LABORATORIO GRANULOMETRÍA Tutor: Gioconda G. de Celis Tesista: Yucely Albornoz Marzo 2014
5.4.1. MÉTODO DE ENSAYO PARA DETERMINAR LA COMPOSICIÓN GRANULOMÉTRICA DE LOS AGREGADOS FINOS, GRUESOS Y MUESTRAS DE SUELOS MÉTODO DE ENSAYO COVENIN ASTM AASHTO - C 136 T 27 5.4.1.1. INTRODUCCIÓN El Principio básico del análisis granulométrico por el método del tamizado es un proceso mecánico mediante el cual se separan las partículas de un suelo en sus diferentes tamaños, denominando, a la porción menor de 0.074 mm (tamiz Nº 200) como limo, arcilla, y coloide. Este procedimiento determina el tamaño de las partículas utilizando para tal fin tamices de abertura especificada. Es la característica más importante de los agregados ya queafecta la estabilidad y la trabajabilidad de las mezclas, y constituye, por lotanto, uno de los requisitos básicos de las especificaciones. Es importanteconocer no solo la estructura granulométrica como un sistema integral, sinoalgunos de sus componentes principales: tamaño máximo (TM) y tamañonominal máximo (TNM), el tamiz # 8, la fracción de tamaño arena y el tamiz # 200. El tamaño máximo (TM) se define como el tamiz más pequeño por el que pasa el 100% de las partículas. El tamaño nominal máximo (TNM) corresponde al tamiz inmediatamente superior al primer tamiz que tiene más del 10% retenido; normalmente es igualal tamiz que sigue al del tamaño máximo. El tamiz # 8 separa, en las mezclas asfálticas, de acuerdo al criterio delinstituto del Asfalto Americano (IDA) la fracción gruesa de la fracción fina, es decir, el retenido en el # 8 se denomina gruesos y el pasante finos. 200 Facultad de Ingeniería Escuela de Civil
Eltamaño arenao material llenante,se define como aquella fracción delmaterial que está comprendida entre el tamiz #16 y el tamiz #100,especialmente la fracción contenida en el tamiz # 30. El tamaño#200 de la fracción fina es de suma importancia en el diseño ycomportamiento de las mezclas asfálticas, ya que por su pequeño tamaño pueden comportarse como un extendedor de asfalto que al ser mezclado conel ligante se comporta más como un líquido que como un sólido. 5.4.1.2. OBJETIVO Conocer la gradación del agregado. 5.4.1.3. DURACIÓN Con práctica se puede hacer el ensayo en el laboratorio en 60 minutos después de tener el material secado a peso constante. 5.4.1.4. DEFINICIONES En el análisis granulométrico los suelos o agregados se clasifican según el tamaño de sus partículas en: Rocas: Todas las partículas mayores a 3 pulgadas. Gravas: Partículas menores de 3 pulgadas (Pasa 3 ) y mayores de 4,75 mm (Retenido en el tamiz # 4). Estas a su vez se clasifican en: Grava gruesa (Pasa 3 y retenido en ¾ ) y grava fina (Pasa ¾ y retenido en # 4). NOTA 1 Las partículas menores de 0.074 mm se conocen como partículas de grano fino. Arenas: Partículas menores de 4,75 mm (Pasa # 4) y mayores de 0.074 mm (Retenido en el tamiz # 200). Estas a su vez se clasifican en: Arena gruesa (Para # 4 y retenido en # 10), arena media (Pasa # 10 y retenido en # 40) y arena fina (pasa # 40 y retenido en # 200). Limos: Partículas menores de 0.074 mm (Pasa # 200) y mayores de 0.005 mm. Universidad De Los Andes 201
