DETERMINACIÓN DE LA SUCCIÓN DE UN SUELO CON EL MÉTODO DEL PAPEL DE FILTRO I.N.V. E

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1 DETERMINACIÓN DE LA SUCCIÓN DE UN SUELO CON EL MÉTODO DEL PAPEL DE FILTRO I.N.V. E OBJETO 1.1 Este método de ensayo establece el procedimiento para determinar la succión mátrica (matriz) y potencial total, de muestras inalteradas de suelo, utilizando los papeles de filtro de laboratorio como sensores pasivos. El término potencial o succión describe el estado de energía del agua del suelo, (presión negativa) que ejerce el agua de los poros de un suelo parcialmente saturado. 1.2 Este método de ensayo controla las variables para la medición del contenido de agua del papel filtro que esta en contacto con el suelo o en equilibrio con la presión parcial de vapor de agua en el aire del contenedor hermético, en el que se guarda la muestra de suelo. El papel filtro es guardado con la muestra de suelo en el recipiente hermético hasta que se establezca la humedad de equilibrio; esta se refiere a aquella en la que la presión del vapor de agua en el aire equilibra la presión del agua de los poros en la muestra de suelo. 1.3 Este método de prueba provee el procedimiento de calibración de los diferentes tipos de papel filtro usado en la evaluación de la succión mátrica y del potencial total. 1.4 Los valores se deben expresar en unidades SI. 1.5 Esta norma no considera los problemas de seguridad asociados con su uso. Es responsabilidad de quien la emplee establecer prácticas apropiadas de seguridad y salubridad y determinar la aplicabilidad de limitaciones regulatorias antes de su empleo. 2. DEFINICIONES 2.1 Atmósfera - Una unidad de presión igual a 76 cm de Mercurio o 101 kpa a 0 C. 2.2 Succión matriz o succión mátrica, h m (kpa) Se define como la presión negativa (expresado como un valor positivo), relativa a la presión atmosférica del ambiente, que se debe aplicar a un agua que tiene una composición idéntica al agua del suelo, para que alcance el equilibrio con ésta a través de una membrana porosa permeable. Esta succión mátrica depende de la humedad relativa debida a la diferencia de la presión de aire y la presión del agua a través de la superficie. La humedad relativa o presión de vapor de agua disminuye tal como el radio de curvatura del agua de la superficie decreciente. 2.3 Succión osmótica, succión de soluto, h s (kpa) Se define como la presión negativa (expresada como un valor positivo) a la cual se debe someter el agua

2 químicamente pura (destilada), para que esté en equilibrio, a través de una pared porosa permeable, con el agua del suelo. La humedad relativa decrece a medida que aumenta la presencia de sales disueltas en el agua del suelo 2.4 Total potencial (kpa) La suma del gravitacional, presión, osmótica y potenciales exteriores de gas. El potencial puede ser identificado como succión cuando el gravitacional y los potenciales de exteriores de gas son despreciados. 2.5 Succión total del suelo, h (kpa) El término succión total del suelo se define como la presión negativa (expresado como un valor positivo), con respecto a la presión externa atmosférica, que se debe aplicar al agua químicamente pura que se encuentra en un depós ito, para que alcance el equilibrio con el agua del suelo a través de una membrana semipermeable (permite únicamente el paso de moléculas de agua). La succión total también se expresa como la suma de dos componentes: succión matriz (h m ) y succión osmótica (h s ). 2.6 Humedad relativa del suelo, R h La relación de la presión de vapor del agua de los poros del suelo a la presión de vapor libre en agua pura. La humedad relativa en el suelo es definida como la humedad medida por la prueba ASTM E Presión de vapor de agua libre pura (kpa) Presión de saturación de vapor de agua libre pura a temperatura de secado por calor de bombillo. 2.8 Presión de vapor de agua libre pura en el suelo (kpa) Presión parcial de vapor de agua en equilibrio con la presión de poro del suelo a temperatura de secado por calor de bombillo. 2.9 Mol Masa molecular de una sustancia en los gramos Molaridad Moles/1000 g, número de moles de soluto por cada 1000 g de solvente pf (Unidad de medida) La succión en un suelo introduce presiones negativas (expresadas como valores positivos) que pueden alcanzar valores de miles de atmósferas. Debido a que este intervalo de variación es muy amplio, se acostumbra a utilizar la escala logarítmica para su descripción. También se puede interpretar como el logaritmo en base diez de la altura en centímetros que una columna de agua subirá por acción capilar. La unidad empleada en este caso es el pf, y se define así: donde: 1 pf = log 10 h h = presión negativa expresada en cm de agua. E 159-2

