DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO GRAVIMÉTRICO DE AGUA (HUMEDAD)

Transcripción

1 DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO GRAVIMÉTRICO DE AGUA (HUMEDAD) 1 - ALCANCE Esta norma describe y regula el método de ensayo para la determinación en el laboratorio del contenido gravimétrico de agua (humedad gravimétrica) de los suelos, rocas y materiales similares. Por simplicidad la palabra material se referirá en adelante indistintamente a suelo o roca según sea más aplicable. También es común llamar esta magnitud humedad gravimétrica El contenido gravimétrico de agua de un material es definido como la relación de la masa del agua de los poros, o agua libre, en una masa dada de material respecto a la masa de los sólidos que lo constituyen El término partículas sólidas como se usa en ingeniería geotécnica significa típicamente las partículas minerales de suelo y roca que ocurren naturalmente y que no son fácilmente solubles en agua. En consecuencia el contenido de agua de los materiales que contienen materias extrañas (como cemento y similares) puede requerir un tratamiento especial o una definición calificada del contenido de agua. Adicionalmente algunos materiales orgánicos pueden descomponerse al ser secados al horno a la temperatura de secado normalizada en este método (110 o C) Los materiales que contienen yeso (sulfato de calcio hidratado) u otros compuestos que tienen cantidades significativas de agua de hidratación, pueden presentar un problema especial debido a que este material se deshidrata lentamente a la temperatura normalizada de secado (110 o C) y en ambientes cuya humedad relativa sea muy baja, formando un compuesto que no se encuentra normalmente presente en materiales naturales, excepto en algunos suelos del desierto (sulfato de calcio semihidratado) Con el fin de reducir el grado de deshidratación del yeso en los materiales que lo contienen, o para reducir la descomposición de suelos orgánicos, puede ser deseable secar estos materiales a 60 o C o en un desecador a temperatura ambiente. Cuando se utilice una temperatura de secado distinta de la temperatura de secado normalizada definida en esta Norma, el contenido de agua resultante puede ser diferente Los métodos de ensayo de la norma ASTM D2974 proporcionan un procedimiento alternativo para determinar el contenido de agua de la turba y de suelos orgánicos Los materiales que contienen agua con cantidades importantes de sólidos solubles (como sal en el caso de los sedimentos marinos) darán una masa de sólidos que incluyen los sólidos solubles cuando son analizados por este método. Estos materiales requieren un tratamiento especial para remover o tomar en cuenta la presencia de sólidos cristalizados en la masa seca de la muestra o se debe utilizar una definición calificada del contenido de agua Este método de ensayo requiere varias horas para un secado adecuado del contenido de agua de la muestra. El método de ensayo D4643 especifica el secado de la muestra en un horno microondas que es un proceso más rápido Esta norma requiere el secado de material en un horno a altas temperaturas. Si el material que se va a secar esta contaminado con algunos químicos, puede existir algunas amenazas a la salud y a la seguridad. En consecuencia esta norma no debe ser utilizada para GRUPO DE GEOTECNIA 1 / 7

