Correlación de Determinación de Humedad de Suelos por Medio de Secado en Horno y en Microondas

Transcripción

1 Correlation of Soils Moisture Determination Through Drying in Oven and Microwaves Correlación de Determinación de Humedad de Suelos por Medio de Secado en Horno y en Microondas Autores MARÍA SOLEDAD GÓMEZ LORENZINI SERGIO VIDAL ARCOS Profesor Adjunto Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Ingeniería - Escuela de Construcción Civil mgomezl@uc.cl Profesor Auxiliar Pontificia Universidad Católica de Chile Facultad de Ingeniería - Escuela de Construcción Civil svidal@uc.cl Fecha de aceptación Fecha de recepción 10/05/07 01/06/07 Revista de la Construcción [ 28

2 Resumen La determinación de la humedad de los suelos se efectúa por medio de secado en horno ventilado a 110 ± 5 C, proceso que tiene una duración mínima de 12 horas. Por ser un proceso lento y que se utiliza en la determinación de densidades secas de terreno, donde es necesario dar resultados en forma inmediata, es que se ha estudiado la posibilidad de efectuar el secado del suelo en horno microondas. Para el estudio se efectuaron determinaciones de humedad de distintos tipos de suelos y a distintas humedades, obteniendo las mejores correlaciones en suelos finos. Asimismo, se pudo concluir que las diferencias en los porcentajes de humedad resultaron valores inferiores a 2% Por lo anterior, este método puede ser una alternativa válida en la determinación de la humedad de los suelos para el cálculo de las densidades en terreno. Palabras clave: humedad, suelos, densidad, microondas. Abstract Moisture determination in soils is carried out by drying in ventilated oven at 110 ± 5 C. This process takes 12 hours as minimum. Possibility to carr y out soil dr ying in microwave has been studied because it is a slow process and it is used in determination of dried densities in land, where it is necessary to get results immediately. For this survey moisture determinations in different soils types and at different moistures, obtaining the best correlations in fine soils. Also, it is possible to conclude that difference in moisture percentages had as result lower values to 2%. Consequently, this method can be a valid alternative in determination of soils moisture for the calculation of densities in land. Key words: moisture, soils, density, microwave. páginas: María Soledad Gómez L. - Sergio Vidal A. Revista de la Construcción [ 29 [

3 [ Introducción En mecánica de suelos la determinación del contenido de humedad de las muestras de suelos es un proceso lento y no por la complejidad de su determinación, sino por el tiempo que requiere el obtener resultado del ensayo. El tiempo mínimo para determinar la masa seca de una muestra de suelo, por medio de un horno ventilado, es del orden de las 12 horas, y para asegurar la condición de masa seca, se establece que entre 2 pesadas sucesivas, separadas por un intervalo de tiempo que generalmente es de una hora, se debe tener masa constante. Evidentemente, es un método lento, sobre todo si se considera que el ensayo de determinación de contenido de humedad generalmente va asociado a otros ensayos que tienen mayor relevancia como por ejemplo la determinación de la densidad máxima compactada seca o la densidad compactada de terreno. El no contar con resultados de contenido de humedad, porcentaje de humedad, de forma rápida, puede impedir el emplear métodos de ensayo como por ejemplo el de la determinación de la densidad compactada seca en terreno por medio del método del cono de arena, debido a que en la práctica no se obtendrían resultados de la densidad compactada seca hasta el día siguiente de efectuado el ensayo, producto de la determinación del porcentaje de humedad, por lo que quedaría como alternativa el utilizar el método nuclear, método que permite determinar el porcentaje de humedad y la densidad seca de suelos in situ. Por otra parte, este equipo es de un alto costo y regulado por una legislación bastante severa, fundamentalmente en lo referido a transporte y bodegaje. La American Society for Testing Materials establece como método alternativo al de secado de muestras en horno ventilado, efectuar el secado de muestras empleando un horno microondas, método por el que se pueden obtener resultados de contenido de humedad de muestras en pocos minutos. Exigencias normativas En Chile existen 2 métodos aceptados para efectuar la determinación del contenido de humedad en suelos. El método más utilizado es el indicado en la norma chilena NCh Mecánica de Suelos - Determinación de la Humedad. Este método permite efectuar la determinación del contenido de humedad por medio del secado de muestras de suelo en horno ventilado a 110 ± 5 C, hasta obtener, entre 2 pesadas sucesivas, separadas por una hora de secado, masa constante. Generalmente, el secado a masa constante se obtiene en un plazo de tiempo mayor o igual a las 12 horas. Sin embargo, este plazo puede extenderse hasta llegar a cerca de 24 horas en suelos con altos contenidos de humedad, como por ejemplo arcillas. Otro método aceptado es el establecido en el Volumen N 8 - Sección Auscultaciones y Prospecciones - Método nuclear para determinar in situ la humedad de suelos del Manual de Carreteras del Ministerio de Obras Públicas Dirección General de Obras Públicas Dirección de Vialidad - Especificaciones y métodos de muestreo, ensaye y control. Este método, por medio del densímetro nuclear, permite determinar instantáneamente in situ el contenido de humedad del suelo y por ende determinar la densidad seca. Como se puede apreciar, los métodos son utilizados, el primero principalmente en laboratorio y el segundo en terreno. Sin embargo, si en terreno se utiliza el método establecido en la NCh Mecánica de suelos - Determinación de la densidad en el terreno - Método del cono de arena, la determinación del contenido de humedad de la muestra de suelo debe efectuarse utilizando el método establecido en la NCh 1515, por lo que no se podrían obtener resultados hasta al menos 12 horas después de tomada la muestra, y si se trata de un relleno compactado por capas, implicaría que el avance de obra sería del orden de una capa diaria, tiempo excesivo si se consideran los actuales plazos de ejecución de las obras. 30 Revista de la Construcción María Soledad Gómez L. - Sergio Vidal A. páginas: 28-34