3 3. RESUMEN DEL MÉTODO Se ponen papeles del filtro en un recipiente hermético con un espécimen durante siete días para permitir que la presión del vapor del agua de los poros en el espécimen, la presión del vapor del agua de los poros en el papel del filtro y la presión parcial del vapor del agua en el aire dentro del recipiente alcancen el equilibrio. La masa de los papeles filtro deben ser inmediatamente determinadas después de finalizada la prueba. Con ellas se calculan las humedades alcanzadas por los papeles filtro y la succión del espécimen es encontrada a partir de una relación, previamente calibrada para el tipo de papel del filtro utilizado, entre el contenido de agua del papel de filtro y la succión. 4. USO Y SIGNIFICADO 4.1 La succión del suelo es una medida de la energía libre del agua de los poros en un suelo. La succión en términos prácticos es una medida de la afinidad del suelo para retener agua y puede proporcionar información de parámetros del suelo que son influenciados por el agua en el suelo, por ejemplo, el cambio de volumen, la deformación y los esfuerzos. 4.2 La succión del suelo esta relacionada con el contenido de agua en el mismo, a través de las curvas características de retención de agua. El contenido de agua en el suelo se puede determinar con el método de la norma INV E Las medidas de succión del suelo se pueden usar con otros parámetros medioambientales para evaluar los procesos hidrológicos y para evaluar cambios en los suelos parcialmente saturados de su potencial de expansión o contracción, en sus parámetros de resistencia mecánica, módulos mecánicos y en la permeabilidad. 4.4 El método de papel de filtro es útil para evaluar la succión del suelo de una forma simple y barata dentro de un rango de 10 a kpa (0.1 a 1000 bares). 5. EQUIPO Y MATERIALES 5.1 Papel de filtro Deberá cumplir con la norma ASTM E 832, papel de filtro Tipo II libre de cenizas (materiales nocivos). Se pondrán usar papeles de filtro como el Whatman No.42, Fisherbrand 9-790A, Schleicher y Schuell No. 589 White Ribbon. Los papeles de filtro se presentan comercialmente en forma de círculos, un diámetro conveniente será de 5.5 cm para este ensayo. Nota 1.- Los papeles de filtro pueden ser tratados zambulléndolos individualmente en una solución de formaldehído de una concentración de 2% antes de ser usados para prevenir el crecimiento de organismos o descomposición biológica del papel del filtro. La descomposición biológica del filtro pueda afectar los resultados cuando los papeles del filtro son expuestos a humedad, en un ambiente caluroso por más de 14 días. E 159-3

4 5.2 Recipiente de ensayo De 120 a 240 ml (4 a 8 onzas) de capacidad, de metal o de vidrio, incluyendo su tapa, que garantice que tanto su interior y exterior son resistentes a la corrosión u oxidación, se podrá utilizar cera para retardar este efecto. 5.3 Recipientes para el papel de filtro Se utilizarán cuando se remueva el papel de filtro de la muestra luego de haber alcanzado la succión de equilibrio Alternativa de recipientes metálicos Deberán ser de metal resistente a la oxidación o corrosión (aluminio o acero inoxidable) de una capacidad de 70 ml (2 onzas), con tapa hermética para evitar cualquier pérdida de humedad y que se pueda operar para posteriormente secar el papel del filtro. Los recipientes deberán ser numerados con una estampa permanente metálica, no se aceptará por ningún motivo escribir la numeración con cualquier tipo de marcador o etiquetado, para evitar influencia en cualquier medida de la masa Alternativa de bolsa plástica Bolsa plástica lo suficientemente grande para acomodar los discos de papel filtro (aproximadamente 50 mm de dimensión) con un sello capaz de mantener hermético. 5.4 Caja aislante De aproximadamente 0.03 m 3 de capacidad, aislada con polistireno espumado u otro material capaz de mantener la temperatura dentro de ± 1 C cuando las temperaturas externas varían ± 3 C. 5.5 Balanza Deberá tener una capacidad mínima de 20 g, con una precisión de g. 5.6 Horno Controlado termostaticámente, capaz de mantener uniformemente la temperatura a 110 C ± 5 C. 5.7 Bloque de metal Deberá ser de más de 500 g con una superficie plana con el objetivo de acelerar el enfriamiento de los recipientes de metal que contiene el papel de filtro. 5.8 Termómetro Para determinar la temperatura del suelo, con una exactitud de ± 1 C. 5.9 Desecador Deberá ser un frasco de tamaño conveniente con gel de sílice o sulfato de calcio anhidro. Nota 2. El calcio anhidro se conoce en el comercio con el nombre de Driorita. Nota 3.- Se recomienda usar un desecante que cambia de color, indicando cuando necesita la reconstitución Equipo complementario Pinzas, guantes quirúrgicos, cuchillos, cinta eléctrica adhesiva flexible o cualquier otra que sea impermeable, cortador de papel, O-rings, base o separador de alambre, discos de latón. Las pinzas deberán ser de por lo menos 110 mm de longitud. Los guantes quirúrgicos se utilizaran si se manipulan los papeles de filtro con las manos durante el ensayo. E 159-4

