la temperatura a que se realice la determinación. Se calculan las densidades de
las tres soluciones y se transfieren a tres probetas de 500 cm3 para llevar a cabo la
calibración.
2.4 Se introduce el hidrómetro en cada una de las probetas conteniendo las soluciones
de concentración conocida, y se registran las lecturas observadas bajo menisco. En caso
de que la temperatura de las tres soluciones difiera de la temperatura del agua con la
que originalmente se determinó el volumen del matraz, deberá hacerse una corrección
por temperatura.
2.5 Durante los dos primeros minutos de la prueba el hidrómetro permanece dentro de
la suspensión de suelo que se está sedimentando. En este lapso, la altura real de caída
de las partículas de suelo Hr se mide a partir de la superficie de la suspensión hasta el
centro de flotación del hidrómetro. Para cada lectura R’H, esta altura de caída se obtiene
calibrando el hidrómetro de antemano de la manera siguiente.
2.6 Mida la distancia H1 del cuello del bulbo del hidrómetro hasta las principales marcas
de calibración (10 gr, 20, 30, 40, 50, y 60 gr/lt) en el vástago del hidrómetro (o bien
1.000, 1.005, 1.010, etc.). Use un compás de puntas para esta operación.
2.7 Mida la distancia h del cuello a la punta del bulbo del hidrómetro (usar un calibrador
para este fin).
2.8 Determine la altura de caída verdadera H´r, correspondiente a cada una de las
principales marcas de calibración (R’H), usando la expresión siguiente:
b) Calcule el volumen V del bulbo del hidrómetro, suponiendo que la densidad del
hidrómetro es unitaria y que el volumen del vástago es despreciable.
c) Para calcular el valor de A, mida la distancia entre dos graduaciones (por ejemplo 400
y 900 cm3) de la probeta Bouyoucos de 1000 cm3 de capacidad que se va a utilizar para
el análisis por hidrómetro. El valor de A será igual a la diferencia de volúmenes dividida
entre la distancia involucrada.
3. CORRECCIONES
a) Llene de agua destilada dos probetas de 1000 cm3 de capacidad. Lleve una de las
probetas hasta una temperatura de 10oC, y la otra a 30oC, cuidando que dicha
temperatura sea uniforme en toda la masa de agua.
b) Se toman lecturas del hidrómetro, correspondientes al plano de la superficie del agua,
para variaciones de temperatura de 0.5oC, hasta que las dos probetas alcancen la
temperatura ambiente.
c) Se lleva un registro de la temperatura de prueba y lecturas del hidrómetro. Esta
corrección es positiva para temperaturas mayores de 20oC o negativa en caso contrario.
Vacíe una cierta cantidad de agua destilada en una probeta de 1000 cm3 de capacidad y
agregue la cantidad de defloculante que vaya emplearse en el análisis con hidrómetro.
En seguida adicione agua destilada hasta la marca de 1000 cm3, y agite la solución para
que se uniformice. Tome una lectura con el hidrómetro en esta solución. La lectura del
hidrómetro en agua destilada menos la lectura en la mezcla agua-defloculante es igual
a la corrección buscada. Esta corrección es negativa.
4.1) Pese una cantidad de suelo húmedo (en el caso de suelos cohesivos no se debe
secar el material previamente, ya sea al aire o al horno) que contenga aproximadamente
50 gr de sólidos.
4.2) Agregue en 300 cm3 de agua destilada la cantidad total de defloculante que se
empleará en la suspensión de 1000 cm3.
4.3) Adicione un poco de esta solución al suelo y mezcle con una espátula hasta obtener
la consistencia de una pasta fluida.
4.6) Transfiera la suspensión suelo-agua a una probeta de 1000 cm3 (escurra con la
piceta el suelo que se adhiera al vaso de la mezcladora) y agregue suficiente agua
destilada hasta alcanzar la marca de 1000 cm3.
4.8) Cierre la boca de la probeta con la mano y agite vigorosamente por un período
mínimo de un minuto, haciéndola girar 180o en un plano vertical.
4.12) Repítanse los pasos (5.8) a (5.11) hasta que se obtenga un juego consistente de
lecturas para los 2 primeros minutos.
