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ensayo de granulometría de la materia caracterización de materiales...

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ENSAYO DE LABORATORIO: GRANULOMETRÍA DE MATERIALES PARTICULADOS De la Escuela de Ingeniería Civil Facultad de Ingenierías Físico-Mecánicas Universidad Industrial de Santander DEIVER ANTUAN AMAYA FORGIONNY Estudiante pregrado UIS [email protected]

CESAR AUGUSTO VASQUEZ JAIMES Estudiante pregrado UIS Cesar2180181@corr eo.uis.edu.co BRAYAN ANDRES VILLABONA Estudiante pregrado UIS Correo electrónico

RESUMEN Este informe contiene el análisis granulométrico de un suelo y de agregados finos y gruesos, según la norma NTC 77 (Método de ensayo para el análisis por tamizado de agregados finos y gruesos) y I.N.V.E

123 (Análisis granulométrico de suelos por tamizado), de la muestra de un suelo. El procedimiento, según las normas mencionadas, y cálculos utilizados para hacer los respectivos análisis, se encuentran plasmados en este informe, junto a las conclusiones obtenidas por nuestro grupo de trabajo. PALABRAS CLAVE: Granulometría, Tamizado, Suelo, Tamiz, I.N.V.E 123.

ABSTRACT This paper contains the granulometric analysis, according to the standard I.N.V.E 123 (Soils Granulometric analysis by sieving), of the sample of a soil saved in Universidad Industrial de Santander. Procedure, according to the mentioned standard, and calculations used to do the respective analysis, are embodied in this text, with the conclusions reached by our work team. KEYWORDS: Granulometry, sieving, soil, sieve, I.N.V.E 123. 1.

INTRODUCCIÓN

El presente informe tiene como finalidad dar a conocer y analizar cuantitativamente el tamaño de un material particulado mediante el ensayo granulométrico de un suelo granular o uno fino mediante resultados obtenidos al analizar los datos tomados en el laboratorio por el proceso de tamizado, utilizando las normas INV-123 para la granulometría en suelos y la NTC-77 para el método de ensayo de los agregados. Estos ensayos son de gran importancia en el campo de la ingeniería civil, ya que permiten conocer características físicas en la composición del suelo y determinar si los agregados a usar en el concreto cumplen con lo establecido en la norma. 2. MARCO TEÓRICO El análisis granulométrico consiste en el estudio de la distribución de tamaños de las partículas que forman materiales sedimentarios o suelos, a partir de una columna de tamices de malla cuadrada determinados con base a la escala granulométrica implementada. 2.1 Clasificación granulométrica. Medición y graduación que se lleva a cabo de los granos de una formación sedimentaria, de los materiales sedimentarios, así como de los suelos, con fines de análisis, tanto de su origen como de sus propiedades mecánicas, y el cálculo de la abundancia de los correspondientes a cada uno de los tamaños previstos por una escala granulométrica. 2.2 Ensayo de tamizado Para su realización se utiliza una serie de tamices con diferentes diámetros que son ensamblados en una columna. En la parte superior, donde se encuentra el tamiz de mayor diámetro, se agrega el material original (suelo o sedimento mezclado) y la columna de tamices se somete a vibración y movimientos rotatorios intensos en una máquina especial. Luego de algunos minutos, se retiran los

tamices y se desensamblan, tomando por separado los pesos de material retenido en cada uno de ellos y que, en su suma, deben corresponder al peso total del material que inicialmente se colocó en la columna de tamices. 2.4 Definición de tamiz Es un Utensilio que se usa para separar las partes finas de las gruesas de algunos materiales y que está formado por una tela metálica o rejilla tupida que está sujeta a un aro, también es conocido por cedazo o criba. Son diferenciables según el tamaño de la luz de la malla, la altura, el diámetro o el material en el que está construido. 2.5 Definición del tamaño y forma de las partículas: El tamaño de las partículas en un depósito de suelo tiene una influencia fundamental en las propiedades y en el comportamiento ingenieril del depósito, por tanto las partículas de un suelo se describen en función de su tamaño, utilizando términos tales como grava, arena, limo o arcilla. 2.6 Agregados Son materiales granulares e inertes, de origen natural o por un proceso de trituración a partir de rocas. Constituyen entre el 65% y el 85% del volumen total del Concreto; además constituye aproximadamente el 95% de las mezclas asfálticas. 2.7 Norma I.N.V.E 123 (Análisis granulométrico de suelos por tamizado). Que tiene como objeto, el análisis granulométrico por medio de la determinación cuantitativa de la distribución de tamaños de partículas de suelo. 2.8 Norma NTC 77 (Método de ensayo para el análisis por tamizado de agregados finos y gruesos). Que tiene como objeto, el análisis granulométrico por medio de la determinación cuantitativa de la distribución de tamaños de partículas de suelo Esta identificación de los agregados se deriva de dividirlos de acuerdo con aquel que pasa o no la frontera nominal de 4,75 mm (Tamiz N°4),

De acuerdo con el tamaño de la partícula se tienen dos clases de agregados: 



Agregado grueso: es aquel agregado que no pasa del tamiz Nº4, es decir, es retenido en los tamices anteriores al Nº4 o en el mismo. [1] Agregado fino: material que queda retenido en los tamices que están abajo del Nº4, los cuales llegan hasta el tamiz Nº200.

