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1
ndice
Contenido Pgs.
1.1 Objetivos de la prctica.. 2
1.2 Introduccin.. 2
1.3 Materiales y equipos utilizados. 3
1.4 Procedimientos de las pruebas 4
1.5 Presentacin y anlisis de resultados. 14
Conclusiones 29
Bibliografa 21
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2
1.1 Objetivo de la prctica
1.1.1 Objetivo General
Determinar la densidad relativa de slidos y sus relaciones volumtricas de suelos
cohesivos y granulares
1.1.2 Objetivos especficos
Calibrar dos (02) matraces aforados.
Determinar la densidad de slidos de suelos cohesivos y arenas.
Determinar la densidad de slidos de gravas.
Obtener las relaciones volumtricas de dos muestras de suelo, granular y
cohesivo.
1.2 Introduccin
La identificacin de los suelos es de importancia fundamental. Identificar un
suelo es, en rigor, encasillarlo en un sistema previo de clasificacin, para lo cual
deben estudiar sus propiedades y analizar su comportamiento. En la presente
prctica se determinarn la densidad de slidos de un suelo cohesivo, granular y
gravas, con la finalidad de obtener de cada muestra de suelos sus relaciones
volumtricas.
Un suelo est formado por una fase lquida constituida por agua, sales, bases
y cidos disueltos, incluso hielo, una fase gaseosa por aire, gases o vapor de
agua, mientras que la fase slida constituye el volumen de slidos conformados
por fragmentos de roca, minerales individuales y materiales inorgnicos.
Las relaciones entre las diferentes fases que constituyen al suelo (fases
slida, lquida y gaseosa), permiten avanzar sobre el anlisis de la distribucin de
las partculas por tamaos y sobre el grado de plasticidad del conjunto. En los
laboratorios de mecnica de suelos puede determinarse fcilmente el peso de las
-
3
muestras hmedas, el peso de las muestras secadas al horno y la gravedad
especfica de las partculas que conforman el suelo. Mediantes estos parmetros
se puede determinar la densidad de slidos de una muestra de suelo, que no es
ms que la relacin entre la masa de un volumen de materia y la masa de un
volumen igual de agua, o alternativamente se puede definir como la relacin entre
el peso especfico de slidos y el peso especfico del agua.
Cada tipo de suelo posee una densidad diferente a los dems, ya que todo esto
depende de su masa y su volumen, valores que varan de acuerdo al elemento.
Para la determinacin de la densidad relativa de slidos en el laboratorio se realiz
la calibracin de un matraz aforado, este mtodo de ensayo propone un
procedimiento bastante conveniente cuando se van a hacer varias
determinaciones con el mismo matraz, quedando el mismo calibrado para ensayos
futuros.
1.3 Materiales y equipos utilizados en la prctica
1.3.1 Materiales
Esptulas
Dos (02) matraces aforados
Embudo
Termmetro
Corcho
Charola para bao de mara
Pipeta
Piseta
Plato refractario
1.3.2 Equipos
Balanza digital
Plancha
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4
Equipo mezclador
Pignmetro
1.4 Procedimientos de las pruebas
1.4.1 Calibracin de dos (02) matraces aforados
Se lavaron los matraces con jabn para remover todas las impurezas
adheridas a las paredes, tal como se muestra a continuacin en la
figura 1.
Figura 1. Lavado de matraces
Se limpiaron los matraces con amoniaco o algn otro disolvente de
grasas, se deja secar boca abajo por 15 minutos, para luego lavar con
alcohol o acetona. Los cuales elimina los vapores que quedan en el
interior del matraz y a su vez, aceleraran el proceso de secado.
Se colocaron los matraces sobre la plancha caliente, como se muestra
en la figura 2, y se dejaron aproximadamente 15 minutos hasta observar
que se disipara todo el lquido de las paredes.
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5
Figura 2. Secado de los matraces
Se llenaron los matraces con agua destilada y se colocaron en bao de
mara para realizar el desairado del agua, aproximadamente durante una
hora.
Se procedi a tomar seis (06) puntos entre los rangos de temperatura de
35 C a 15 C. Para los puntos por debajo a la temperatura ambiente en
el laboratorio se utiliz hielo.
