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Manual de Cátedras de Mecánica de Suelos I : Unidad 3: Propiedades físicas fundamentales
UNIDAD 3
Propiedades físicas fundamentales
3.9 Determinación del peso específico de partículas sólidas por el método del picnómetro
En el acápite anterior se había mencionado la necesidad de la obtención del peso específico de partículas sólidas para el manejo del diagrama de fases. A continuación explicaremos el método más utilizado para este fin, cuyo equipo principal será un matraz aforado (ver figura 3.14), botella de cristal de pequeño espesor de 500 a 1000 Cm3 de capacidad hasta la línea de calibración en su cuello y en condiciones particulares de temperatura. Dicho matraz deberá identificarse convenientemente mediante un número de laboratorio en una zona esmerilada provista para este propósito.
La calibración del matraz: Una vez concluido el proceso que se expondrá a continuación, nuestro matraz de laboratorio quedará convertido en picnómetro. Lo primero es la limpieza cuidadosa del matraz por dentro y fuera para lo cual se prescribe el lavado sucesivo con detergentes, alcohol y éter. Requeriremos la utilización de agua destilada para evitar cualquier tipo de perturbación debida a cambios en la turbidez, contenido en sales o cloro, o por impurezas contenidas en el agua del servicio público. El agua destilada se verterá en el matraz y seguido comenzaremos el proceso de desaerearla. La manera más común de llevar a cabo esta labor es sumergiendo a medias el matraz en baño de María, observándose el desprendimiento de pequeñas burbujas a simple vista, el cual puede ser acelerado infiriendo golpes moderados al matraz con el pulgar (ver figura 3.15). La extracción de las burbujas puede realizarse también mediante un aspirador adaptado a una llave de agua, de modo que la intensidad del vacío es determinada por el flujo, teniendo el cuidado de desconectar el dispositivo antes de cerrar la llave para que el vacío en el matraz no provoque la entrada de agua (ver figura 3.16). Ahora nos preocuparemos de enrasar el contenido de agua en el matraz para obtener un volumen constante en todas las mediciones que se harán posteriormente. El proceso de sustraer y adicionar pequeñas cantidades de agua a través de un estrecho cuello se verá facilitado mediante el uso de la pipeta. Si faltara agua para llegar a la línea de calibración, se tomaría de un recipiente que ha sido expuesto al mismo proceso del matraz.
La línea de calibración que hemos mencionado no es más que una hendidura, fácilmente identificable en el cuello del matraz, que nos indicará hasta donde se considera el volumen especificado por el fabricante.
El matraz se considerará enrasado cuando la parte inferior del menisco se hace tangente a la línea de calibración, siempre cuidando de que no permanezcan gotas de agua adheridas al interior del cuello (ver figura 3.17). Una vez enrasado, llevaremos el matraz a la balanza obteniéndose, son una precisión de centésimas de gramo, su peso más el del agua destilada, convenientemente designado W2. Este peso corresponderá a una temperatura que debe ser tomada con una precisión de décimas de grado. Lógicamente el peso del agua en el matraz será menor cuanto mayor sea la temperatura, no debiendo excedernos de los 50° para facilitar su manejo. Siguiendo este procedimiento tomaremos varios pesos con sus correspondientes temperaturas y graficaremos la curva que se muestra en la figura 3.18. Ya el matraz se puede considerar como un picnómetro.
Para determinar el peso específico de partículas sólidas de cualquier muestra, haremos uso de nuestro picnómetro. Tomaremos alrededor de 50 gramos de la muestra secada al horno y enfriada en el desecador, y la pesamos con una precisión de centésimas de gramo obteniéndose Ws. Esta muestra se introduce en el picnómetro por medio de un embudo de papel, luego de haber vertido un poco de agua en el recipiente evitándose así que la muestra se adhiera al fondo. Entonces, completaremos el volumen de agua hasta alcanzar una altura menor en tres o cuatro centímetro que la línea de calibración y lo llevamos al baño de María para removerle todo el aire contenido en el agua. Este proceso se verá dificultado ahora por la espuma y burbujas producto del contacto d la muestra con el agua. Logrado nuestro propósito y habiendo conseguido el menisco tangente a la línea de calibración, secamos el exterior del matraz, limpiamos el interior encima del nivel de agua y obtenemos su peso, anotando la temperatura a la cual se efectuó la medición luego de comprobar su uniformidad en todo el volumen de agua y suelo. Este peso, que corresponde a la suma de los pesos del matraz, del agua destilada y del suelo, lo designaremos W1.
Habíamos definido el peso específico de partículas sólidas como el cociente de dividir el peso de partículas sólidas entre su volumen correspondiente. Observado detenidamente lo que ocurre en nuestro picnómetro, nos daremos cuenta que el volumen de partículas sólidas será el mismo volumen de agua desplazada por las partículas sólidas (Vw).
Vs = Vw
gs = Ws / Vs = Ws / Vw
Este volumen de agua desplazada por las partículas sólidas puede ser expresado en función del peso del agua con la ayuda del peso específico del agua (gwt) tomando en cuenta las variaciones de este valor en función de la temperatura. Una tabla con los valores correspondientes al peso específico del agua en función de la temperatura se incluye en el apéndice de esta unidad.
gwt = Ww/Vw --> Vw = Ww / gwt
Sustituyendo esta relación en la ecuación anterior, obtenemos:
gs = ( gwt * Ws ) / Ww
Sólo nos faltaría por determinar el peso del agua desplazada (Ww), para lo cual haremos use del gráfico de calibración del matraz. Observando la figura 3.19 podemos escribir que:
Ww = ( W2 + Ws ) - W1
donde:
W2: suma de los pesos del matraz y el agua destilada. Ws: Peso de partículas sólidas. W1: Peso del matraz + agua destilada + suelo.
Este último peso (W1), dependerá de la temperatura a que se encuentre el matraz durante la medición. Por esta razón, para obtener el peso W2 a la misma temperatura a la que se tomó W1. Sustituyendo la expresión del peso del agua en nuestra ecuación original, obtendremos la expresión final del peso específico de partículas sólidas.
gs = ( ( gwt * Ws ) / ( Ws + W2 ) - W1 )
Cifras normales del peso específico de partículas sólidas (valores aproximados)
Suelo gs Arena 2.65g/cm3
Arcillas inorgánicas (2.5 - 2.9)g/cm3, aumentando con la plasticidad.
Materiales orgánicos ~ 2.3 g/cm3
Suelos con altos contenidode óxidos férrico (limonita) (3.1 - 3.2) g/cm3
Es conveniente hacer más de una medición de W1 a diferentes temperaturas, obteniéndose así varios valores de gs, con los cuales se obtendrá una media aritmética.
Este ensayo es muy sencillo, pero delicado, implicando cualquier pequeño error en la medición una gran diferencia en los resultados.
© Octubre 1981 y © Junio de 1984 Universidad Nacional Pedro Henríquez Ureña, Santo Domingo, República Dominicana
© Mayo 1994, Universidad Nacional Pedro Henríquez Ureña, Santo Domingo, República Dominicana