Método del Hidrómetra: Fundamento Teórico.

El principal objetivo del análisis de hidrómetro es obtener el porcentaje de arcilla ( porcentaje mas fino que 0.002 mm) ya que la curva de distribución granolométrica cuando más de 12 % del material pasa a través del tamiz No. 200 no es utilizada con criterio dentro de ningún sistema de clasificación de suelos y no existe ningún tipo de conducta particular que dependa intrínsecamente de la forma de dicha curva. La conducta de la fracción de suelo cohesivo del suelo depende principalmente del tipo y porcentaje de arcilla de suelo presente, de su historia geológica y del contenido de humedad mas que de la distribución misma de los tamaños de la partícula.
El análisis de hidrómetro utiliza la relación de caída de esferas en un fluido, el diámetro de la esfera, el peso específico tanto de la esfera como del fluido, y la viscosidad del fluido, en la forma expresada por el físico Inglés G. G. Stokes en la ecuación conocida como l ley de Stokes:

V = 2
gs - gu (D/2)²
9h
V = velocidad de caída de la esfera, cm/s
gs = peso específico de la esfera ( peso específico = densidad x g = masa/ unidad de volumen x gravedad = g/cm³ )
gf= peso específico de fluido.
h = viscosidad absoluta, o dinámica del fluido, dinas x segundo sobre cm²
D = diámetro de la esfera, cm
g = 980.7 cm/s²
1 g = 980.7 dinas
Al resolver la ecuación para D utilizando el peso específico del agua, se obtiene:
D = 18hV cm
gs - g´w
El rango de los diámetros D de partículas de suelo paro los cuales sta ecuación es válida, es aproximadamente
0.0002 mm £ D £ 0.2 mm
pues los granos mayores causan turbulencia en el fluido y los granos menores están sujetos a movimientos de tipo Browniano( fuerza de atracción y repulsión)
Obviamente para resolver la ecuación es necesario obtener el termino de la velocidad V, conocer los valores correctos de gs y g´w y tener acceso a la tabla de viscosidad del agua.
Como el peso específico y la viscosidad del agua varían con la temperatura es necesario tener en cuenta esta variable.
Para obtener la velocidad de caída del las partícula se utiliza el hidrómetro. Este aparato se desarrolló originariamente para determinar la gravedad especifica de una solución, pero alterando su escala se puede utilizar para leer otros valores.
Al mezclar una cantidad de agua y un pequeño contenido de un agente dispersante para formar una solución de 1000 cm³, se obtiene una solución con una gravedad especifica ligeramente mayor que 1.0.
El agente dispersante o defloculante se añade ala solución para neutralizar las cargas sobre las partículas mas pequeñas de suelo, que a menudo tienen carga negativa. Con orientación adecuada estos granos cargados eléctricamente se atraen entre sí con fuerza suficiente para permanecer unidos, creando así unidades mayores que funcionen como partículas.
De acuerdo con la ley de Stokes, estas las partículas mayores sedimentarán más rápidamente a través de fluido que las aisladas.
El Hidrómetro mas usado comúnmente es el 152H y esta calibrado para leer g de suelo de un valor de Gs =2.65 en 1000 cm³ de suspensión siempre que no haya mas de 60 g de suelo en la solución.
La lectura esta directamente relacionada con la gravedad especifica de la solución.
El hidrómetro determina la gravedad especifica de la suspención agua – suelo en el centro del bulbo. Todas las partículas de mayor tamaño que se encuentran aún en la suspención en la zona mostrada como L (distancia entre el centro del volumen del bulbo y la superficie del agua) habrá ciado por debajo de la profundidad del centro del volumen del hidrómetro. Además como el hidrómetro tiene peso constante a medida que disminuye la gravedad especifica de la suspensión, el hidrómetro se hundirá mas adentro de la suspensión (aumentando así la distancia L). Es preciso recordar también que la gravedad especifica del agua decrece a medida que la temperatura aumenta de 4°C. Esto ocasiona adicionalmente un hundimiento mayor de hidrómetro.
Como L representa la distancia de caída de las partículas en un tiempo dado t, y las velocidad se puede definir como la distancia dividida por el tiempo , es evidente que la velocidad de caída de las partículas es:
V = L/t
Por consiguiente es necesario encontrarla profundidad L correspondiente a un tiempo transcurrido t de forma que se pueda determinar la velocidad necesaria para utilizar la ecuación de Stokes.
Para encontrar L es necesario medir L2 y varios valores de la variable L1 utilizando una escala. A continuación utilizar un cilindro de sedimentación de área transversal conocida A
A continuación se puede calcular la longitud L en cm si L1 y L2 están en cm y Vb se encuentran en cm³ , de la siguiente forma:
L = L1 + ½( L2 – Vb/A)
El termino – Vb/A toma en consideración que la suspensión eleva una cantidad Vb/A cuando el hidrómetro se coloca en el cilindro e sedimentación. Así el centro del volumen de desplaza hacia arriba ½ (Vb/A ). Al dibujar una curva lecturas del hidrómetro (las cuales se relacionan con los valores correrspondientes de L1) contra L, se obtiene el valor L para cualquier lectura del hidrómetro R.
Realmente como esta curva es esencialmente lineal, solamente se requieren tres puntos para establecerla.
La lectura de hidrómetro no debe ser corregida en la anterior ecuación.
Si se conoce el diámetro de la partícula y el porcentaje de suelo que aún permanece en suspención -m el cual en este caso es el porcentaje de material más fino- se tiene suficiente información para trazar la curva granulométrica.
El porcentaje mas fino se relaciona directamente de la lectura de hidrómetro 152H ya que la lectura proporciona los gramos de suelo que aún se encuentran en suspención directamente si la gravedad especifica del suelo es de 2.65 g/cm³ y el agua se encuentra a una densidad de 1.00 g/cm³ . El agente dispersaste tendrá algún efecto sobre el agua y, adicionalmente la temperatura del ensayo deberá ser cercana a 20°C y la Gs de los granos del suelo seguramente no es 2.65; por consiguiente se necesita corregir la lectura real del hidrómetro para obtener la lectura correcta de los granos de suelo todavía en suspención en cualquier instante del ensayo.
El efecto de las impurezas en el agua y el agente dispersante sobre las lecturas del hidrómetro se pueden obtener utilizando un cilindro de sedimentación de3 agua de la misma fuente y con la misma cantidad de agente dispersivo que se utilizo al hacer la suspención agua-suelo para obtener la “corrección de cero “. Este cilindro de agua debe tenerse a la misma temperatura a la cual se encuentra la solución de suelo.
Una lectura de menos de cero en el jarro o en el patrón de agua se registra como un valor negativo. Una lectura entre 0 y 60 se registra como un valor positivo. Todas las lecturas se deben tomar desde la parte superior del menisco en ambos cilindros tanto el patrón ( con agua clara) como el que contiene la suspención suelo-agua ( agua turbia)
Es posible obtener una corrección única de temperatura de la tabla a.
Rc = Rreal - corrección de cero + CT
Una vez corregida la lectura del hidrómetro ( sin incluir el hecho que la gravedad especifica de los sólidos puede diferir de 2.65), el porcentaje de material más fino puede calcularse por simple proporción ( si Gs = 2.65) como:
Porcentaje más fino = Rc/Ws x 100