Se llenaron con agua destilada y desairada hasta que la parte inferior del
menisco coincidi con la marca de calibracin del matraz, se sec tanto
el interior del cuello como el exterior del matraz y se registr su peso.
Se homogeniz la temperatura en los matraces girndolos suavemente y
se tomaron las tres temperaturas en el matraz, en la parte superior,
inferior y el centro, con el fin de obtener un promedio, tal como se
muestra en la figura 3.
-
6
Figura 3. Toma de temperaturas del matraz
Se graficaron los resultados de los pesos de los matraces aforados (g) vs
temperatura (C), obteniendo la curva de calibracin respectiva.
1.4.2 Determinar la densidad de slidos de un suelo cohesivo y granular.
Para el clculo de la densidad de slidos de un suelo cohesivo y granular se utiliz
la siguiente deduccin;
Donde:
Gs= Densidad de slidos
Ws= Peso del suelo seco
Wvws= Peso del matraz con agua y suelo
Wvw= Peso del matraz con agua
Este ltimo (Wvw) se determina mediante la curva de calibracin obtenida
anteriormente, con el valor promedio de la temperatura.
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7
Suelo Cohesivo
Se tom una porcin de muestra inalterada que representara
aproximadamente 50 g de suelo seco para cada matraz, tomando en
cuenta su contenido de agua.
Se prepar y remoldeo la muestra como se muestra en la figura 4, y la
misma se dej saturando por 24 horas.
Figura 4. Preparacin y remoldeo del material
Se mezcl el material en el equipo mezclador y se verti el mismo dentro
del matraz, tal como se muestra en la figura 5.
Figura 5. Mezclado y vaciado del material en el matraz
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8
Se colocaron en bao de mara ambos matraces y se realiz el desairado,
durante 30 minutos aproximadamente.
Se dejaron los matraces tapados y en reposo para que se sedimentara el
material y se enfriara a temperatura ambiente, como se muestra a
continuacin en la figura 6.
Figura 6. Sedimentacin del material
Se aforaron los matraces con agua destilada y desairada.
Se pesaron los matraces (Wvws) y se tom una temperatura en la parte
superior, inferior y en el centro de cada matraz.
Se vaci la muestra de suelo en un plato refractario, con el menor contenido
de agua para disminuir los tiempos de secado, y se procedi a meterlo al
horno, con el fin de obtener el peso del suelo seco (Ws).
Con la curva de calibracin obtenida anteriormente se determin el Wvw,
utilizando el promedio de la temperatura.
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9
Suelo granular
Se tom 60 g de arena otawa para cada matraz.
Ambas muestras se sumergieron en agua para saturarlas.
Se vaci la muestra de suelo en cada matraz, tal como se muestra en la
figura 7.
Figura 7. Vaciado de la muestra de arena en los matraces
Se colocaron en bao de mara y se desairaron.
Se aforaron los matraces con agua destilada y desairada.
Se pesaron los matraces (Wvws) y se tom una temperatura en la parte
superior, inferior y en el centro de cada matraz.
Se vaci la muestra de suelo en un plato refractario, con el menor contenido
de agua para disminuir los tiempos de secado, y se procedi a meterlo al
horno, con el fin de obtener el peso del suelo seco (Ws), tal como se
muestra en la figura 8.
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10
Figura 8. Vaciado y secado de la muestra de suelo
Con la curva de calibracin obtenida anteriormente se determin el Wvw,
utilizando el promedio de la temperatura.
1.4.3 Determinar la densidad de slidos de gravas
Para el clculo de la densidad de slidos de gravas se utiliz la siguiente
frmula:
Se colocaron las gravas en una charola donde se dejaron saturando
durante 24 horas, tal como se muestra en la figura 9.
Figura 9. Saturacin de la gravas
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11
Con un pao hmedo se sec el agua superficial de las gravas.
Se fueron vaciando las gravas en el pignmetro, mientras se iba midiendo
el volumen desplazado con el uso de una probeta graduada (Vm).
Se vaciaron las gravas en una charola y se metieron en el horno.
Se pesaron las gravas secas (Ws), tal como se muestra en la figura 10.
Figura 10. Peso seco de las gravas
1.4.4 Obtener las relaciones volumtricas de dos muestras de suelo,
granular y cohesivo.
