Gravedad específica(ASTM D854) Marcela. Gaviria - Catalina. Ospina Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín Viernes, 21 de agosto de 2015 1. Introducción La gravedad específica es la relación que tiene la densidad de una sustancia o sólido con la densidad del agua. El objetivo principal del laboratorio es determinar la gravedad específica de una muestra de suelo, teniendo sus relaciones volumétricas y gravimétricas; para lo cual se vierten una muestra de 100gr de suelo en un picnómetro al cual le conocemos sus calibraciones, y se llena una parte de agua, la suficiente para que hierva alrededor de quince minutos, lo cual va a permitir que el gas o aire que haya dentro del picnómetro salga, y así tener una muestra de agua suelo-para proceder a tomar los diferentes pesos y medidas. El proceso se repite en varias ocasiones, para así sacar un promedio y obtener un mejor resultado. 2. Marco teórico Para Juárez Badillo, por suelo se entiende todo tipo de material terroso, desde un relleno de desperdicio, hasta areniscas parcialmente cementadas o lutitas suaves (se excluyen las rocas sanas, ígneas o metamórficas y los depósitos sedimentarios altamente cementados, que no se ablanden o desintegren rápidamente por acción de la intemperie). Se considera al suelo un sistema disperso, constituido por las tres fases: La fase sólida, formada por las partículas del suelo en sí; la fase líquida, el agua, que puede estar contenida en los poros o en la superficie de las partículas; y la fase gaseosa, o sea el aire, que también puede encontrarse en los poros interiores (no comunicados con el exterior) de las partículas. La actuación de estas fases formando sistemas: sólido-líquido-aire; sólido-líquido; sólido-aire, confieren al conjunto “suelo” sus distintas propiedades. El agua contenida juega un papel tan fundamental en el comportamiento mecánico del suelo, que debe considerarse como parte integral del mismo. La gravedad específica es la relación entre la masa de un cierto volumen de sólidos a una temperatura dada y la masa del mismo volumen de agua destilada y libre de gas a la misma temperatura. (Cruz, Lucio). Dependiendo el tipo de suelo, se tienen determinados ciertos valores de gravedad específica los cuales se pueden apreciar en la Tabla 1 (Ver anexos). El valor de la gravedad específica es necesario para calcular la relación de vacíos de un suelo Figura 1, Tabla 2 (Ver anexos), se utiliza también en el análisis de granulometría por hidrómetro y es útil para predecir el peso unitario del suelo. En realidad no es muy útil para anticipar algo sobre el comportamiento de un suelo ya que suele variar en un rango muy estrecho. Ocasionalmente, el valor de la gravedad específica puede utilizarse para la clasificación de los minerales del suelo, ya que la presencia de minerales muy pesados o muy livianos puede hacer que sea mucho más alta o mucho más baja que los valores típicos. 3. Procedimiento (Materiales y métodos) Para la realización de la práctica de laboratorio se utilizaron elementos como la balanza, cuchara, embudo, picnómetros (cantidad dependiente del número de ensayos a realizar), bomba de vacío (en su defecto fogón), horno, suelo seco (masa 100 gr), agua destilada, gotero, glicerina, termómetro, recipientes, pie de rey. Figura 2 (Ver anexos). El procedimiento seguido en la práctica experimental parte de: (*) (I) (II) La obtención de un picnómetro seco y limpio en su interior y exterior. Llenar con cuidado el picnómetro con agua corriente y sin aíre, 2/3 partes. Para esto se recomienda usar un gotero, para evitar que entre aíre al picnómetro y no se afecte en gran medida el ensayo. (III) Pesar el frasco con agua hasta el menisco. Figura 3(Ver anexos) (IV) Introducir el termómetro en el picnómetro con agua para determinar su temperatura. Figura 4 (Ver anexos) (V) Pesar 100 gramos de suelo preferiblemente granular seco. Figura 5 (Ver anexos) (VI) Introducir por medio de un embudo el suelo al picnómetro con agua. Figura 6 (Ver anexos) (VII) Llenar con cuidado el picnómetro con agua corriente y sin aíre, 500 ml (menisco). Para esto se recomienda usar un gotero, para evitar que entre aíre al picnómetro y no se afecte en gran medida el ensayo. Figura 7 (Ver anexos) (VIII) Sacar el aíre del picnómetro. En este caso se usó un fogón. El procedimiento seguido por esté fue hervir la mezcla por 15 minutos para sacar el aíre del interior del recipiente. (IX) Agregar agua corriente al picnómetro hasta que supere la marca del menisco. (X) Determinar la masa combinada del picnómetro, el suelo y el agua. (XI) Repetir el proceso con varios recipientes para disminuir el porcentaje de error. (**) (I) (II) (III) (IV) (V) (VI) Usando un cilindro de suelo húmedo, se procede a medir tres veces su altura, su diámetro, para conocer finalmente el volumen del mismo. Pesar la muestra húmeda en la balanza Introducir la muestra en el horno durante 24 horas (para secarla) a una temperatura de 115°C. Pesar la muestra después del secado. Con los datos obtenidos determinar la relación de vacíos, porosidad, saturación, humedad, densidad seca. Tabla 2, Ecuaciones (Ver anexos) Con los resultados obtenidos se calcula la gravedad específica en cada caso, para finalmente obtener un promedio entre estas y disminuir el porcentaje de error de la práctica. 4. Observaciones En la práctica de laboratorio realizada se determinaron algunos valores estándar, debido a la calibración de los instrumentos y equipos de laboratorio. Entre estos valores establecidos se encuentra el volumen de los tres picnómetros utilizados para la práctica, sus pesos respectivamente son de 499, 483 cm3, 499,170 cm3 y 499, 303 cm3; de igual manera la masa de los picnómetros con el agua (Mbw) son respectivamente 652, 016 gr, 667,960 gr y 653, 650 gr. En el proceso, se determinó también la densidad el agua tomada en esta muestra a 23°C, la cual es de o.99754 g/cm3. Al momento de pesar los 100 gr de suelo seco para realizar la práctica se optó por tarar el recipiente que se iba a utilizar. Cabe aclarar que en el momento en que se estaba extrayendo el aíre del picnómetro 3, la muestra de suelo salió del picnómetro por lo que se alteró el proceso y se optó por no tener en cuenta los datos de este en el proceso experimental. Es decir, que los resultados sólo se basan en los datos del picnómetro 2 y 4. Dentro del proceso se pueden determinar diferentes hechos que pueden evitar garantizar resultados exactos. Al momento de sacar el aíre de los picnómetros utilizados no se utilizó la bomba de vacío, sino el fogón. Esto hace que se aumente el porcentaje de error de los resultados obtenidos. De igual manera, se utilizó agua corriente y según la norma, se debía utilizar agua destilada. Asociado a esto, el porcentaje de error aumentará debido a los instrumentos utilizados como la balanza y el pie de rey. 5. Cálculos Los datos que fueron tomados durante el laboratorio, serán presentados en la siguiente tabla: (Muestra de 100gr de suelo seco). Gravedad especifica Número de ensayo (Picnómetro) 2 3 4 Volumen del frasco a 20° (ml) 499,483 cm^3 449,170 cm^3 499,303 cm^3 Método de remoción de aire Fogón Fogón(La muestra de suelo se salió del picnómetro) Fogón Masa de frasco + agua + suelo = Mbws 720,71 gr X 717,03 gr Temperatura °C 27°C X 27°C Masa frasco + agua = Mbw 652,016 gr 667,960 gr 653,650 gr Masa plato 0,028 kg 0,028 kg 0,028 kg Masa plato + suelo 0,128 kg 0,128 kg 0,128 kg Masa del suelo seco = Ms 0,100 kg 0,100 kg 0,100 kg Mw = Ms + Mbw - Mbws 31,306 gr X 36.62 gr α = ρTρ23°C = 0,99869 X = 0,99869 Gs = αMsMw 3,19 X 2,727 Gs promedio 2,95 Mw2= 100 gr+652,016 gr-720,71 gr=31,306 gr Mw4= 100 gr+ 653,650 gr – 717,03 gr = 36,62 gr α=Densidad del agua a la temperatura medida (Tabla 1-Anexo 1)Densidad del agua a 23°C (Calibración de los picnómetros)= 0,99624grcm´30,99754grcm3=0,99869 Gs2=0,99869100gr31,306gr=3,19 Gs4=0,99869100gr36,62gr=2,727 Gs Promedio=3,19+2,7272=2,95 (Muestra de suelo húmedo) Relaciones volumétricas y gravimétricas Diámetro: 4,949 cm Altura: 10,13 cm Masa húmeda (Wt): 369 gr Masa seca (Ws): 307,2 gr Muestra de suelo húmedo Gravedad específica (Gs): 2,95 Volumen (Vt): 194,86 cm^3 Ww = masa húmeda – masa seca = 369 gr – 307,2 gr = 61,8 gr Ww = Wv = 61,8 gr (Ya que el peso del aire es despreciable) Vs = Masa del solido/( Gravedad específica * Densidad del agua a 4°C)= 307,2 gr/ 2,95gr/cm^3 = 104,13 cm^3 Vv= Volumen total – Volumen de Sólidos = 194,86cm^3 – 104,13cm^3= 90,73 cm^3 Vw= Peso del agua / Densidad del agua a 4 °C = 61,8 cm^3 Relación de vacíos (e) = Volumen de vacios (Vv)/Volumen de sólido (Vs)= 90,73 cm^3 / 104,13 cm^3 = 0,87 Porosidad (n) = (Volumen de vacios (Vv)/Volumen total (Vt))*100= (90,73 cm^3 /194,86 cm^3)*100= 46% Saturación (s) = (Volumen de agua (Vw)/Volumen de vacios (Vv))*100=61,8 cm^3 / 90,73 cm^3)*100 = 68% Humedad (w) = (Peso del agua (Ww)/Peso del sólido (Ws))*100= 61,8gr 369 gr*100=16,7% Densidad húmeda = Masa humeda/Volumen= 369 gr194,86 cm^3=1,893 gr/cm^3 Densidad seca = Masa seca/Volumen= 307,2 gr194,86 cm^3=1,576 gr/cm^3 6. Análisis de resultados Según los resultados obtenidos en la práctica y teniendo en cuenta la inexactitud debido a diferentes procedimientos efectuados durante ésta, es posible determinar que los datos arrojados por el proceso son aceptables. Esto es posible determinarlo, debido a que los rangos de valores de gravedad específica aceptados para la ciudad de Medellín, teniendo en cuenta que afecta la temperatura del lugar, están entre 2.6 y 3.1. El promedio de gravedades específicas obtenidas dan como resultado una Gs de 2,95; los cual nos permite concluir que la práctica se realizó con procesos adecuados, obteniendo un resultado dentro del margen permitido. Preguntas de discusión: 1.¿Cuál es el rango esperado de valores de Gs? Los rangos de la gravedad específica esperada parta los suelos en la ciudad de Medellín son entre 2.6 y 3,1; en la práctica de laboratorio que realizamos nos arrojó como resultado un valor de la gravedad específica de 2,95, lo cual nos dice que la práctica fue realizada en unas condiciones adecuadas, lo cual nos permitió obtener un valor adecuado de lo que se buscaba. 2.¿Cuál es el efecto de la temperatura del agua en la determinación de la gravedad específica? La temperatura del agua en la determinación de la gravedad influye notablemente debido a que dependiendo de la temperatura a la que se encuentre la muestra de suelo se le aplica un factor de corrección, que depende de dicha temperatura; así que no conocerla arrojaría un gran error en el valor final de la gravedad específica 3.¿Por qué se usa el vacío para determinar la gravedad específica de los suelos? La utilización del vacío para determinar la gravedad específica de los suelos, se da porque es necesario que la muestra que se utilice esté libre de aíre, esto con el fin de que no se afecte la muestra por ningún factor externo y los pesos registrados después de la extracción del aíre arrojen valores óptimos para la realización de los cálculos propuestos. 7. Referencias Unicauca. (2012) Origen de los suelos. Recuperado de: ftp://ftp.unicauca.edu.co/Facultades/F IC/IngCivil/Geotecnia/profesor_lucio_cruz/Curso %20Mec%E1nica%20de%20Suelos%20I/Mecanica%20de%20Suelos%20I%20ESLAGE %20(15_16).pdf Juárez, Eulalio. Rico, Alfonso. (2005). Relaciones volumétricas y gravimétricas. Valencia, Yamile. (2015). Definiciones. Gráficos. Velázquez, Alejandro. (2015). Notas de apoyo Laboratorio Mecánica de Suelos y Rocas Unalmed. Grupo de Geotecnia, Facultad de Minas. Gravedad específica de los sólidos en el suelo. Recuperado de: http://www.unalmed.edu.co/~geotecni/GG-07.pdf Unalmed. (2015) Tablas Laboratorio Mecánica de suelos y rocas 8. Anexos Tablas Tabla 1: Rangos de gravedad específica según el tipo de suelo. Tabla 2: Ecuaciones relaciones volumétricas o gravimétricas Tabla 3: Densidad del agua y coeficiente de temperatura Figuras Figura 1: Relaciones volumétricas o gravimétricas Figura 2: Materiales Figura 3: Método para introducir el agua al picnómetro (En nuestro caso se utilizó un gotero) Figura 4: Peso del picnómetro con agua Figura 5: Temperatura del agua Figura 6: Peso del suelo seco Figura 7: Método para introducir el suelo al picnómetro Figura 8: Llenado del picnómetro hasta el menisco