determinaciÓn del contenido de humedad

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN MECÁNICA DE SUELOS I

Laboratorio de Mecánica de Suelos I

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DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD

NORMA UTILIZADA EN EL ENSAYO

NTP 339.127:1998

SUELOS. Método de ensayo para determinar el contenido de humedad de un

suelo.

ASTM 02216-71 (Normas ASTM parte 19)

OBJETIVOS

Determinar el contenido de la humedad total para asegurar la calidad y

uniformidad del suelo.

Conocer el uso del calor, como el medio más apropiado para hacer la

extracción de la humedad en agregados.

Conocer sobre la relación que existe entre la humedad total, la

humedad superficial y la absorción.




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MARCO TEÓRICO

GENERALIDADES

Los suelos pueden tener algún grado de humedad lo cual está directamente

relacionado con la porosidad de las partículas. La porosidad depende a su

vez del tamaño de los poros, su permeabilidad y la cantidad o volumen total

de poros.

Las partículas de suelo pueden pasar por cuatro estados, los cuales se

describen a continuación:

Totalmente seco. Se logra mediante un secado al horno a 110°C hasta

que los suelos tengan un peso constante (generalmente 24 horas).

Parcialmente seco. Se logra mediante exposición al aire libre.

Saturado y Superficialmente seco (SSS). En un estado límite en el que

los suelos tienen todos sus poros llenos de agua pero superficialmente

se encuentran secos. Este estado solo se logra en el laboratorio.

Totalmente Húmedo. Todos los suelos están llenos de agua y además

existe agua libre superficial.

El contenido de humedad en los suelos se puede calcular mediante la

utilización de la siguiente fórmula:

P = [(W – D)/D] * 100

Donde,

P: es el contenido de humedad [%]

W: es la masa inicial de la muestra [g]

D: es la masa de la muestra seca [g]

También existe la Humedad Libre donde esta se refiere a la película

superficial de agua que rodea el suelo; la humedad libre es igual a la

diferencia entre la humedad total y la absorción del suelo, donde la humedad

total es aquella que se define como la cantidad total que posee un suelo.




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EL AGUA DEL SUELO

Se ha calculado que del total de agua dulce que hay en la Tierra la mayor

parte (casi el 80%) se encuentra en forma de hielo, tanto en los polos como

en los glaciares. De la que se encuentra en forma líquida, la inmensa

mayoría (un 20 % del total) se encuentra como agua subterránea en los

acuíferos profundos, lejos del alcance de las raíces de las plantas. Por lo

que sólo queda un 1 % de agua dulce que se considera superficial (en lagos,

ríos, atmósfera,…). De esta cantidad, la mitad se encuentra en los lagos,

mientras que de un 20 a un 40 %, según diversos cálculos, se encontraría en

los suelos (en los primeros metros y al alcance de las plantas). Del resto

del agua superficial un 10% aproximadamente se encontraría en la atmósfera y

sólo un 1 % corriendo por los ríos.

FORMAS DE AGUA EN EL SUELO

Agua de Combinación Química: Forma parte de compuestos químicos, ej.:

limonita. Esta agua no es disponible para las plantas, y es

biológicamente inactiva.

Agua Higroscópica: Agua contenida en los suelos secos al aire, aquella

que está en equilibrio con la humedad ambiente. Inactiva

biológicamente.

Agua Capilar: Agua contenida en los microporos del suelo. Disponible

para las plantas. Biológicamente activa.

Agua Gravitacional (no capilar): Agua contenida en los microporos del

suelo y que drena por la fuerza de gravedad (agua de drenaje). Si su

movimiento es lento, puede ser utilizada por las plantas.




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DEFINICIÓN

La humedad o contenido de humedad de un suelo es la relación, expresada como

porcentaje, del peso de agua en una masa dada de suelo, al peso de las

partículas sólidas.