Arcillas: Partículas menores de 0.005 mm y mayores de 0.002 mm. Coloides: Partículas menores de 0.002 mm. 5.4.1.5. SIGNIFICADO Y USO Una muestra de agregado seco de peso conocido se pasa a través de una serie de tamices de aberturas progresivamente más pequeñas para determinar la distribución de tamaño de partículas. La gradación de un suelo indica las proporciones en peso para cada tamaño de grano dentro de un conjunto dado de partículas. El análisis granulométrico tiene, por lo tanto, por objeto determinar el tamaño de los granos que componen el suelo y la proporción de una determinada fracción de granos como porcentaje de la masa total de la muestra. El conocimiento de la gradación es importante para juzgar en general y para clasificar el suelo, aunque a veces se encuentran usos directos y prácticos de los resultados experimentales (para juzgar la compactibilidad, la trabazón, la permeabilidad y las posibilidades de estabilización de los suelos). 5.4.1.6. EQUIPOS E IMPLEMENTOS Balanza, capacidad 2 kg. min. Con sensibilidad de 0,1 gr. o 0,1% del suelo ensayado (para agregados finos). Balanza, capacidad 20 g. con sensibilidad de 0,5 gr. o 0,1% del suelo ensayado (para agregados gruesos). Horno con control para mantener temperaturas uniformes hasta 110 ºC ± 5 ºC. (230 ºF ± 9 ºF). Tamices Nº 200, Nº 100, Nº 50, Nº 30, Nº 16, Nº 8, Nº 4, tapa y fondo, 1 ½ (37,5 mm.), 1 (25,4 mm.), ¾ (19 mm.), ½ (12,5 mm.), 3/8 (9,5 mm.). Tamiz, Nº 4 de 45 cm de diámetro con marco de madera. Bandejas 60 cm. x 60 cm. x 5 cm. Bandeja, 20 cm. x 12 cm. x 7 cm. para secar muestras. 202 Facultad de Ingeniería Escuela de Civil
Brocha, cepillo metálico fino. Brocha, pelo fino. Par de guantes, de asbesto. Rociador de agua. Cuchara de albañil. Lona, ó bandeja, ó superficie plana y limpia para cuartear ó mezclar material. Reloj, contador de minutos con alarma. Cuarteadores: uno para finos y otro para gruesos. Tamizador mecánico para tamices de 20 cm de diámetro. Tamices, Bandejas, brochas, balanza Tamizador mecánico para agregado grueso Horno cuarteador Tamizador mecánico para agregado fino Figura N 1. Equipos necesarios para el ensayo. Universidad De Los Andes 203
5.4.1.7. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA Las muestras deben ser preparadas por muestreo de pilas, bines o de un bache seco, en el caso de agregados o de una calicata véase esquema figura N 2; y por monolito o perforación en el caso de muestras de suelos. Se tendrá uno de estos tres tipos de material: a) Mezcla de finos y gruesos. b) Finos (menor del tamiz Nº 4) c) Gruesos (mayor del tamiz Nº 4) MATERIAL PROPUESTO PILA MATERIAL PARA EL LABORATORIO TOLVA BACHE SECO Figura N 2, Recolección de muestra La granulometría debe hacerse siempre por lavado (lavar por el tamiz # 200) para separar las partículas finas adheridas a la muestra. NOTA 2: Las partículas menores a 0.074 mm (# 200) se determinan por hidrometría (véase Manual visualizado de Hidrometría FLNV MVA G-09). a) Mezcla de finos o gruesos Se debe traer al laboratorio suficiente material, para la realización del ensayo, debiendo guiarse por el máximo material a ensayar. En la tabla 1 se da las cantidades mínimas requeridas por ensayo. 204 Facultad de Ingeniería Escuela de Civil