5 6. CALIBRACIÓN 6.1 Se deberá obtener una curva de la calibración aplicable a un filtro específico, siguiendo el procedimiento de la Sección 7, salvo que la muestra de suelo es remplazada con las soluciones de sal en agua destilada como reactivo, tal como soluciones de cloruro de potasio o de cloruro de sodio de molaridad conoc ida Se suspende el papel filtro sobre por lo menos 50 cm 3 de una solución de sal en el recipiente de la muestra, ver Sección 5.2, colocándolo delante de una plataforma improvisada, hecha de material inerte como una tubería de plástico o un enrejado de acero limpio Se calcula la succión del papel del filtro a partir de la humedad relativa del aire sobre la solución con la siguiente expresión: h = RT v ln R h donde: h = succión, R = constante del gas ideal, Julios/mol*k, T = temperatura absoluta, ºK, v = volumen de 100 moles de agua, m³, y R h = humedad relativa, fracción Se pueden usar estándares críticos de tablas para evaluar la humedad relativa de agua en el equilibrio con la solución de sal como se ilustra en la Tabla 1. Para información mas allá de la humedad de equilibrio se debe referir al método de prueba ASTM E 337. Tabla 1. Concentraciones de solución de sal para evaluar la succión del suelo kpa log kpa pf atm R h 20º C g NaCl g KCl 1000 ml de agua 1000 ml de agua E 159-5

6 6.2 Las curvas de calibración típicas para los pape les del filtro (por ejemplo Whatman No.42, Schleicher y Schuell No.589), se muestran en la Figura 1. Estas curvas constan de dos partes, el segmento superior representa la humedad retenida de una película adsorbida de la superficie de las partículas, mientras el segmento más bajo representa la humedad retenida por capilaridad. El punto de inflexión es w f = 45.3% para el papel de filtro Whatman No.42, y w f = 54% para el papel de filtro Schleicher y Schuell No Nota - Coeficiente de determinación r>0.99 Figura 1. Curvas de calibración mojado del papel filtro con respecto a contenido de succión de agua 6.3 Las curvas de calibración mostradas en la Figura 1 son aplicables a la succión total. La variabilidad en los resultados es de menos del 2% sobre 100 kpa. En suelos con succión de más de 20 kpa, la perturbación de la muestra tiene mínima influencia sobre el resultado final. En suelos con succión de menos de 20 kpa, la perturbación de la muestra aumenta la variabilidad de los resultados. 7. PROCEDIMIENTO 7.1 Se secan en el horno los papeles filtro seleccionados para las prueba s al menos 16 horas o por lo menos toda la noche, luego se colocan en el desecador hasta su uso. 7.2 Medición de la succión El procedimiento de ensayo básicamente es el mismo, tanto para medir la succión total como la succión mátrica, la diferencia radica en donde se colocará el papel de filtro. Si el papel de filtro no esta en E 159-6

7 contacto con la muestra se medirá la succión total, la transferencia de humedad se limitará al traslado del vapor a través del aire dentro del recipiente de ensayo. Si el papel de filtro está en contacto físico con la muestra se medirá la succión mátrica, este contacto físico permite la transferencia de fluidos, incluyendo las sales disueltas. Nota 4.- Cuando el suelo no está suficientemente húmedo, no se garantizará un adecuado contacto físico entre el papel del filtro y el suelo, esto puede causar una medida inexacta de la succión mátrica. La succión mátrica puede ser obtenida substrayendo la succión osmótica de la succión total. La succión osmótica se puede determinar midiendo la conductibilidad eléctrica, según la norma ASTM D Colocación del papel filtro Se coloca la muestra de suelo intacta o en fragmentos de muestra de suelo, de 200 a 400 g de masa, en el recipiente de ensayo. La muestra de suelo deberá casi llenar el recipiente de ensayo para reducir el tiempo de equilibrio y para minimizar los cambios de succión en el espécimen Medición de la succión total Se removerán del desecador dos papeles de filtro e inmediatamente se colocarán sobre la muestra, pero con el cuidado especial de separarlos de ésta con una base o separador de alambre, O-rings, o cualquier otro dispositivo con la mínima superficie entre los papeles de filtro y el suelo, de tal ma nera que los papeles de filtro no queden en contacto con la muestra, tal como se indica en la Figura 2. El borde del papel de filtro se podrá doblar para facilitar la extracción posterior con las pinzas. Figura 2. Montaje del ensayo para determinar la succión total Medición de la succión mátrica Se removerán del desecador tres papeles de filtro e inmediatamente se colocarán en contacto físico con la muestra de suelo, tal como se indica en la Figura 3. Los papeles de filtro exteriores, del conjunto de éstos, previenen la contaminación del papel de filtro del centro E 159-7