La determinación de contenido de humedad es un ensayo rutinario de

laboratorio para determinar la cantidad de agua presente en una cantidad

dada de suelo en términos de su peso en seco. Como una definición,

% (1-1 )

, donde es el peso de agua presente en la masa de suelos y es el peso

de los sólidos en el suelo. Podría definirse el contenido de humedad como la

relación del peso de agua presente y el total de peso de la muestra (i. e.,

peso de agua más suelo); sin en embargo, esto daría una cantidad en el

denominador de la fracción que podría depender de la cantidad de agua

presente:

(1-2)

y esto no es deseable pues el contenido de humedad estaría de esa forma

relacionado a una cantidad variable y no a una cantidad constante. Esto

puede verse fácilmente pues aparece en ambos, numerador y denominador de

la fracción: eco (1-2). El contenido de humedad se expresa algunas veces en

función del volumen como

, el cual, luego de una manipulación adecuada, puede reescribirse como

(1-4)

Donde

= volumen de agua presente en la masa del suelo

= volumen de los vacíos del suelo

= volumen de los sólidos del suelo

= contenido de humedad, de la eco (1 -1)




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= densidad seca del suelo (volumétrica)

Esta definición de contenido de humedad es muy raramente usada en los

Estados Unidos.

MUESTRA DE ENSAYO

Para los contenidos de humedad que se determinen en conjunción con algún

otro método ASTM, se empleará la cantidad mínima de espécimen especificada

en dicho método si alguna fuera proporcionada.

La cantidad mínima de espécimen de material húmedo seleccionado como

representativo de la muestra total, si no se toma la muestra total, será de

acuerdo a lo siguiente:

IMPORTANTE:

Se usará no menos de 20 g para que sea representativa.

• Si se usa toda la muestra, ésta no tiene que cumplir los requisitos

mínimos dados en la tabla anterior. En el reporte se indicará que se usó la

muestra completa.

• El uso de un espécimen de ensayo menor que el mínimo indicado en 6.2

requiere discreción, aunque pudiera ser adecuado para los propósitos del

ensayo. En el reporte de resultados deberá anotarse algún espécimen usado

que no haya cumplido con estos requisitos.




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• Cuando se trabaje con una muestra pequeña (menos de 200 g) que contenga

partículas de grava relativamente grandes, no es apropiado incluirlas en la

muestra de ensayo. Sin embargo en el reporte de resultados se mencionará y

anotará el material descartado.

• Para aquellas muestras que consistan íntegramente de roca intacta, el

espécimen mínimo tendrá un peso de 500 g. Porciones de muestra

representativas pueden partirse en partículas más pequeñas, dependiendo del

tamaño de la muestra, del contenedor y la balanza utilizada y para facilitar

el secado a peso constante.

Procedimiento

1. Pesar una cápsula o recipiente de aluminio o latón, incluyendo su tapa.

Identificar y revisar adecuadamente el recipiente. Las cápsulas de humedad

normalmente pueden ser de diferentes tamaños, siendo las más populares las

de 5 cm de diámetro por 3 cm de altura y las de 6.4 cm de diámetro por 4.4

cm de altura.

2. Colocar una muestra representativa de suelo húmedo en la cápsula y

determinar el peso del recipiente más el del suelo húmedo. Si el peso se

determina inmediatamente, no es necesario colocar la tapa. Si se presenta

una demora de 3 a 5 minutos o más, coloque la tapa del recipiente para

mantener la humedad y coloque la cápsula bajo una toalla de papel húmeda que

le permita mantener la humedad en la vecindad del recipiente.

3. Después de pesar la muestra húmeda más el recipiente, remueva la tapa -

es práctica común colocar la tapa debajo del recipiente- y coloque la

muestra en el horno.

4. Cuando la muestra se haya secado hasta mostrar un peso constante,

determine el peso del recipiente más el del suelo seco. Asegúrese de usar la

misma balanza para todas las mediciones de peso.

5. Calcule el contenido de humedad w.

La diferencia entre el peso de suelo húmedo más el del recipiente y el peso

de suelo seco más el del recipiente es el peso del agua que estaba

presente en la muestra. La diferencia entre el peso de suelo seco más el del

recipiente y el peso del recipiente solo es el peso del suelo y

x 100 por ciento (1-1)




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El suelo debe secarse en el horno a una temperatura de 110 ± 5°C hasta

obtener un peso constante; i. e., mientras haya agua presente para evaporar,

el peso continuará disminuyendo en cada determinación que hagamos en la

balanza.

En general, no es muy práctico hacer varias medidas del peso para

determinar si se ha obtenido un estado de peso constante en la muestra; lo

que se hace comúnmente es suponer que después de un período de horneado de

12 a 18 horas (a menudo durante la noche), la muestra se encuentra en estado

de peso constante y dicho peso se registra como el del suelo seco más el del

recipiente. La experiencia indica que este método de secado de muestras es

bastante adecuado para trabajo rutinario de laboratorio sobre muestras

pequeñas.