Tabla 1 Peso de muestra requerida por ensayo TAMAÑO MÁXIMO PESO MÍNIMO DE LA MUESTRA 3/8 (9,5 mm.) 6 Kg ½ (2,5 mm.) 13 Kg ¾ (19 mm.) 26 Kg 1 (25,4 mm.) 52 Kg 1 ½ (37,5 mm.) 78 Kg 2 (50,8 mm.) 104 Kg 5.4.1.8. PROCEDIMIENTO La muestra es obtenida por medio del método del cuarteo. NOTA 3: Si el caso lo amerita, la muestra puede lavarse húmeda, tomando una muestra representativa de la misma para el ensayo de humedad y restándole la humedad usando la siguiente fórmula: (1) Finos o Gruesos a) La muestra de finos o gruesos, obtenida por cuarteo, se debe secar en el horno a una temperatura de 105 ºC ± 5 ºC, hasta un peso constante. b) Después que la muestra está seca a peso constante, se retira del horno y se pesa. c) Una vez estabilizado el peso se debe anotar este valor como peso total de la muestra (P.T.M.) d) Si se pesa la muestra seca directamente en la balanza se anota este peso en la planilla de ensayo (véase figura N 3), ejemplo: Peso muestra seca = 3.117,0 g Si se pesa la muestra en un envase encima de la balanza, se debe pesar previamente el envase a utilizar, y anotar ambos pesos en la planilla de ensayo, por ejemplo: Universidad De Los Andes 205
Peso muestra seca más recipiente = 3.567,0 g Peso del envase = 450,0 g Por diferencia Peso muestra seca = 3.117,0 g Figura N 3, Peso de la muestra más envase. Lavado de Agregado en el tamiz # 200 a) Se debe vaciar la muestra en un envase lo suficientemente grande y agregar agua hasta cubrir la muestra, para que las partículas finas queden suspendidas en el agua. b) Luego agitaría manualmente con mucho cuidado, evitando ocasionar pérdidas del material. c) Se coloca un tamiz # 4 (4.75 mm) sobre un tamiz # 200 (0.074 mm) para separar los agregados gruesos y así proteger la fina malla del tamiz # 200 (0.074 mm). d) Se debe agitar la muestra y removerla para que los finos queden en suspensión en el agua y luego verterla sobre los tamices. Evitando en lo posible la pérdida de material. e) Se añade agua limpia al envase que contiene la muestra, se agita nuevamente la muestra y se repite el vaciado del agua sobre los tamices. f) Se repite este proceso añadiendo agua limpia al envase con la muestra, hasta que el agua salga limpia y clara al agitarla. NOTA 3: El material pasa # 4 puede lavarse directamente en el tamiz # 200 utilizando el flujo de agua proveniente del grifo del lavado o utilizando el frasco lavador. 206 Facultad de Ingeniería Escuela de Civil
g) El material retenido sobre los tamices será colocado en un recipiente adecuado, junto con la muestra lavada utilizando para esto un frasco lavador, teniendo la precaución de no dejar material adherido en el tamiz.por último, se decanta el agua del recipiente. h) Se seca la muestra en el horno a una temperatura de 105 ºC ± 5 ºC, por un tiempo mínimo de 18 horas (dependiendo del tipo de agregado) y hasta peso constante. i) Una vez seca la muestra se deja enfriar, y se procede a pesarlo para obtener el peso total de la muestra. j) Luego se vierte en el juego de tamices y se separa en una serie de fracciones en diferentes tamices (1 ½ (37,5 mm.), 1 (25,4 mm.), ¾ (19 mm.), ½ (12,5 mm.), 3/8 (9,5 mm.), Nº 4, Nº 8, Nº 16, Nº 30, Nº 50, Nº 100, Nº 200. El % retenido se puede calcular con la ecuación 1 indica en los cálculos. Tamizado de agregado grueso a) Al usar un tamizador mecánico, se debe combinar el juego de tamices requeridos por las especificaciones. El tamiz con aberturas mayores, es montado en el nivel superior, y en orden progresivo se termina con el fondo ensamblado en el nivel inferior. b) Se coloca la muestra en el tamiz superior y se cubre con la tapa.si la muestra pesa más de 5 Kg., se recomienda tamizar la muestra por porciones, es decir una a la vez, ó conseguir y utilizar tamices de mayor tamaño. c) Las muestras de agregado grueso para análisis de cedazos deberán tener después de secadas, los pesos mínimos señalados en la tabla N 2. d) Cuando se realiza el tamizado de manera manual, igualmente se combinan el juego de tamices según las especificaciones, luego se comienzan a realizar movimientos circulares por un periodo de tiempo determinado como se muestra en la figura N 4. Universidad De Los Andes 207