8 usado para el análisis de la succión mátrica. El papel de filtro central deberá poseer un diámetro entre 3 y 4 mm menor que los exteriores, recortándolo con una tijera u otro método, para garantizar la protección, evitar el contacto directo con el suelo y la contaminación de éste. Figura 3. Montaje del ensayo para determinar la succión mátrica 7.4 Equilibrar la succión Se colocará el recipiente de ensayo sellado. Para garantizar la hermeticidad total, se colocará en la tapa del recipiente del ensayo cinta adhesiva flexible eléctrica o cualquier otra que sea impermeable, en un sitio donde la variación de la temperatura sea menor de 3 C. Una temperatura típica nominal es de 20 C. Se deberán mantener constantes las condiciones de temperatura, por un lapso de 7 días, para permitir el equilibrio entre el suelo, el papel de filtro y el aire. N ota 5. Si los papeles del filtro son puestos con las muestras de suelo durante un tiempo en el campo, los papeles del filtro deben ser secados en horno y por una noche guardados en un recipiente hermético en un desecador para minimizar la humedad en el papel del filtro. La humedad en el papel del filtro expande las fibras antes de la prueba y altera los vacíos lo que puede alterar la curva de calibración del papel filtro. Se debe guardar durante el tiempo que permanezca en el campo en un sitio aislado a la sombra en los días calientes de verano y en área cálida durante los días de invierno. Después del retorno del campo se colocan los recipientes sellados en una caja en un cuarto con temperatura controlada, aproximadamente a 20 C. Nota 6.- El equilibrio de la succión entre el suelo, el papel de filtro y el aire en el recipiente de ensayo sellado, será dependiente de la succión inicial del suelo, la humedad relativa inicial del aire, la masa de la muestra y el espacio en el recipiente. El período de siete días es suficiente para las condiciones normales de los suelos; sin embargo, bajo otras condiciones el equilibrio podrá alcanzarse más rápidamente. La medida de la succión deberá evitar la condensación de agua, si esto ocurre se deberá reducir el rango en el cual pueda variar la temperatura a ± 0.01 C y/o modificar la temperatura de ensayo para que este efecto sea el mínimo posible. 7.5 Se deberá determinar la masa de los recipientes para el papel del filtro, inmediatamente antes de sacar el recipiente de ensayo de la caja aislante. La masa se determina con precisión de g y se le llamará la tara fría (T c ). E 159-8

9 7.6 Al fin del período necesario para equilibrar, se deberá poner cada uno de los dos papeles de filtro, en el caso que se pretenda la determinación de la succión total o el papel de filtro del centro de la pila de tres, en el caso de la determinación de la succión mátrica, en los recipientes para el papel de filtro, previamente pesados, debiéndose manipular los papeles filtro con unas pinzas. Se deberá sellar o tapar todos los recipientes tan rápidamente como sea posible cada vez que se realice la operación de obtener un papel de filtro para asegurar que el aire del ambiente no altera la condición de humedad de éstos ni de la muestra. El proceso completo se debe completar en un tiempo de 3 a 5 segundos. El éxito del ensayo radica en minimizar la pérdida de agua durante la manipulación del papel de filtro. Observaciones han detectado una variación de masa de agua del 5% o más, debido a la evaporación, durante un período de exposición de 5 a 10 segundos del papel de filtro en un ambiente con humedad relativa de 30 a 50% Alternativa de recipiente de metal Se coloca la tapa flojamente en el recipiente de metal (no entreabierto). Se debe tener el cuidado de sellar el recipiente de metal después de cada traslado, es decir, se debe tomar el papel del filtro del recipiente de la muestra y colocar el filtro en el recipiente de metal de masa predeterminada, entonces se sella el recipiente y se repite el procedimiento para el segundo papel filtro. Se deben sellar los recipientes tan rápidamente como sea posible para asegurar que el aire del ambiente no altere la condición de humedad de la muestra de suelo o del papel filtro Alternativa de bolsa plástica Rápidamente se debe transferir el papel filtro a una bolsa plástica de masa inicial predeterminada y se de be sella la bolsa. Se repite el procedimiento para cada uno de los papeles filtro. 7.7 Inmediatamente después se debe determinar la masa de cada uno de los recipientes con los papeles de filtro, con una precisión de g, a esta masa se le llamará M Secado del papel filtro Alternativa de recipiente de metal Se colocará posteriormente en un horno a 110 C ± 5 C, los recipientes con los papeles de filtro, con las tapas ligeramente entreabiertas para permitir el escape de humedad. Los recipientes deben permanecer en el horno por un mínimo de 2 horas. Después de este tiempo, se taparán los recipientes y se dejarán en el horno por 15 minutos más, para permitir que la temperatura se estabilice. Se deberá retirar el recipiente de metal con el papel del filtro del horno y entonces se determinará la masa total seca, la cual se llamará M 2, determinada con una precisión de g. Inmediatamente se desechará el papel del filtro y se volverá a determinar la masa del recipiente para el papel de filtro, a esta masa se le llamará la masa caliente (T h ), y se obtendrá con una precisión de g. Nota 7.- En el bloque de metal se colocarán los recipientes por aproximadamente 30 segundos para refrescarlos. El bloque de metal actúa como un radiador y reducirá la variación de temperatura durante la determinación de la masa. E 159-9

10 7.8.2 Alternativa de bolsa plástica Se coloca el papel filtro a secar en el horno como mínimo 2 horas, entonces se pone en un recipiente desecador sobre sílica gel o en un desecador estándar como mínimo de 2 a 3 minutos para que enfríe. Se coloca nuevamente el filtro en la bolsa plástica y se determina la masa, M 2. Se remueve el papel filtro de la bolsa plástica y se determina la masa final de la bolsa plástica, T h Después determinadas las masas M 2 y T h de debe desechar los papeles filtro, bajo ninguna circunstancia los papeles del filtro podrán ser vueltos a usar, luego de concluido el ensayo. 8. CÁLCULOS 8.1 Para cada papel de filtro se debe determinar: M f = M 2 T h M w = M1 M 2 + T h T c donde: M f = masa seca del papel de filtro, g, M 2 = masa total seca,g, T h = masa del contenedor caliente, g, M w = masa de agua en el papel de filtro, g, y T c = masa del contenedor frió, g. Nota 9.- La masa caliente (T h ) es consistente menor que la masa fría T c, debido a la pérdida de humedad adsorbida por la superficie del recipiente cuando está caliente. El calentamiento del aire alrededor del recipiente también puede contribuir a una masa del recipiente caliente más pequeña. La diferencia media entre la masa del recipiente caliente y fría para 69 medidas es de 4.6% ± 0.9% de la masa de papel de filtro y se deberá considerar si se desea que las medidas de la masa de papel de filtro tengan un error de menos del 5%. 8.2 Se determina la humedad del papel de filtro (w f ) así: w = f M M w f Con ayuda de la Figura 1 o con una curva especifica, de acuerdo al tipo de papel de filtro, se convertirá la humedad del papel de filtro (w f ) a un valor de succión. También se podrá utilizar para cada papel de filt ro una ecuación, con sus respectivos parámetros calibrados, que describa las curvas como las mostradas en la Figura 1, de acuerdo al papel de filtro utilizado. Se descartará cualquier E

11 resultado si la diferencia de la succión obtenida, entre dos papeles de filtro, supera 0.5 log kpa. 9. INFORME 9.1 La Tabla 2 es un ejemplo de la hoja para recoger los datos de la evaluación de succión de suelos utilizando el método del papel filtro. 9.2 Se debe reportar el contenido de agua del suelo correspondiente a la succión total del suelo, temperatura de ensayo y tiempo requerido para alcanzar el equilibrio, método de calibración del papel filtro, y densidad bulk del suelo. 9.3 Se reporta la salinidad del agua de los poros, si es determinada, porque permite evaluar la succión osmótica y cálculo de la succión mátrica, h m = h - h s. Perforación No.: Fecha muestreo: Muestra No.: Tabla 2. Hoja de Cálculo Papel filtro superior/papel filtro inferior (círculo) Masa fría, g T c Masa del papel filtro húmedo + Masa fría, g M 1 Masa del papel filtro seco + Masa caliente, g M 2 Masa caliente, g T h Masa del papel filtro seco, g (M 2 - T h ) Masa del agua en el papel filtro, g (M 1 - M 2 - T c - T h ) M f M w Contenido de agua del papel filtro, g (M w + M f ) Succión, pf W f h 10. NORMAS DE REFERENCIA ASTM D E