4.13) Reinicie la prueba como se indica en los puntos (5.8) y (5.9) e inserte el hidrómetro
únicamente para realizar la lectura de 2 min. Retire el hidrómetro posteriormente.
4.14) Inserte nuevamente el hidrómetro 5 seg antes de realizar las lecturas a los tiempos
de 4, 15, 30 min 1 h, 2, 4, 8, y posteriormente una o dos veces al día. No es conveniente
prolongar la prueba del hidrómetro por más de 24 h, ya que para tamaños de partículas
inferiores a 0.5 micras, el fenómeno de sedimentación se ve grandemente influenciado
por el movimiento Browniano.
4.15) Cuando no se estén haciendo lecturas con el hidrómetro, éste deberá permanecer
inmergido en una probeta llena de agua limpia. Antes de inmergir el hidrómetro en la
suspensión suelo-agua, deberá limpiarse el vástago cuidadosamente con un papel
absorbente. Mantenga tapadas ambas probetas para evitar evaporación y depósito de
polvo.
5. CALCULOS
El valor de K puede ser evaluado por separado, tal como se muestra en la tabla anexa,
con lo cual se facilita la determinación de los valores de D.
6. POSIBLES ERRORES
6.6 Vástago del hidrómetro húmedo arriba de la superficie de la suspensión (el agua
arriba de la superficie aumenta el peso del hidrómetro y lo hace que se hunda más).
(i).- Etapa inicial, en la cual solo tiene lugar un pequeño aumento de la consistencia
al incrementar el contenido de humedad.
(ii).- Una etapa intermedia, en la cual tiene lugar un repentino aumento de la
consistencia.
(ii).- Una etapa final, la cual la consistencia disminuye bruscamente.
En la primera etapa las películas de agua, de espesor variable, rodean a las partículas o
grupos de partículas de arcilla, produciendo un efecto macroscópico semejante a la
granulación.
En la segunda etapa, el agua libre ocupa los intersticios existentes entre las partículas
de arcilla dando lugar a fuerzas de atracción capilares debidas a la tensión superficial del
agua, que cohesionan el sistema particulado produciendo un aumento de la consistencia
que alcanza rápidamente un máximo.
Las arcillas grasas son las que poseen una gran plasticidad, incluso para pequeñas
humedades. Presentan en su constitución una gran concentración de minerales arcillosos y
una baja concentración en arenas silíceas. Se moldean con facilidad, pero su gran adherencia
impide el desmolde correcto del producto moldeado. Son untuosas al tacto.
Por su parte, las arcillas magras son las poseen una baja plasticidad. Son quebradizas y
arenosas. Esta plasticidad se puede aumentar con hidróxido, carbonato o silicato sódico, con
cal, oxalato y humus. La misma se puede reducir con la utilización de desgrasantes.
Una pasta presenta comportamiento plástico, desde que puede considerarse deformable con el
procedimiento utilizado hasta que presenta una resistencia a la compresión inferior
a 0.03 kgf/cm2, momento en el que se considera que adquiere las propiedades de un
líquido viscoso. Esta resistencia a la compresión coincide con la que presentan las pastas
elaboradas con la cantidad de agua correspondiente al límite líquido de Atterberg.
A. LÍMITES DE ATTERBERG
Según Atterberg una arcilla es más plástica cuanto más separados están su límite
plástico (Tanto por ciento de agua mínimo que hace que sea moldeable una pasta cerámica)
y su límite liquido (porcentaje de agua añadida a la pasta que hace que ésta no tenga la
suficiente resistencia mecánica para ser moldeable).
Para el estudio del problema se considera una pasta de agua y arcilla que se seca
progresivamente, pasando del estado líquido al plástico y finalmente al sólido. Es fácil
intuir que existirán unos puntos en los que se pasa de un estado a otro, al menos
en teoría, es decir, límites de cada estado. Estos son los definidos por Atterberg
como límite líquido (LL) y limite plástico (LP). (Figura 4.4.2).
EL limite líquido (LL) es el punto de paso del estado líquido al plástico y se mide por la
cantidad de agua que contiene el material en el momento en que se pierde la fluidez de
un líquido denso.
EL limite plástico (LP) es el punto en el que se pasa del estado plástico al semisólido, y
se mide por la cantidad de agua que contiene un material en el momento en que
se pierde la plasticidad y deja de ser moldeable.