Tabla 2,Tamaño Máximo vs Peso mínimo de la muestra TAMAÑO MAXIMO NOMINAL DE LA PARTICULA (pulg.) PESO MÍNIMO DE LA MUESTRA (Kg.) 3/8 1 ½ 2 ¾ 5 1 10 1 ½ 15 2 20 2 ½ 35 3 60 3 ½ 100 4 150 4 ½ 200 5 300 6 500 Figura N 4, Realización de movimientos a los tamices con la respectiva muestra. Tamizado de agregado fino a) Para los finos se debe utilizar el juego de tamices requerido por las especificaciones. Se debe distribuir la muestra uniformemente en el tamiz superior. 208 Facultad de Ingeniería Escuela de Civil
b) La duración para tamizar la muestra será aquel tiempo en que no más del 1 % del residuo de un tamiz pase por su malla en un minuto. c) Es preciso hacer periódicamente, a mano, el cernido de los finos y gruesos con un chequeo de los resultados del cernido mecánico. Realización de la granulometría a) Con el tamiz de mayor abertura colocado entre la tapa y el fondo, se inclina un poco este conjunto y se sube y golpea contra la otra mano que se mantendrá siempre en una misma posición. b) Se golpea así con un ritmo de aprox. 150 golpes por minuto, después de cada 25 golpes se gira este conjunto 1/6 parte de una revolución. A continuación se presenta de manera esquemática las posiciones y giros del tamiz. 2 25 GOLPES 3 25 GOLPES c) Se pesa el retenido en el tamiz y se coloca la muestra que está en el fondo en el tamiz subsiguiente con otro fondo. Se repiten los golpes y pasos para todo el juego de tamices. d) Se debe separar el retenido en el tamiz para pesarlo. NOTA 4 No se debe usar los dedos para pasar agregados que pueden ser admitidos por las aberturas del tamiz. Se deben dejar en el tamiz. Es natural que existan partículas, en ciertos agregados, con algún lado menor que la abertura del tamaño donde se han retenido. El método estándar indica que se debe agitar un tamiz con la muestra hasta llegar a menos del 1% del residuo que pasa el tamiz en un minuto. Se debe hacer pruebas con el material y los tamices para determinar este tiempo. Universidad De Los Andes 209
Cuando se usa el tamizador mecánico, se fija el tiempo en el reloj, con alarma, que corresponda a aquel tamiz que necesite más tiempo para cernir el material. e) Las fracciones retenidas en cada tamiz, se pesan en la balanza de 0.01 gr de sensibilidad como se muestra en la figura N 5, y se anotan en la planilla de ensayo. Ejemplo 1: Peso muestra en el tamiz ¾ = 1.222,0 g Peso muestra en el tamiz ½ = 1.078,0 g Figura N 5, Peso de la muestra retenida para cada tamiz. Si se pesa el material con un envase, se debe pesar y anotar el peso del envase también. Cuando las especificaciones lo indiquen, las fracciones de la muestra retenidas en cada tamiz deberán ser lavados según el ensayo A.S.T.M. C 117 para poder determinar la cantidad total de finos menor al Nº 200. Así se puede determinar el factor corrección que debe ser aplicado a la granulometría realizada en seco. f) Se debe calcular el % que pasa de cada tamiz por el procedimiento indicado en su formulario, y anotar el % en números redondos. 210 Facultad de Ingeniería Escuela de Civil