Es práctica común retirar del horno las muestras para contenido de humedad y

pesarlas inmediatamente (se debe utilizar un par de pinzas o guantes de

asbesto pues se encuentran demasiado calientes). Si por alguna razón no es

factible pesar las muestras secas inmediatamente, es necesario poner la tapa

del recipiente tan pronto se haya enfriado lo suficiente para manipularla

y/o colocar el recipiente de suelo seco en un desecador eléctrico de manera

que el suelo no absorba agua de la atmósfera del laboratorio.

Para lograr una determinación confiable del contenido de humedad de un suelo

se recomienda utilizar la siguiente cantidad mínima de-muestra húmeda

(muestra representativa):

La temperatura de 110°C en el horno es demasiado alta para ciertos suelos

orgánicos (turbas), para suelos con alto contenido calcáreo o de otro

mineral, ciertas arcillas, y algunos suelos tropicales.

Estos suelos contienen agua de hidratación levemente adherida, o agua

molecular, que podría perderse a estos niveles de temperatura) dando como

resultado un cambio en las características del suelo -notable en los límites

de Atterberg lo mismo que en la gradación y en la gravedad específica.

La ASTM sugiere secar estos suelos a una temperatura de 60° C.




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EQUIPO A UTILIZARSE

Horno de secado.- Horno de

secado termostáticamente

controlado, capaz de mantener

una temperatura de 110 ± 5°C.

Balanzas.- De capacidad

conveniente y con las

siguientes aproximaciones: de

0.1 g para muestras de menos

de 200 g de 0. 1 g para

muestras de más de 200 g

Recipientes.- Recipientes

apropiados fabricados de

material resistente a la

corrosión, y al cambio de peso

cuando es sometido a

enfriamiento o calentamiento

continuo, exposición a

materiales de pH variable, y a

limpieza.

Utensilios para manipulación

de recipientes.- Se requiere

el uso de guantes, tenazas o

un sujetador apropiado para

mover y manipular los

recipientes calientes después

de que se hayan secado.

Otros utensilios.- Se requiere

el empleo de cuchillos,

espátulas, cucharas, lona

para cuarteo, divisores de

muestras, etc.




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MÉTODOS UTILIZADOS

El método tradicional de determinación de la humedad del suelo en

laboratorio, es por medio del secado a horno, donde la humedad de un suelo

es la relación expresada en porcentaje entre el peso del agua existente en

una determinada masa de suelo y el peso de las partículas sólidas, o sea:

w = (Ww / Ws) * 100 (%)

donde:

w = contenido de humedad expresado en %

Ww = peso del agua existente en la masa de suelo

Ws = peso de las partículas sólidas

Otros métodos para determinar el contenido de humedad

Método del alcohol metílico.

Consiste en saturar con alcohol metílico una muestra de suelo previamente

pesada y encenderle fuego, obteniendo el secado de la muestra por

combustión. Se repite el ensayo hasta obtener pesos constantes y luego se

determina el contenido de humedad. La limitante es que este método no

entrega buenos resultados en suelos orgánicos.

- Método del Speedy.

Consiste en mezclar una muestra de suelo previamente pesada con carburo de

calcio molido en el interior de una cámara de acero hermética, la cual posee

en su base un manómetro que registra la presión originada por el gas

acetileno, entregando indirectamente la humedad del suelo referida al peso

húmedo de la muestra. La limitante es que este método entrega resultados

falsos en suelos plásticos y además la muestra empleada es de tamaño muy

reducida.

- Método del picnómetro de aire diferencial.

Consiste en introducir en un cilindro calibrado una muestra de suelo

previamente pesada y colocarlo en una prensa del aparato para ejercer sobre

él una presión por medio de una bomba de mercurio, produciendo una expansión

de aire por los vacíos del suelo. De esta forma se obtiene el volumen de




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aire de la muestra mediante una tabla de aforo. Con los datos obtenidos se

calcula la humedad del suelo mediante una fórmula que está en función de la

gravedad específica del suelo y del agua, el volumen de aire y el peso total

de la muestra de suelo.

- Método nuclear.

Se realiza en instrumentos que se basan en las leyes físicas de dispersión

de los neutrones en el suelo. De esta forma indican el valor de la humedad

del suelo en base a la velocidad de dispersión. Una fuente emite neutrones

de alta energía, la que se va perdiendo a medida que estos chocan con los

núcleos pesados del suelo o con los núcleos de átomos de hidrógeno, los que

hacen perder mucha más energía a los neutrones que cuando chocan con átomos

más pesados. Luego, un receptor registra los átomos lentos que dependen del

número de átomos de hidrógeno interceptados, los que se correlacionan con el

contenido de agua.