El suelo es un material constituido por el esqueleto de partculas slidas
rodeado por espacios libres (vacos), en general ocupados por agua y aire. Para
poder describir completamente las caractersticas de un depsito de suelo es
necesario expresar las distintas composiciones de slido, lquido y aire, en
trminos de algunas propiedades fsicas.
En los laboratorios de geotecnia puede determinarse fcilmente el peso de las
muestras hmedas, el peso de las muestras secadas al horno, y la densidad de
slidos. Estas magnitudes no son las nicas cuyo clculo es necesario; es preciso
obtener relaciones sencillas y prcticas a fin de poder medir algunas otras
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12
magnitudes en trminos de stas. Su dominio debe considerarse indispensable
para la aplicacin rpida y sencilla de las diversas teoras que conforman la
geotecnia.
Suelo cohesivo
Se realiz un cubo de la muestra inalterada, el cual se pes (Wm) y se
midieron todos sus lados para obtener el volumen (Vm).
Se meti al horno durante 24 horas y se obtuvo el peso seco de la muestra
(Ws)
Con la densidad de slidos (Gs) determinada del suelo cohesivo se
procedi a calcular todas la relaciones volumtrica y gravimtricas de la
muestra utilizando el diagrama que se muestra en la figura 11.
Figura 11. Diagrama de una muestra de suelo
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13
Suelo granular
Cada equipo realiz un ensayo con un equipo de compactacin llamado
Harvard miniatura con parmetros distintos para comparar los diferentes
valores obtenidos. Los parmetros fueron;
Grupo 1: por pluviacin y w= 0%
Se vaci la muestra de suelo dentro del contenedor mediante
pluviacin y se pes el molde con la muestra.
Grupo 2: por pluviacin y w= 3%
A la muestra de suelo se le agreg un 3% de agua y se vaci
dentro el contenedor mediante pluviacin. Posteriormente se pes
el molde con la muestra
Grupo 3: w= 3% y peso del pisn de 100 g
A la muestra de suelo se le agreg un 3% de agua, la misma se
dividi dentro del contenedor en 3 capas y cada capa fue
compactada por un peso esttico de 100 g. Posteriormente se
pes el molde con la muestra.
Grupo 4: w= 3% y peso del pisn de 1000 g.
A la muestra de suelo se le agreg un 3% de agua, la misma se
dividi dentro del contenedor en 3 capas y cada capa fue
compactada por un peso esttico de 1000 g. Posteriormente se
pes el molde con la muestra.
Del equipo se obtuvieron los siguientes parmetro;
El peso del molde: 502,24 g, restando este valor con el peso
del molde ms la muestra se obtiene el peso de la muestra (Wm)
El dimetro del contenedor: 33,20 mm
La altura del contenedor: 71,50 mm
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14
Con estos valores se pudo determinar el volumen de la muestra (Vm)
contenida en l.
Con el Wm, Vm y la Gs obtenidos se pueden calcular las dems relaciones
volumtrica para cada caso.
1.5 Presentacin y anlisis de resultados
1.5.1 Calibracin de dos (02) matraces aforados
A continuacin, en la tabla 1 se muestran los resultados de los seis (06) puntos
obtenidos en el laboratorio para realizar la curva de calibracin del matraz
n CV-1. En la tabla se muestra el promedio de las tres temperaturas medidas en
cada punto y el peso del matraz con agua destilada y desairada hasta la lnea de
aforo.
Lescturas PosicinTemperatura
(C)
Temperatura
promedioPeso (g)
Superior 36,3
Medio 36,3
Inferior 35,9
Superior 33,1
Medio 33,0
Inferior 32,5
Superior 31,8
Medio 31,5
Inferior 30,0
Superior 27,5
Medio 27,0
Inferior 26,0
Superior 24,5
Medio 23,5
Inferior 23,0
Superior 18,5
Medio 18,0
Inferior 17,5
3
4
5
668,17
Matraz aforado n CV-1
670,62
669,87
669,49
669,00
668,65
6
36,17
32,87
31,10
26,83
23,67
18,00
1
2
Tabla 1. Resultado de la calibracin del matraz aforado n CV-1
-
15
Se graficaron los resultados de los pesos del matraz vs el promedio de las
temperaturas, obteniendo as, la curva de calibracin del matraz aforado que se
muestra a continuacin;
y = -0,000171x3 + 0,012962x2 - 0,447553x + 675,470742R = 0,998727
668,00
668,50
669,00
669,50
670,00
670,50
671,00
0 5 10
15
20
25
30
35
40
Pe
so d
el m
atra
z af
ora
do
(g)
Temperatura (C)
Calibracin del matraz aforado(CV-1)
Calibracin del matraz aforado
Polinmica (Calibracin del matraz aforado)
Grfica 1. Curva calibracin del matraz aforado n CV-1
Con esta curva se obtuvo la frmula de la lnea de ajuste polinmica;
Y= -0,000171x3+0,012962x2-0,447553x+675,470742
Con esta frmula se puede obtener cualquier dato del peso del matraz aforado con
agua, en base siempre a una temperatura. Esta frmula ser de utilidad para la
determinacin de la densidad de slidos de los suelos cohesivos y granulares que
utilicen este matraz.