Ejemplo 2 % que pasa ½ 26,0 % Se anota el % de cada tamiz en números redondos menos el % del Nº 200, el cual se indica próximo a 0,1 %. Ejemplo 3: % que pasa Nº 20 7,3 % 5.4.1.8. CRITERIOS DE PRECISIÓN Las estimaciones de precisión para este método de ensayo están en la tabla 3. Las estimaciones están basadas en los resultados del programa de muestreo de eficiencia de laboratorios de materiales, de referencia de la A.A.S.H.T.O con ensayos realizados por el método de ensayo A.S.T.M. C136 y A.A.S.H.T.O. T127. Las estimaciones de precisión están basadas en el análisis de los resultados de 65 a 233 ensayos de laboratorio realizados a 18 pares de muestras de agregados gruesos y resultados de ensayos de 74 a 222 laboratorios que ensayaron 17 pares de muestras de agregados finos, realizados para determinar eficiencia en los ensayos. Los valores de la tabla están dados para diferentes rangos de porcentaje total de agregado que pasa cada tamiz. Los valores de precisión para agregados finos de la tabla 3 están basados en muestras de peso nominal de 500 g. La revisión de este método en 1994 permite que el tamaño de la muestra de agregado fino sea de 300 g mínimo. Los análisis de resultados de ensayos de muestras de 300 g y 500 g para medir eficiencia de ensayos, se realizaron en muestras y produjeron los valores de precisión de la tabla 4, en la que indica solamente diferencias menores derivadas del tamaño de las muestras. NOTA 5 Los valores de agregados finos serán revisados para reflejar el tamaño de la muestra de 300 g cuando se hayan realizado un número suficiente de ensayos de eficiencia usando el tamaño de las muestras que proporciona datos confiables. Universidad De Los Andes 211
5.4.1.9. CÁLCULOS Y RESULTADOS El % de retenido parcial, se calcula en función al peso total de la muestra (T). Ejemplo 1: % Retenido parcial: (1) El % de retenido acumulado se obtiene sumando en forma acumulada los % de retenidos parciales. Ejemplo 2: % Retenido Acumulado: En el tamiz de3 = 2.5 En el tamiz de2 = 2.5 + 4.0 = 10.5 También puede ser: En el tamiz de 1 ½ = 6.5 + 4 = 10.5 El % que pasa cada tamiz, se obtiene restando de 100 (%) cada % retenido acumulado en cada tamiz, o también mediante la resta sucesiva de 100 menos cada % retenido parcial. Ejemplo 3: % que pasa cada tamiz Pasa 3 = 100 2.5 = 97.5 Pasa 2 = 100 6.5 = 93.5 212 Facultad de Ingeniería Escuela de Civil
5.4.1.10. CURVA GRANULOMÉTRICA La curva granulométrica es útil para el cálculo del coeficiente de uniformidad (Cu) y el de curvatura. El coeficiente de uniformidad se calcula por medio de la siguiente fórmula: Dónde: Cu = D60 (2) D10 D60 = Es el diámetro correspondiente al 60% pasante, obtenido de la curva granulométrica. D10 = Es el diámetro correspondiente al 10% pasante, obtenido de la curva granulométrica y es denominado también tamaño efectivo. Ejemplo 4: De la Curva Granulométrica se obtiene: Cu = 6= 54.5 0.11 El coeficiente de curvatura (Cc) puede ser calculado mediante la siguiente expresión: Cc = (D30) 2 (3) D60 x D10 Cc = (0.73) 2 = 0.81 6 x 0.11 Dónde: D30 = Es el diámetro correspondiente al 30% pasante, obtenido de la curva granulométrica. 5.4.1.11. PREPARACIÓN DE LA CURVA GRANULOMÉTRICA En un papel semi logarítmico colocar en el eje de las abscisas (Y) los porcentajes pasantes y el eje de las ordenadas (X) los diámetros respectivos, tal como se ilustra en la gráfica Nº 1. Universidad De Los Andes 213