2 determinar el contenido de agua de sólidos contaminados a menos que se tomen las precauciones debidas de salud y seguridad. 2 - TERMINOLOGÍA Confróntese la terminología ASTM D653 para las definiciones normalizadas de los términos Descripción de los términos propios de esta norma Contenido gravimétrico de agua (de un material): La relación, de la masa de agua contenida en los poros de suelos o rocas respecto de la masa sólida de las partículas en ese material expresada como un porcentaje. Puede utilizarse como sinónimo humedad gravimétrica. 3 - RESUMEN DEL MÉTODO DE ENSAYO Una muestra se seca en un horno hasta que alcance una masa constante; la perdida de masa debido al secado se considera que está constituida por agua. El contenido de agua se calcula como la relación a partir de la masa de agua y de la masa de la muestra seca. 4 - SIGNIFICADO Y USO Para muchos materiales el contenido de agua es una de las propiedades índice más significativas El contenido de agua de un material se usa para calcular las relaciones de fase de aire, agua, y sólidos en un volumen dado de material En los suelos cohesivos, la consistencia de un tipo dado de suelo depende de su contenido de agua. El contenido de agua de un suelo conjuntamente con sus límites líquido y plástico, determinados de acuerdo con la Norma ASTM D4318, se utiliza para calcular su consistencia relativa o índice de liquidez. 5 - EQUIPO Horno de secado: controlado termostáticamente, preferiblemente del tipo de tiro forzado, que cumpla con los requerimientos de la especificación E145 y pueda mantener una temperatura uniforme de 110 ± 5 o C en toda la cámara de secado Balanzas: todas las balanzas deben cumplir los requerimientos de la especificación D4753 y, de esta sección. La balanza que se utilice debe tener una precisión mejor que el 0.1% de la masa que se vaya a determinar. Para las muestras que tienen una masa hasta de 200 g se requiere una balanza clase GP1 con una sensibilidad de 0.01 g, y para los especímenes con una masa mayor de 200 g se requiere una balanza de clase GP2, con una sensibilidad de 0.1 g. Los pesos mencionados excluyen la masa de la tara Taras: recipientes fabricados de material resistente a la corrosión y cambio de masa por calentamientos y enfriamientos repetidos, a la exposición a sustancias con diferentes ph y a la limpieza. Los ensayos sobre una masa menor de 200 g requieren el uso de recipientes con tapas ajustadas; para muestras mayor de 200 g pueden utilizarse taras sin tapa. Se necesita al menos una tara para cada determinación de contenido de humedad. El objeto o el propósito de las tapas ajustadas es para prevenir la absorción de humedad de la atmósfera después del secado y antes de la determinación final de la masa Secador: Una cámara de desecación o un recipiente grande de desecación de un tamaño adecuado que contenga gel de sílice o sulfato de calcio anhidro. El sulfato de calcio anhidro GRUPO DE GEOTECNIA 2 / 7

3 se vende bajo el nombre comercial de drierita. Es preferible utilizar un desecante que cambie de color para indicar cuando es necesario cambiarlo o reconstituirlo. (Véase la sección 10.5) Equipo para el manejo de las taras: Guantes, tenazas o cualquier instrumento adecuado para mover y manipular las taras calientes después del secado Misceláneo: Cuchillas, espátulas, cucharas, paños de cuarteo, cuarteadores, etc. según se requiera. 6 - MUESTRAS Las muestras deben ser conservadas y transportadas de acuerdo con el procedimiento descrito en la Norma ASTM D4220, grupos de suelo B, C o D. Conserve las muestras que se han almacenado antes del ensayo en recipientes inoxidables a una temperatura entre 3 y 30 o C y en un área donde no haya contacto directo con la luz del sol. Las muestras alteradas deben ser almacenadas en tarros o en otros recipientes de tal manera que se prevenga o minimice la condensación de humedad en el interior de los recipientes La determinación del contenido de agua se debe hacerse tan pronto como sea posible después del muestreo, especialmente si se utilizan recipientes potencialmente oxidables (como los tubos de acero de pared delgada, tarros de pintura, etc.), o bolsas de plástico 7 - MUESTRAS PARA EL ENSAYO Cuando se va a determinar el contenido de humedad conjuntamente con otro método ASTM, se utilizará la masa requerida en ese método si está especificada. Si no se especifica una masa mínima para la muestra en ese método entonces se aplicaran los valores dados a continuación Si la masa completa no se ensaya por este método, la masa mínima de material seleccionado para ser representativo de la masa total, estará de acuerdo con la siguiente tabla, en función del tamaño máximo de particulas en la muestra: Tamaño máximo de partículas Masa mínima de muestra húmeda para una determinación hasta ± 0.1% Masa mínima de muestra húmeda para una determinación hasta ± 1% 2 mm ó menos g* 4.75 mm g* 9.5 mm g* 19.0 mm 2.5 kg 250g 37.5 mm 10 kg 1 kg 75 mm 50 kg 5 kg Nota: *No se debe utilizar menos de 20 g para que el ensayo se tenga validez Sí se usa la totalidad de la muestra no hay que considerar con los requerimientos mínimos de masa especificados en la tabla anterior. En el informe se indicará que toda la masa fue utilizada en el ensayo Aunque una muestra más pequeña que el mínimo indicado en el numeral 7.2. puede ser adecuada para los objetivos del ensayo, su uso requiere el buen juicio del responsable del laboratorio. Cualquier muestra utilizada que no cumpla estos requerimientos debe ser anotada en el informe de resultados Cuando se trabaje con una muestra pequeña (menos de 200g) que contiene una o varias partículas de grava relativamente grandes, es conveniente no incluir estas partículas en el GRUPO DE GEOTECNIA 3 / 7