- Método de la aguja Proctor.

Consiste en determinar la fuerza necesaria de aplicar para introducir una

aguja estandarizada en probetas Proctor compactadas en laboratorio con

diferentes humedades, obteniendo una curva de calibrado de humedad v/s

esfuerzo. Para obtener la humedad en terreno, se determina la resistencia a

la penetración de una muestra de suelo antes de su apisonamiento en el mismo

molde Proctor, leyendo el contenido de humedad en la curva de calibración.

Estado de saturación de un suelo.




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MEMORIA DE CÁLCULO

Fórmula aplicada:

Resultado:

ID Wlat Wlat+sh Wlat+ss Ww Ws w(%)

G6 15.40 45.30 44.40 0.90 29.00 3.10

B8 15.60 48.80 47.70 1.10 32.10 3.43

F3 15.60 49.10 48.00 1.10 32.40 3.40

E4 15.50 45.80 44.70 1.10 29.20 3.77

F7 15.20 41.40 40.90 0.50 25.70 1.95

D3 15.50 45.40 44.60 0.80 29.10 2.75

H1 15.60 52.30 51.50 0.80 35.90 2.23

D8 15.40 44.80 43.30 1.50 27.90 5.38

D1 15.80 42.20 41.50 0.70 25.70 2.72

F6 15.40 43.00 42.00 1.00 26.60 3.76

D5 15.40 46.10 45.20 0.90 29.80 3.02

A5 15.80 41.70 39.50 2.20 23.70 9.28

E7 15.60 50.80 49.90 0.90 34.30 2.62

D6 15.30 58.20 56.80 1.40 41.50 3.37

w(%) Promedio

3.63

x 100 por ciento




12

APLICACIÓN

La importancia del contenido de agua que representa un suelo representa

junto con la cantidad de aire una de las características más importantes

para explicar como el comportamiento de este (especialmente aquellos de

textura más fina) como por ejemplo cambio de volumen, cohesión, estabilidad

mecánica.

El presente informe tiene como finalidad determinar el contenido de humedad

de las muestras de los estratos obtenidos en campo, en general todo el

proceso y los datos registrados en la práctica se encuentran plasmado en las

tablas que se presentan líneas abajo, dichos datos son procesados aplicando

las fórmulas correspondientes aprendidas en clase.

Realizar estos tipos de ensayos nos permite conocer y verificar la calidad

de suelo, conocer los diferentes estratos del suelo de cada zona, región,

ciudad

Para clasificación de suelos, el contenido de humedad de un suelo es un

parámetro muy importante, con la cual lograremos construir un gráfico, muy

conocido como la Carta de Casagrande.




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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

La calidad de un suelo viene condicionada por el valor de sus

propiedades físico mecánicas, si estas están dentro de un rango de

valores permitidos el suelo se comportará adecuadamente ante las

solicitaciones de obra, caso contrario se rechazará su uso o se

propondrá un mejoramiento.

La muestra de suelo ensayada tiene un contenido de humedad

RELATIVAMENTE BAJO igual a 3.63 %

Los recipientes y sus tapas deben ser herméticos a fin de evitar

pérdida de humedad de las muestras antes de la pesada inicial y para

prevenir la absorción de humedad de la atmósfera después del secado y

antes de la pesada final. Se usa un recipiente para cada

determinación.

El cambio de humedad en suelos sin cohesión puede requerir que se

muestree la sección completa el material está estratificado (o se

encuentra más de un tipo de material), se seleccionará un espécimen

promedio, o especímenes individuales, o ambos. Los especímenes deben

ser identificados apropiadamente en formatos, en cuanto a su

ubicación, o lo que ellos representen.

Para prevenir la mezcla de especímenes y la obtención de resultados

incorrectos, todos los contenedores, y tapas si se usan, deberían ser

enumerados y deberían registrarse los números de los contenedores en

los formatos de laboratorio. Los números de las tapas deberían ser

consistentes con los de los contenedores para evitar confusiones.

BIBLIOGRAFÍA

- Manual de laboratorio de suelos en ingeniería civil, Joseph E. Bowles

- Fundamentos de Mecánica de Suelos, Juárez Badillo – Rico Rodríguez

- Fundamentos de Ingeniería Geotécnica, Braja M. Das

determinaciÓn del contenido de humedad

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