Atterberg definió un tercer limite a partir del cual las pérdidas de agua no afectan
dimensionalmente al sólido: es el límite de contracción que como los anteriores se mide por la
cantidad de agua que contiene la pasta al alcanzar el estado que cesa la disminución de
volumen que acompaña a la desecación.
El conocer los límites de Atterberg de una arcilla no indica cual es el agua óptima de amasado,
pero si señala los límites entre los que se debe buscar; no aclara nada acerca de la calidad de las
barbotinas que se pueden obtener, pero sí permite compararlas desde el punto de vista
de la plasticidad y mantener un control de calidad que puede aplicarse de igual modo a
las materias primas plásticas.
1. Límite Líquido
Se continúa la operación hasta que las paredes del surco se unan por su fondo en una
longitud de 13 mm. Si esto ocurre después de dar exactamente 25 vueltas a la
manivela, la arcilla tiene un contenido de humedad correspondiente al límite líquido.
Sin embargo no será lo normal que la humedad corresponda a la del límite líquido. Se
hacen dos ensayos y se determinan sus correspondientes humedades en tantos por
ciento, tomando la arcilla próxima a las paredes del surco, en la parte donde se cerró.
Para que el ensayo sea válido el número de golpes debe estar comprendido entre 15 y
35. Se ha de obtener una determinación entre 15 y 25 golpes y otra entre 25 y 35. Si
después de varias determinaciones, el número de golpes requerido para cerrar el
surco fuese siempre inferior a 25 es que no se puede determinar el límite líquido
y se debe anotar dicha arcilla como no plástica.
Los resultados de estos dos ensayos (Puntos P1 y P2) se llevan a un gráfico de doble
escala logarítmica (Figura 4.4.5), en la cual se representa en abscisas un número de
golpes o vueltas de la manivela y en ordenadas la humedad en tantos por ciento.
En la parte inferior del gráfico hay una recta de puntos cuya pendiente es de - 0.117,
obtenida tras numerosas determinaciones, de las que se ha deducido que para la misma
arcilla, los puntos correspondientes a distintos grados de humedad forman una recta
cuya pendiente más probable es ésta.
Para determinar el límite, líquido se representa sobre el gráfico los resultados de los dos
ensayos realizados y posteriormente se traza una recta de pendiente - 0.117,
paralela a la de trazos, que equidiste de dos puntos representados.
El ensayo se realiza con la fracción de arcilla que pasa por el tamiz de abertura 400 µm,
con un contenido de humedad algo superior al límite plástico. Con esta humedad será
posible formar fácilmente una bola con la arcilla sin que se resquebraje.
A continuación se toman unos 8 gramos de dicha arcilla, se forman con ella una
especie de elipsoide, y se rueda entre la palma de la mano y una superficie lisa
que no absorba mucha humedad, hasta llegar a un diámetro de 3 mm. Si al llegar
a éste diámetro no ha cuarteado el cilindro de modo que quede dividido en trozos
de unos 6 mm de longitud como media, se vuelve a formar el elipsoide con
menor cantidad de humedad y a rodar hasta llegar a dicho tipo de resquebrajamiento.
La arcilla se encontrará en su límite plástico cuando se cuartee a los 3 mm de diámetro.
B. DIAGRAMA DE CASAGRANDE
La recta de 45° es el límite entre los puntos que corresponden a materiales reales, por debajo y
los puntos que representan materias primas imaginarias, por encima. Este hecho es lógico, ya
que en los puntos situados por encima de IP = LL, el límite plástico es negativo, lo que es
absurdo.
La tercera recta de ecuación IP = 0.73 (LL - 20) tiene una gran importancia empírica, pues separa
las arcillas puras, sobre ella, de las que contienen algún tipo de coloide orgánico, que
están situadas por puntos por debajo de la recta.
La recta vertical que pasa por el punto LL = 5O es una línea convencional que separa
las arcillas de alta plasticidad a la derecha de las de media y baja plasticidad, a la
izquierda.
La zona de propiedades óptimas de las pastas arcillosas para extrusión puede verse en
la figura 4.4.8.
En primer lugar se ha estudiado el efecto de la adición de una arena silícea, en la tabla 4.4.1 se
detallan las distribuciones granulométricas ensayadas.