4 especimen de ensayo. Sin embargo cualquier material que se descarte debe ser descrito y anotado en el informe de resultados Para las muestras que consisten enteramente de roca intacta, la muestra mínima será de 500 g. Porciones representativas de la muestra pueden ser rotas en partículas más pequeñas, dependiendo en su tamaño, y del recipiente y de la balanza que sean utilizados para facilitar el secado hasta una masa constante. Vea la sección SELECCIÓN DEL ESPECIMEN PARA EL ENSAYO Cuando la muestra para el ensayo sea una porción de una cantidad mayor de material, debe ser seleccionada de modo que sea representativa de las condiciones de humedad de la totalidad del material. La manera en que se seleccione la muestra depende del objeto y aplicación del ensayo, del tipo de material ensayado, de su condición de humedad y del tipo de muestra. (de otro ensayo, de una bolsa, de un bloque, y similares) Para muestras alteradas como cortes de suelo, muestras de bolsa y similares, obtenga la muestra para ese ensayo mediante uno de los siguientes métodos (dados en orden de preferencia): Si el material es tal que puede ser manipulado sin que haya una pérdida significativa de material, el material debe ser mezclado y luego reducido al tamaño requerido mediante cuarteo o separación Si el material es tal que no puede ser completamente mezclado y/o separado, forme una pila de material mezclándolo tanto como sea posible. Tome por lo menos cinco porciones de material en sitios al azar utilizando un tubo de muestreo, una pala, una cuchara, un palustre o un instrumento similar apropiado para el tamaño máximo de partículas presente en el material. Combine todas las porciones para obtener la muestra del ensayo Si el material o las condiciones son tales que no puede formarse una pila, tome tantas muestras de material como sean posibles en puntos al azar que puedan representar mejor las condiciones de humedad. Combine todas las porciones para formar el especimen del ensayo En caso de muestras intactas como bloques, tubos, muestreadores partidos y similares obtenga la muestra del ensayo por uno de los siguientes métodos dependiendo del propósito y el uso potencial de la muestra: Recorte cuidadosamente por lo menos 3 mm del material de la superficie externa de la muestra para ver si el material esta estratificado y para remover el material que está más seco o más húmedo que la porción principal de la muestra. Luego recorte cuidadosamente por lo menos 5 mm o un espesor igual al tamaño máximo de partículas presentes de toda la superficie expuesta o del intervalo que va a ser analizado Parta la muestra por la mitad. Si el material es estratificado vea la sección Luego recorte cuidadosamente por lo menos 5 mm de la muestra o un espesor igual al tamaño máximo de partícula que se encuentre en la muestra de la superficie expuesta de una mitad, o del intervalo que se va a ensayar. Evite que el material en los extremos quede más húmedo o más seco que la porción principal de la muestra. La emigración de la humedad en algunos suelos no cohesivos pueden requerir que sea necesario hacer la determinación sobre la muestra completa Si se trata de un material estratificado (o se encuentra más de un tipo de material) seleccione una muestra promedia o muestras individuales o ambos. Las muestras deben ser identificadas adecuadamente respecto a su ubicación o al material que representan; las anotaciones correspondientes deben ser registradas en la hoja de datos. GRUPO DE GEOTECNIA 4 / 7