Tabla N 1,PRECISIÓN Agregado Grueso B : Precisión para un solo laboratorista Agregado Grueso : Precisión para un solo laboratorista Precisión para dos o más laboratoristas TOTAL PORCENTAJE DE MATERIAL PASANTE <100 <95 <85 <80 <60 <20 <15 <10 <5 <2 <100 <95 <60 <20 <15 <10 <2 <100 <95 <60 <20 <15 <10 <2 95 85 80 60 20 15 10 5 2 >0 95 60 20 15 10 2 >0 95 60 20 15 10 2 >0 DESVIACION ESTANDAR (1s),% A 0.32 0.81 1.34 2.25 1.32 0.96 1.00 0.75 0.53 0.27 0.26 0.55 0.83 0.54 0.36 0.37 0.14 0.23 0.77 1.41 1.10 0.73 0.65 0.31 RANGO DE ACEPTABILIDAD DE DOS RECULTADOS (d2s),% A 0.9 2.3 3.8 6.4 3.7 2.7 2.8 2.1 1.5 0.8 0.7 1.6 2.4 1.5 1.0 1.1 0.4 0.6 2.2 4.0 3.1 2.1 1.8 0.9 A Estos Números representan, los límites (1s) y (d2s) respectivamente descritos en la práctica C670 B Las precisiones estimadas están basadas en tamaño máximo nominal de 19.0mm (3/4 ). 214 Facultad de Ingeniería Escuela de Civil
Tabla N 2,DATOS DE PRECISIÓN DE ENSAYOS PARA 300 G Y 500 G Ensayo de eficiencia del agregado Fino Resultado de ensayo Total de material pasante N 4(%) Tamaño de muestra 500g 300g Núm. de Laboratorios 285 276 En el Laboratorio Entre Laboratorios Promedio 1s d2s 1s d2s 99.992 99.990 0.027 0.021 0.066 0.060 0.037 0.042 0.104 0.117 Total de material pasante N 8(%) 500g 300g 281 274 84.10 84.32 0.43 0.39 1.21 1.09 0.63 0.69 1.76 1.92 Total de material pasante N 16(%) 500g 300g 286 272 70.11 70.00 0.53 0.62 1.49 1.74 0.75 0.76 2.10 2.12 Total de material pasante N 30(%) 500g 300g 287 276 48.54 48.44 0.75 0.87 2.10 2.44 1.33 1.36 3.73 3.79 Total de material pasante N 50(%) 500g 300g 286 275 13.52 13.51 0.42 0.45 1.17 1.25 0.98 0.99 2.73 2.76 Total de material pasante N 100(%) 500g 300g 287 270 2.55 2.52 0.15 0.18 0.42 0.52 0.37 0.32 1.03 0.89 Total de material pasante N 200(%) 500g 300g 278 266 1.32 1.30 0.11 0.14 0.32 0.39 0.31 0.31 0.85 0.85 Universidad De Los Andes 215
Grafica Nº 1, CURVA GRANULOMÉTRICA 216 Facultad de Ingeniería Escuela de Civil
PLANILLA DE ENSAYO Universidad De Los Andes 217
LABORATORIO DE MECÁNICA DE LOS SUELOS Y PAVIMENTOS ENSAYO GRANULOMÉTRICO POR TAMIZADO NOMBRE DEL PROYECTO: PROCEDENCIA DE LA MUESTRA: TIPO DE MEZCLA: PROFUNDIDAD: FECHA.: TIPO DE MATERIAL: Mat. Grueso TIPO DE MATERIAL: NÚMERO... : 1 NÚMERO... :2 TAMIZ PESO DEL MATERIAL % RETENIDO ACUMULADO % QUE PASA TAMIZ PESO DEL MATERIAL % RETENIDO ACUMULADO % QUE PASA 1" 100.0 1" 100.0 3/4" 3/4" 0.0 1/2" 1/2" 3/8" 3/8" Nº 4 Nº 4 Nº 8 Nº 8 Nº 30 0.0 Nº 30 Nº 50 0.0 Nº 50 Nº 100 0.0 Nº 100 Nº 200 0.0 Nº 200 Cacerola 0.0 Cacerola PESO AGREGADO MAS TARA PESO AGREGADO MAS TARA PESO TARA PESO TARA PESO AGREGADO PESO AGREGADO TIPO DE MATERIAL: TIPO DE MATERIAL: NÚMERO... : 3 NÚMERO... : 4 TAMIZ PESO DEL MATERIAL % RETENIDO ACUMULADO % QUE PASA TAMIZ PESO DEL MATERIAL % RETENIDO ACUMULADO % QUE PASA 1" 1" 0.0 # DIV/0! 100.0 3/4" 3/4" 1/2" 1/2" 3/8" 3/8" Nº 4 Nº 4 Nº 8 Nº 8 Nº 30 Nº 30 Nº 50 Nº 50 Nº 100 Nº 100 Nº 200 Nº 200 Cacerola Cacerola PESO AGREGADO MAS TARA PESO AGREGADO MAS TARA PESO TARA PESO TARA PESO AGREGADO PESO AGREGADO ENSAYADO POR: REVISADO POR: FECHA:
LABORATORIO DE MECÁNICA DE LOS SUELOS Y PAVIMENTOS ANALISIS GRANULOMETRICO POR TAMIZADO Nº de Laboratorio Identificación de la muestra 01 Mezcla de materiales según mezcla tipo Banda Superior Mezcla de diseño Banda Inferior Observaciones Análisis Granulométrico Cálculo: Dibujo: Fecha: Localidad: