Laboratorio de mecánica del suelo

Transcripción

1 Laboratorio de mecánica del suelo Tema 3: Identificación básica. Caracterización de suelos 2.1 Introducción 2.2 Principios físicos aplicables 2.3 Diferentes técnicas disponibles Difracción por rayos X Microscopía electrónica Porosimetría por intrusión de mercurio Porosimetría por adsorción de gas Porometría por flujo de fluidos

2 2.1 Introducción El suelo es un material poroso. El conocimiento de la microestructura complementa los datos de los ensayos convencionales. Estudio dirigido especialmente a materiales arcillosos. Estudio de la mineralogía de las partículas y de la distribución geométrica del espacio limitado entre ellas. El comportamiento mecánico del suelo depende bastante de la microestructura alcanzada en su proceso de formación. Aplicación interesante al caso de barreras de impermeabilización.

3 2.2 Principios físicos aplicables Físicamente no se puede interaccionar con el vacío, hay que hacerlo con las partículas. 1. Mediante fotones microscopia óptica (visible, rayos X) 2. Mediante neutrones dispersión del haz de neutrones 3. Mediante electrones microscopía electrónica 4. Mediante gases métodos de adsorción 5. Mediante líquidos métodos de intrusión Rango de aplicación de las diferentes técnicas. Se ha intentado aplicar la teoría de fractales a las imágenes obtenidas. Hay que distinguir entre porosidad total y porosidad conectada.

4 2.3 Diferentes técnicas usadas en la caracterización Difracción por rayos X Radiación electromagnética con una longitud de onda entre 0.01 y 100 Aº. La distancia medida entre planos cristalinos permite identificar el tipo de mineral presente en el suelo. El gráfico obtenido presenta unos picos a unas determinadas longitudes de onda. Los datos obtenidos están cuantificados y se puede incorporar la técnica de procesado de imagen. En materiales con diversidad de minerales puede ser difícil su interpretación. La precisión en las determinaciones está influida por el estado de la superficie del material. No se puede distinguir la microestructura de la mesoestructura si está formada por minerales distintos. El resultado es la media de ambas.

5 2.3.2 Microscopía electrónica Se basa en interpretar la información que aportan los electrones periféricos del material a estudiar. Existen básicamente tres tipos: 1. Transmission electron microscope (TEM). El haz de electrones atraviesa el material a ensayar. La resolución máxima es de 10 Aº Es necesario un alto vacío para poder operar (10-5 Torr) Es necesario operar con la muestra seca (liofilizada). No es necesaria una preparación exahustiva de la superficie. Variación continua de la amplificación (zoom).

6 2. Scanning electron microscope (SEM) El haz de electrones se refleja en la estructura. Resolución máxima de 100 Aº. Menor resolución que el TEM pero con una profundización del orden de 30 veces mayor (300 mm). Hay que recubrir la muestra con una capa fina de oro para evitar la cargas electrostáticas superficiales. Se exige para operar un alto vacío similar al TEM. Hay que operar con la muestra seca (liofilización).

7 3. Scanning electron microscope (de ambiente). Se basa en la detección de los electrones secundarios (efecto túnel). Elevada resolución, del orden de 1 Aº. Permite obtener información superficial, pero con varios detectores se puede conseguir información tridimensional. Puede operar muy cerca de la presión atmosférica (40 Torr). Pueden observarse las muestras con su contenido de humedad natural. Es un equipo de reciente implantación comercial (1992).

8 2.3.3 Porosimetría por intrusión de mercurio (MIP). Consiste fundamentalmente en obligar, mediante presión, a un líquido no mojante (mercurio) a entrar en los poros del material. La presión de entrada es inversamente proporcional al diámetro de poro. Según Washburn (1921): d= - 4. γ. cos θ / P donde: d: diámetro del poro γ: tensión superficial del Hg θ: ángulo de contacto entre el Hg y el material (aprox. 140º) P: presión de intrusión Se va incrementando la presión de mercurio y se mide el volumen introducido en el material. El rango de medida permite medir diámetros de poro hasta 100 nm.