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16
En la tabla 2 se muestra los resultados de los seis (06) puntos obtenidos en el
laboratorio para realizar la curva de calibracin del matraz n CV-2. En la tabla se
muestra el promedio de las tres temperaturas medidas en cada punto y el peso del
matraz con agua destilada y desairada hasta la lnea de aforo
Lescturas PosicinTemperatura
(C)
Temperatura
promedioPeso (g)
Superior 42,2
Medio 42,4
Inferior 41,7
Superior 34,5
Medio 33,4
Inferior 30,9
Superior 28,3
Medio 28,0
Inferior 27,8
Superior 25,6
Medio 25,5
Inferior 25,3
Superior 22,5
Medio 22,0
Inferior 21,0
Superior 17,0
Medio 16,5
Inferior 15,5
3 28,03 671,58
4 25,47 671,93
Matraz aforado n CV-2
1 42,10 668,96
2 32,93 670,85
672,20
6 16,33 672,75
5 21,83
Tabla 2. Resultado de la calibracin del matraz aforado n CV-2
Se graficaron los resultados de los pesos del matraz vs el promedio de las
temperaturas, obteniendo as, la curva de calibracin del matraz aforado que se
muestra a continuacin;
-
17
y = -0,000078x3 + 0,003359x2 - 0,131298x + 674,325712R = 0,999332
668,50
669,00
669,50
670,00
670,50
671,00
671,50
672,00
672,50
673,00
0 5
10
15
20
25
30
35
40
45
Pe
so d
el m
atra
z af
ora
do
(g)
Temperatura (C)
Calibracin del matraz aforado(CV-2)
Calibracin del matraz aforado
Polinmica (Calibracin del matraz aforado)
Grfica 2. Curva calibracin del matraz aforado n CV-2
Con esta curva se obtuvo la frmula de la lnea de ajuste polinmica;
Y= -0,000078x3+0,003359x2-0,131298x+674,325712
Con esta frmula se puede obtener cualquier dato del peso del matraz aforado con
agua, en base siempre a una temperatura. Esta frmula ser de utilidad para la
determinacin de la densidad de slidos de los suelos cohesivos y granulares que
utilicen este matraz.
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18
1.5.2 Determinar la densidad de slidos de suelos cohesivos y granulares.
Suelo cohesivo
A continuacin se muestran en la tabla 3 los resultados de la determinacin de la
densidad de slidos del suelo cohesivo, utilizando tanto el matraz CV-1 como el
CV-2. Se recomienda efectuar por lo menos dos pruebas del mismo suelo para la
obtencin de la densidad relativa de slidos con el fin de medir la precisin y
exactitud de los valores, es importante que los valores obtenidos no tengan
diferencias mayores al 2%, de lo contrario se debe repetir el ensayo.
Wvws Temperatura Promedio Wvw Peso Peso (g) Ws Densidad de slidos
(g) (C) C (g) cpsula (g) cpsula+suelo seco (g) Gs
21,7
21,8
21,9
21,8
21,9
22
2,616
1,35
Su
elo
co
he
siv
o
D 805,65 852,13 46,48 2,602 CV-2 700,83 21,90 672,24
Ensayo n Matraz n Cpsula n Diferencia (%)
1 CV-1 695,08 21,80 670,10 C 755,22 795,49 40,27 2,63
Promedio
Tabla 3. Densidad de slidos de un suelo cohesivo
La densidad de slidos promedio obtenida para el suelo cohesivo fue de 2,616.
Este parmetro obtenido, ms la clasificacin visual y al tacto determin, que esta
muestra de suelo tiene una textura jabonosa, con una reaccin al agitado o
dilatancia lenta, una tenacidad ligera y una resistencia al estado seco de nula a
baja. Estas son caractersticas tpicas de un suelo limo arcilloso de mediana a baja
plasticidad.
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19
Suelo granular
A continuacin se muestran en la tabla 4 los resultados de la determinacin de la
densidad de slidos de arenas, utilizando tanto el matraz CV-1 como el CV-2. Se
recomienda efectuar por lo menos dos pruebas del mismo suelo para la obtencin
de la densidad relativa de slidos con el fin de medir la precisin y exactitud de los
valores, es importante que los valores obtenidos no tengan diferencias mayores al
2%, de lo contrario se debe repetir el ensaye.
Wvws Temperatura Promedio Wvw Peso Peso (g) Ws Densidad de slidos
(g) (C) C (g) cpsula (g) cpsula+suelo seco (g) Gs
21,5
21,5
21,6
21,5
21,5
21,5
2,673
1,30
Are
na
B 755,22 815,6 60,38 2,662 CV-2 709,92 21,50 672,28
Promedio
Diferencia (%)Matraz nEnsayo n Cpsula n
1 CV-1 707,89 21,53 670,14 A 719,22 779,31 60,09 2,69
Tabla 4. Densidad de slidos de un suelo granular
La densidad de slidos promedio obtenida para el suelo granular fue de 2,673,
este valor obtenido difiere un poco del valor establecido para la arena otawa que
es de 2,65.
1.5.3 Determinar la densidad de slidos de gravas.
Se obtuvo el volumen de la muestra mediante el agua desplazada en el
pignmetro, medida en un probeta graduada, Vm= 1250 cm3 y su peso seco se
obtuvo despus de sacar la muestra del horno, Ws= 2902,76 g.
-
20
La densidad de slido de la grava obtenida fue de 2,32, un poco por debajo en
comparacin a la densidad de slido de 2,65 caracterstico de gravas.
1.5.4 Obtener las relaciones volumtricas de dos muestras de suelo,
granular y cohesivo.
En cada caso se utiliz un equipo de compactacin llamado Harvard miniatura que
sirve para determina la relacin entre el contenido de agua de los suelos y sus
densidades, es utilizado en muestras pequeas
Suelo granular
Caso 1 (pluviacin)
Datos:
Wmolde= 502,24 g
Wmolde+muestra= 603,04 g
=33,2 mm
h= 71,5 mm
%w= 0
Gs= 2,64
-
21
Caso 2 (pluviacin)
Datos:
Wmolde= 502,24 g
Wmolde+muestra= 573,02 g
=33,2 mm
h= 71,5 mm
%w= 3
Gs= 2,673
-
22
-
23
A continuacin, en la grafica 3, se muestran los resultados de la relacin de vacios
vs el contenido de agua.
Grfica 3. Relacin de vacios por pluviacin
De esta grfica se deduce que a un contenido bajo o nulo de agua, la relacin de
vacios es pequea (e=0,62), y a un contenido de agua del 3% la relacin de
vacios es mayor (e=1,41), debido a que el agua acta como un aglutinante,
creando mayor espacio entre cada partcula.
Esto se corrobora igualmente en el clculo de la compacidad relativa, la cual se
refiere al grado de acomodo alcanzado por las partculas del suelo, donde en el
caso 1 se tiene que la compacidad relativa es de 87% y en el caso 2 la
compacidad es de 0%. La denominacin de estos porcentajes segn Lambe son
de denso a muy suelto, respectivamente, los que nos indica que la relacin de
vacios igual a 1,41 es el estado ms suelto (emax) del suelo granular en estudio.
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,600
,00
0
0,0
05
0,0
10
0,0
15
0,0
20
0,0
25
0,0
30
0,0
35
Re
laci
n
de
vac
ios
(e)
Contenido de agua
Relacin de vacios por pluviacin
Calibracin del matraz aforado
-
24
Caso 3 (con pisn de 100 g)
Datos:
Wmolde= 502,24 g
Wmolde+muestra= 604,78 g
=33,2 mm
h= 71,5 mm
%w= 3
Gs= 2,63
-
25
Caso 4 (con pisn de 1000 g)
Datos:
Wmolde= 502,24 g
Wmolde+muestra= 607,35 g
=33,2 mm
h= 71,5 mm
%w= 3
Gs= 2,645
-
26
-
27
A continuacin, en la grfica 4, se muestra los resultados de la relacin de vacios
vs el peso del pisn.
Grfica 4. Relacin de vacios con pisn
De esta grfica se deduce que la relacin de vacios con un peso del pisn igual a
100 g, es mayor (e=0,64) que la que se obtuvo con el peso del pisn igual a 1000
g (e=0,60), esto se debe a que a mayor peso esttico que se le aplica a cada capa
se genera en el suelo granular un reacomodo de las partculas y da como
resultado un suelo ms compacto, ms denso.
Esto se corrobora igualmente en el clculo de la compacidad relativa, la cual se
refiere al grado de acomodo alcanzado por las partculas del suelo, donde en el
caso 3 se tiene que la compacidad relativa es de 85% y en el caso 4 la
compacidad es de 89%. La denominacin de estos porcentajes segn Lambe son
de denso a muy denso, respectivamente.
0,60
0,60
0,61
0,61
0,62
0,62
0,63
0,63
0,64
0,64
0,650
10
0
20
0
30
0
40
0
50
0
60
0
70
0
80
0
90
0
1.0
00
1.1
00
Re
laci
n
de
vac
ios
(e)
Peso del pison (g)
Relacin de vacios con pison
Calibracin del matraz aforado
-
28
Suelo cohesivo
Datos:
Wm= 6,04 g
Ws= 2,98 g
Vm= 4,55 cm3
Gs= 2,616
-
29
Conclusiones
La importancia de la determinacin de la densidad relativa de slidos de un
suelo, es que este valor es utilizado en el clculo de las relaciones
volumtricas de los suelos, especficamente en el clculo del volumen de
los slidos, igualmente es implementado en los clculos de los ensayos de
granulometra por sedimentacin, compresibilidad y potencial de expansin
entre otros.
La fuente de error ms seria en la determinacin experimental de la
densidad relativa de slidos no es la temperatura del agua en el matraz, ni
el uso de agua comn, sino la inadecuada desairacin de la mezcla suelo-
agua, ya que el agua en condiciones normales contiene aire disuelto igual
que las partculas de suelo. Si este aire es removido de ambos materiales el
volumen de aire producir una disminucin en el peso del matraz que
contiene la mezcla suelo-agua.
En el trabajo prctico se aprendi que los suelos estn conformados por 3
fases: slida, lquida y gaseosa. Mediante la realizacin del diagrama del
suelo se puede determinar la cantidad de agua, de material y vacios que
conforman el suelo y dems relaciones volumtricas. Despus de haber
realizado la prctica se identifica que existen dos procesos distintos, la
parte prctica (trabajo de laboratorio) y el trabajo de clculo (operaciones
matemticas).
La relacin de vacios (e) y la porosidad (n) son parmetros adimensionales,
donde la relacin de vacios se vincula al volumen de vacos con una
magnitud constante para un determinado tipo de suelo, en el tiempo; en
tanto la porosidad lo hace con un valor que vara en el tiempo (por cargas,
desecamiento, o humectacin)
-
30
Los suelos granulares como la arena otawa utilizada que poseen tamaos
de partculas uniformes presentan una relacin de vacios y una porosidad
entre e= 0,511,41 y n= 34%-46%, respectivamente. Es claro que el
conocimiento de la relacin de vacos de un suelo en su estado natural no
proporciona en s mismo una informacin suficiente para establecer si el
suelo se encuentra en su estado suelto o denso. Esta informacin puede
obtenerse slo si la relacin de vacos in situ se compara con la relacin
de vacos mxima y mnima emax y emin, que pueden obtenerse con ese
suelo. Tal comparacin puede expresarse numricamente en trminos de la
compacidad relativa.
Los suelos cohesivos como el utilizado en el laboratorio, generalmente
poseen una proporcin de vacos mucho ms alta que la que es posible en
suelos granulares, de e = 0,55 - 5,00 y n = 35% - 83 %. Esto se debe a la
actividad electroqumica asociada con las partculas de mineral de arcilla.
-
31
Bibliografa
ASTM International
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