4 Metodología Para realizar este estudio, se considera analizar 6 tipos distintos de suelos, los que han sido elegidos según su clasificación, para lo que se utilizó el sistema de clasificación U.S.C.S. (Unified System of Classification of Soils). Para la determinación del contenido de humedad se efectuaron 160 ensayos considerando los métodos de secado en horno ventilado y en horno microondas. Cada punto de contenido de humedad corresponde al promedio de dos determinaciones. Los suelos estudiados son los siguientes: Tipo de Suelo Arcilla Limo Arena Arcillosa Arena Limosa Grava Arcillosa Grava Limosa Tabla 1 Suelos estudiados Clasificación U.S.C.S. CL ML SC SM GC GM El contenido de humedad, para ambos métodos, se determina por medio de la siguiente fórmula: Para el presente estudio, la determinación del contenido de humedad por medio del método del horno ventilado se efectuó sobre 2 muestras gemelas para luego determinar el promedio aritmético de ambos resultados. Las cantidades de suelo utilizado para la determinación del contenido de humedad se presentan en la Tabla 2. La determinación del contenido de humedad por medio de horno microondas también se efectuó sobra la base de 2 muestras gemelas para luego determinar el promedio aritmético de ambos resultados. Las cantidades de suelo utilizado para la determinación del contenido de humedad se presentan en la Tabla 3. Asimismo, se considera determinar el tiempo mínimo de secado para cada tipo de suelo, para esto se contempla efectuar determinaciones del contenido de humedad utilizando el método de secado en horno microondas, variando el tiempo de secado hasta llegar al instante en que, luego de 2 pesadas sucesivas se obtiene masa constante. Para estos efectos se considera masa constante si entre 2 pesadas sucesivas, separadas por un intervalo de tres minutos, se obtiene una variación del contenido de humedad menor o igual a 0,1%. a) Arcillas Análisis de resultados En el Gráfico 1 se muestran los resultados de ensayos efectuados a suelos arcillosos con índice de plasticidad mayores a 12% y con contenidos de humedad entre un 9 y un 14%. b) Limos En el Gráfico 2 se muestran los resultados de ensayos efectuados a suelos limosos con contenidos de humedad entre un 9 y un 21%. Tabla 2 Tamaño de la muestra según NCh 1515 Tamaño máximo de partículas, mm Tamaño mínimo de la muestra de ensayo, g , ,5 10 Tabla 3 Tamaño de la muestra según ASTM D4643 Tamaño máximo de partículas, mm Tamaño mínimo de la muestra de ensayo, g , < 2, páginas: María Soledad Gómez L. - Sergio Vidal A. Revista de la Construcción [ 31 [

5 [ c) Arena Limosa En el Gráfico 3 se muestran los resultados de ensayos efectuados a arenas limosas con contenidos de humedad entre un 6 y un 30%. d) Arena Arcillosa En el Gráfico 4 se muestran los resultados de ensayos efectuados a arenas arcillosas con índice de plasticidad entre 7 y 16% y con contenidos de humedad entre un 6 y un 15%. e) Grava Arcillosa En el Gráfico 5, se muestran los resultados de ensayos efectuados a suelos arcillosos con índice de plasticidad entre 6 y 10% y con contenidos de humedad entre un 7 y un 12%. Gráfico 1 Arcillas f) Gravas Limosas En el Gráfico 6 se muestran los resultados de ensayos efectuados a gravas limosas con contenidos de humedad entre un 3 y un 9%. g) Determinación de la Humedad En el Gráfico 7 se presentan los resultados obtenidos para el total de muestras de contenido de humedad por intervalos de humedad de un 5%. En el Gráfico 8 se presentan los resultados obtenidos para el total de muestras. h) Determinación del tiempo de secado En el Gráfico 9 se muestran los resultados de ensayos de determinación de contenidos de humedad en función del tiempo. Para este análisis se consideran suelos con contenidos de humedad entre 8 y 16%. Conclusiones Según los suelos estudiados, se observa que en la mayoría de estos se obtienen mayores contenidos de humedad cuando se utiliza el método de secado en microondas. La variación de resultados entre ambos métodos generalmente es inferior a un 1%. La correlación de resultados es más alta en los suelos más finos; contrariamente, existe menor Gráfico 2 Limos Gráfico 3 Arenas Limosas 32 Revista de la Construcción María Soledad Gómez L. - Sergio Vidal A. páginas: 28-34

6 Gráfico 4 Arenas Arcillosas Gráfico 5 Gravas Arcillosas Gráfico 6 Gravas Limosas Gráfico 7 Contenido de humedad por rangos Gráfico 8 Contenido de humedad para el total de las muestras Gráfico 9 Tiempo de secado páginas: María Soledad Gómez L. - Sergio Vidal A. Revista de la Construcción [ 33 [

7 [ correlación en suelos granulares, lo que es concordante con lo estipulado en la norma ASTM. Se obtiene mayor correlación en suelos arcillosos, para índices de plasticidad entre 7 y 16%. En suelos del tipo gravas limosas se tiene que la variación entre ambos métodos es inferior al 0,5%. A mayor humedad de los suelos se obtiene una mayor dispersión de las humedades, esto puede ser atribuible a que corresponden a suelos finos. Existe mayor correlación independientemente del tipo de suelo, para valores de humedad entre 10 y 15%. Existe buena correlación, r > 0,97, considerando todas las muestra y humedades, lo que validaría este método. Si se tienen resultados de contenidos de humedad mayores a un 10%, la variación entre los resultados obtenidos por ambos métodos es inferior a un 10%, siendo siempre mayor el obtenido por el método de secado en microondas. Para suelos con contenidos de humedad entre un 8 y un 16%, se requiere un tiempo de secado mínimo que fluctúa entre 18 y 20 minutos, vale decir, se obtiene masa constante, esto considerando un microondas de W, funcionando a máxima potencia. En el secado en microondas se llegan a temperaturas de secado mayores a las del hormo ventilado (110 ± 5 C), se sobrepasan los 150 ºC, llegando hasta 250 ºC. Por esta razón es posible concluir que el mayor porcentaje de humedad obtenido puede ser producto de la calcinación de una parte del suelo y no producto de la humedad. Es necesario efectuar nuevos estudios que consideren distintas potencias de secado de manera de aminorar el riesgo de calcinación de los suelos. Finalmente, para el caso de la determinación de humedades en el control de densidad in situ, se puede concluir que la variación en el porcentaje de humedad hace variar la densidad seca de un material en un 2%, por ende puede disminuir el porcentaje de compactación hasta en un 2%, por lo que al adoptar este método se estaría haciendo más exigente el criterio de aceptación de la compactación. Por lo anterior, este método puede ser una alternativa válida en la determinación de la humedad de los suelos para el cálculo de las densidades en terreno. Bibliografía NCh Mecánica de suelos - Determinación de la humedad. NCh Mecánica de suelos - Determinación de la densidad en el terreno - Método del cono de arena NCh1517/1 - Mecánica de suelos - Límites de consistencia - Parte 1: Determinación del límite líquido. NCh1517/2 - Mecánica de suelos - Límites de consistencia - Parte 2: Determinación del límite plástico NCh 1534/2 - Mecánica de suelos - Relaciones humedad/densidad - Parte 2: Métodos de compactación con pisón de 4,5 kg y 460 mm de caída Manual de Carreteras - Volumen N 8 - Especificaciones y métodos de muestreo, ensaye y control - Sección Método para determinar la granulometría - Diciembre Manual de Carreteras - Volumen N 8 - Especificaciones y métodos de muestreo, ensaye y control - Sección Auscultaciones y prospecciones - Método nuclear para determinar in situ la humedad de suelos - Diciembre ASTM D Test method for determination of water (moisture) content of soil by the microwave oven heating. ASTM D Test method for laboratory determination of water (moisture) content of soil and rock by mass. 34 Revista de la Construcción María Soledad Gómez L. - Sergio Vidal A. páginas: 28-34