9 Proceso: aumento de la presión de Hg (intrusión), bajada de la presión (extrusión). La rama de descarga permite estimar la porosidad no-conectada. Hay que distinguir: free porosity = non-constricted = porosidad no-conectada = intraporosidad constricted = porosidad conectada = interporosidad El MIP permite medir la porosidad total (intraporosidad + interporosidad). La muestra debe ensayarse seca (liofilización). El procedimiento MIP está normalizado en la ASTM-D En el caso de materiales hidrófobos puede utilizarse el agua como material de intrusión.

10 2.3.4 Porosimetría por adsorción de gas La superficie de la partícula puede por adsorción, debido a efectos electrostáticos, fijar una cierta cantidad de moléculas de gas. La cantidad de gas que puede entrar en un poro depende de la naturaleza del gas y del diámetro de poro. A diferentes presiones de gas se depositarán diferentes volúmenes del mismo. El poro se va llenando en capas sucesivas. Del gráfico presión volumen de gas se puede estimar la distribución de los diferentes tamaños de poro. El rango de medida oscila entre 0.35 y 300 nm. Dependiendo del gas utilizado, el equipo permite estimar superficies específicas de partícula entre 0.01 y m 2 / g. Los gases utilizados habitualmente son: nitrógeno, helio, oxígeno y kripton. La muestra debe ensayarse en condiciones de alto vacío y baja temperatura (se suele usar nitrógeno líquido). El control de la temperatura debe ser muy preciso (+/- 0.02ºC).

11 2.3.5 Porometría mediante flujo de gas Consiste en medir la permeabilidad al gas de un material saturado previamente. Al incrementar la presión del gas exterior (habitualmente aire seco), el líquido se desaloja según el tamaño del poro. Debe conocerse la tensión superficial del líquido. En el punto de burbuja (bubble point) empieza a desalojarse el poro de mayor tamaño. Hay una relación inversa entre tamaño del poro y la presión necesaria para desalojar el líquido. Del gráfico presión de aire-volumen de líquido desalojado, puede estimarse la distribución de tamaños de poro. El equipo permite ensayar la muestras en condiciones de tensión y temperatura de trabajo. Se puede medir la permeabilidad de materiales cuasi impermeables en un ensayo no destructivo y rápido.

12 El equipo mide la interporosidad o porosidad conectada. El procedimiento se encuentra normalizado en la ASTM-F y ASTM-F778. El rango de medida en el tamaño de poro está limitado entre y 500µm. El rango de medida de la permeabilidad al gas está limitado entre 10-8 y 10-2 cm/s. La disponibilidad comercial de este sistema de medida es bastante reciente(90 s).

13 Bibliografía Alonso, E., Gens, A., Suriol, J., Lloret, A., Efect of structure on the volumetric behavior of a compacted soil, Proc. UNSAT 95, Ed. Balkema,París, Anual book of ASTM standards, Vol Soil and Rock. Delage, P., Lefebvre, G., Study of a structure of a sensitive Champlain clay and of its evolution during consolidation, Univ. Sherbrooke, Canada, Griffiths, F.J., Joshi, R.C., Change in pore size distribution due to consolidation of clays, Rev. Geotechnique nº 39, Meyer, K., Lorenz, P., Böhl-Kuhn, B., Kobles, P., Porous solids and their characterization, Rev. Cryst. Res. Technology, nº 29, Mitchell, J.K., Fundamentals of soil behaviour, Ed. Wiley, U. C. Berkeley,1993. Romero, E., Characterisation and thermo-hydromechanical behaviour of unsaturated boom clay: an experimental study, Tesis Doctoral, UPC, Stillwell, R., Recent advances in porometry and porosimetry: introducing the microflow porometer and the aquapore porosimeter, Proc. 7 th Word Filtration Congress, Budapest, 1996.