5 9 - PROCEDIMIENTO Determine y registre la masa de las taras limpias y secas (y su tapa sí es utilizada) Seleccione muestras representativas para el ensayo de acuerdo con la sección 9. Cada determinación debe hacerse sobre tres porciones del espécimen Coloque cada porción del espécimen en la tara y asegure la tapa en su posición. Determine la masa de la tara y del material húmedo utilizando una balanza seleccionada con base en la masa de la muestra (vea el numeral 6.2). Registre este valor Para prevenir la mezcla de muestras y los resultados incorrectos, todos los contenedores y sus tapas deben estar numerados, y los números de las taras deben ser registrados en las hojas de datos de los laboratorios. Los números de las tapas deben coincidir con los números de las taras para eliminar confusión Para facilitar el secado en el horno de muestras grandes, deben colocarse en recipientes que tengan un área superficial grande (como cubetas) y el material debe ser desmenuzado en pequeños agregados Remueva la tapa y coloque el recipiente con el material húmedo en el horno de secado. Seque el material hasta que alcance una masa constante. Mantenga el horno de secado a 110 ± 5 o C a menos que se especifique otra cosa (ver numeral 1.3). El tiempo requerido para alcanzar una masa constante variará dependiendo del tipo de material, del tamaño de la muestra, del tipo y capacidad del horno y de otros factores. La influencia de estos factores generalmente puede ser establecidos por un juicio prudente y por la experiencia del responsable del ensayo con los materiales que son analizados y el aparato que se utiliza En la mayoría de los casos el secado de una muestra durante la noche entre 12 y 16 horas es suficiente. En los casos donde hay duda respecto a la calidad del secado, debe continuarse la operación de secado hasta que el cambio en la masa después de 2 períodos sucesivos de secado (más de una hora) es una cantidad insignificante (menos del 0.1%). Las muestras de arena frecuentemente pueden ser secadas a una masa constante en un período aproximado de 4 horas cuando se utiliza un horno de tiro forzado Puesto que algunos materiales secos pueden absorber humedad de las muestras húmedas, las muestras secas deben retirarse antes de colocar muestras húmedas en el mismo horno. Sin embargo esta precaución no es aplicable si los especímenes previamente secados permanecerán en el horno por un tiempo adicional de aproximadamente 16 horas Después de que el material se ha secado hasta alcanzar una masa constante, retire el recipiente del horno y vuelva a colocar la tapa si se utilizó. Deje que todo el material y el recipiente se enfríen hasta la temperatura ambiente o hasta que el recipiente pueda ser manejado cómodamente con las manos desnudas y la operación de la balanza no se afecte por las corrientes de convección, o por calentamiento. Determine la masa del recipiente y del material seco al horno utilizando la misma balanza utilizada en el numeral Registre este valor. Debe utilizarse tapas bien ajustadas si aparentemente el material está absorbiendo humedad antes de la determinación de su masa seca El enfriamiento en un secador es aceptable en lugar de utilizar tapas bien ajustadas. Esto reduce en gran medida la absorción de humedad de la atmósfera durante la operación de secado, especialmente para recipientes sin unas tapas bien ajustadas CÁLCULOS Calcule el contenido de agua del material en cada tara así: GRUPO DE GEOTECNIA 5 / 7

6 w = ( m1 m2 ) ( m m ) 2 3 m 100 = m donde: w: contenido de agua (%) m1: masa de la tara y el espécimen húmedo (g) m2: masa de la tara y la muestra seca (g) m3: m asa de la tara (g) m4: masa de agua (g) m5: masa de las partículas sólidas (g) Calcule la media de las tres determinaciones y regístrela como el contenido de agua del espécimen. Tenga en cuenta el enunciado de precisión dado en el numeral para definir si alguno de los datos obtenidos debe desecharse INFORME El informe y la hoja de datos debe incluir lo siguiente: Identificación de la muestra (material) que incluya el número del sondeo, el número de la muestra, el número del ensayo, el número de la tara, etc El contenido de agua de la muestra aproximado al 1% ó al 0.1% de acuerdo con el objeto de determinación de la humedad. Si se utiliza este método conjuntamente con otro método, el contenido de agua de la muestra debe registrarse hasta el valor requerido por el método de ensayo para el cual se está determinando el contenido de agua Indique si el espécimen tenía una masa inferior que el mínimo indicado en el numeral Indique si la muestra para el ensayo tenía más de un material (estratificado) Indique el método de secado si es diferente al método de secado al horno a 110 ± 5 o C Indique si algún material (tamaño y cantidad) fue retirado de la muestra para el ensayo PRECISIÓN Y SESGO No hay un valor aceptado de referencia para este método de ensayo; en consecuencia no puede determinarse el sesgo Precisión para un operador individual El coeficiente de variación para un operador individual ha sido encontrado que es del 2.7%. En consecuencia los resultados de dos ensayos llevados a cabo adecuadamente por el mismo operador con el mismo equipo, deben ser considerados satisfactorios a menos que difieran en más del 7.8% de su media Precisión interlaboratorios: Se ha encontrado que el coeficiente de variación entre laboratorios es del 5%, en consecuencia se consideran aceptables, los resultados de los ensayos, llevados a cabo adecuadamente por diferentes laboratorios utilizando diferentes equipos, que difieran menos del 14% de su media GRUPO DE GEOTECNIA 6 / 7

7 13 - DESCRIPTORES agregado de suelos, consistencia, contenido de agua, contenido de humedad, ensayo de humedad, laboratorio, propiedades índice. 14- DOCUMENTOS DE REFERENCIA Norma ASTM D2216: Test Method for laboratory Determination of Water (Moisture) Content of Soil and Rock. GRUPO DE GEOTECNIA 7 / 7