Rc = granos de suelo en suspensión en un tiempo t dado
Ws = peso original de suelo colocado en suspención, g.

Si Gs no es igual a 2.65, es posible calcular una constante a para utilizar en la siguiente ecuación por proporción como sigue:
a = 1 .
Gs/(Gs-1) 2.65/(2.65-1)
Despejando a se tiene:

a = Gs(1.65) .
(Gs – 1) 2.65
El porcentaje más fino cuando Gs ¹ 2.65, se calcula como:

Porcentaje más fino = Rc a / Ws x 100
En la tabla b se dan los valores típicos para a.
Cuando se trata de realizar cálculos, L en cm y t en minutos para obtener D en mm como sigue:




D = 30h L
980 (Gs –Gw) t

Que puede a su vez ser simpolificada




D = K L/t mm
Como todas las variables menos L/t son independientes del problema excepto por la temperatura de la suspensión, es posible evaluar K = f(T, Gs, u) de una sola vez, como se muestra en la tabla C.

Método del hidrómetra.


El principal objetivo del análisis de hidrómetro es obtener el porcentaje de arcilla ( porcentaje mas fino que 0.002 mm) ya que la curva de distribución granolométrica cuando más de 12 % del material pasa a través del tamiz No. 200 no es utilizada con criterio dentro de ningún sistema de clasificación de suelos y no existe ningún tipo de conducta particular que dependa intrínsecamente de la forma de dicha curva. La conducta de la fracción de suelo cohesivo del suelo depende principalmente del tipo y porcentaje de arcilla de suelo presente, de su historia geológica y del contenido de humedad mas que de la distribución misma de los tamaños de la partícula.

ESQUEMA DEL HIDROMETRO Y SUS DATOS
 

PROCEDIMIENTO LIMITE LIQUIDO PLASTICO II.


1. Dividir en varios pedazos o porciones pequeñas la muestra húmeda y homogeneizada.

2. Enrollar el suelo con la mano extendida sobre la placa de vidrio esmerilada, con presión suficiente para moldearlo en forma de cilindro o hilo de diámetro uniforme por la acción de unos 80 a 90 golpes o movimientos de la mano por minuto( un golpe = movimiento hacia delante y hacia atrás ). Cuando el diámetro del hilo o cilindro de suelo llegue a 3 mm se debe romper en pequeños pedazos, y con ello s moldear nuevamente unas bolas o masas de suelo que a su vez vuelvan a enrrollarse. El proceso de hacer bolas o masas de suelo y enrrollarse debe continuarse hasta cuando el hilo o cilindro de suelo se rompa bajo la presión de enrrollamiento y no permita que se enrrolle adicionalmente.
Si el cilindro se desmorona a un diámetro superior a 3 mm, esta condición es satisfactoria para definir el límite plástico si el cilindro se había enrrollado con anterioridad hasta mas o menos 3 mm.

La falla del cilindro se pude definir de la siguiente forma:
 
a. Simplemente por separación en pequeños trozos.
b. Por desprendimiento de escamas de forma tubular.
c. Pedacitos sólidos en forma de barril de 6 mm a 8 mm de largo (arcillas altamente plásticas)

3. Esta secuencia deberá ser repetida hasta lograr tener una buena cantidad de material y pueda
ser dividido en dos.
 
4. Se recolectan los rollos en dos recipientes para humedad ya pesados y se pesa nuevamente el conjunto recipiente suelo húmedo.
 
5. Luego se colocan los dos conjuntos en el horno a 110°C para secarlos durante 18 horas o hasta peso constante.
 
6. Se pesan los conjuntos recipiente suelo seco.
 
7. Se calcula las humildades correspondientes y se promedia los resultados obtenidos para lograr un solo valor de humedad que correspondería al Límite Plástico.

PROCEDIMIENTO LIMITE LIQUIDO PLASTICO.

1. Cada grupo de estudiantes deberá pulverizar una cantidad de material seca al aire de aproximadamente 1 kg y pasarla por la malla No. 40 para obtener una muestra representativa de unos 250 gr aproximadamente.

2. A continuación se deberá verificar la altura de caída de la cazuela 1 cm con el extremo cubico del ranurador.

3. Colocar los 250 gr. de suelo pasante malla No. 40 sobre el vidrio esmerilado y añadir una pequeña cantidad de agua y mezclar con ayuda de una espátula hasta cuando el color sea uniforme en toda la mezcla y conseguir que esta sea homogénea. La consistencia de la pasta debe ser pegajosa .

4. Se coloca una pequeña cantidad de pasta en la cazuela y se alisa la superficie. Posterior a la alisada de la superficie se pasa el ranurador por el centro de la cazuela para cortar la ranura en la pasta de suelo esta debe apreciarse claramente y que separe completamente la masa del suelo en dos partes. La mayor profundidad del suelo en la pasta deberá ser aproximadamente la altura de la cabeza del ranurador ASTM si se utiliza la herramienta Casagrande, se debe mantener firmemente perpendicular a la tangente instantánea a la superficie de la cazuela y la herramienta, de forma que la profundidad de la ranura sea homogénea en toda su longitud.

5. Poner en movimiento la cazuela con ayuda de su manivela y suministrar los golpes que sean necesarios para cerrar la ranura en 12.7 mm cuando esto suceda registrar la cantidad de golpes y transferir una porción de la pasta de suelo a un recipiente para humedad previamente pesado y pesar nuevamente el conjunto recipiente suelo húmedo para posteriormente llevar al horno y secar. Este proceso se repite nuevamente con tres muestras mas para lograr cuatro puntos cada punto deberá ser registrado en los siguientes rangos de golpes así inicialmente de 40 a 30 golpes, seguidamente de 25 a 30 golpes aproximadamente , sucesivamente de 20 a 25 golpes y finalmente de 20 a 15 golpes.

6. Llevar los cuatro conjuntos de recipiente suelo húmedo resultantes al horno a 110°C durante18 horas o hasta peso constante, para secar.

7. Posteriormente pesar los conjuntos recipiente suelo seco y calcular las humedades correspondientes.

8. Todas las pesadas deben ser realizadas con precisión de 0.01 gr.
Es evidente que el método descrito anteriormente garantiza una mejor mezcla de suelo. Es más fácil agregar agua que secar.

Equipo para la determinación del contenido de humedad – Muestreo.


Barreno manual de 5 cm o 7.6 cm de diámetro, con varillas de extensión que permitan bajar por lo
menos a 4 metros de profundidad.
Bolsas plásticas.
Latas para humedad.
Cinta métrica.
Balanza con 0.01 gr de precisión.
Horno eléctrico.
Tubos Shelvy de pared delgada de 2 pulgadas de diámetro.
Extractor de muestras horizontal.
Barreno con extensiones, Tubos Shelby,

Extractor Horizontal de muestras 


Balanzas electrónicas


Horno eléctrico


Exploración, Muestreo en el campo y determinación del contenido de humedad.


Cálculos contenido de humedad 

W = % de humedad
Ww = peso de agua
Ws = peso de sólidos

W = Ww/Ws x 100

Ww diferencia de peso entre los conjuntos de (recipiente mas suelo humedo) menos (recipiente mas suelo seco)
Ws diferencia de peso entre ( recipiente mas suelo seco) menos (recipiente)