2.9 SISTEMA UNIFICADO DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS (SUCS)

Finos - son todos los suelos que pasan el tamiz de 75 um. 2.10 GRADACIÓN 

Mediante la información proporcionada en el grafico es posible definir si el suelo analizado es bien graduado o mal graduado. Para esto es necesario determinar ciertos coeficientes como: 2.10.1

Coeficiente de uniformidad

Este parámetro evalúa el grado de similitud en el tamaño de las partículas que conforman el suelo y es descrito por la siguiente expresión:

Cu = 2.10.2

D 60 D 10 Coeficiente de gradación

Es un coeficiente que permite evaluar la variación en tamaño de las partículas de suelo, descrito por la siguiente expresión: 2

C c= Figura 1. Clasificación SUCS Suelos de partículas gruesas - son aquellas en que más del 50% son retenidos en el tamiz 75um.

D 30 D 10∗D 60

2.11 MÓDULO DE FINURA El módulo de finura da una idea del grosor o finura del agregado. De este modo, el módulo de finura será:





Gravas - Partículas que pasan el tamiz de 75 mm de abertura y quedan retenidas en el tamiz de 4.75 mm.  Gruesa - Pasa el tamiz de 75 mm y queda retenido sobre el tamiz de 19 mm.  Fina - Pasa el tamiz de 19 mm y queda retenida sobre el tamiz de 4.75 mm. Arena - Partículas que pasan el tamiz 4.75 mm y quedan retenidas en el tamiz de 75um.  Gruesa - Pasa el tamiz de 4.75 mm y queda retenida sobre el tamiz de 2.00 mm  Media - Pasa el tamiz de 2.00 y queda retenida sobre el tamiz de 425 um.  Fina - Pasa el tamiz de 425 um y queda retenida sobre el tamiz de 75 um.

TAMAÑO MÁXIMO El tamaño máximo designado para el agregado siempre es un tamaño menor que aquél a través del cual se requiere que pase el 100% del material. Este tamaño máximo se vuelve importante, por ejemplo, al seleccionar proporciones para el hormigón que resulten coherente con los requisitos de agua para la mezcla, dimensiones del encofrado y espaciamiento entre los aceros de esfuerzo. [6] TAMAÑO MÁXIMO NOMINAL El tamaño máximo nominal de un agregado es el menor tamaño de la malla por la cual debe pasar la mayor parte del agregado. Esta malla puede

retener desde 5% a 15% del agregado dependiendo del número de tamaño. [6] 3.  



      



Es necesario determinar si la muestra necesita lavado para ello se toma una porción de la muestra y se realiza presión con los dedos para ver si se pulverizan los grumos, si se desmorona es necesario realizar el respectivo lavado.



Si se determina que es necesario realizar el lavado, Se pasa el suelo a un platón que contenga agua y se van separando las piedras presentes en la muestra una vez terminado esta selección se procede a pasar la muestra por el tamiz N° 200 donde se lava con abundante agua, este proceso se realiza hasta que se pueda observar que el agua que pasa por el tamiz sale bastante limpia y clara.



Luego se escurre la muestra para eliminar los excesos de agua.



Y se pasa a una bandeja la cual debe ser pesada antes de colocar la muestra sobre esta, obteniendo el peso húmedo más bandeja.



Se introduce la bandeja con la muestra al horno a 110 ± 5 °C hasta que la muestra esté completamente seca para ellos es necesario estar sacando la muestra el horno y pesando hasta obtener un peso constante, lo cual es un claro indicador que la muestra está seca.



Luego se pasa la muestra seca a la balanza para obtener el peso seco.



Se realiza el tamizado mecánico o manual



Se pesa lo que ha quedado retenido en cada tamiz y se registran los datos los cuales deben tener como máximo un error de 1% con respecto al peso seco inicial que se introdujo en los tamices.

MATERIALES Y EQUIPO

Balanza analítica de laboratorio con error de 0,01 g Tamices de malla cuadrada con numeraciones: No. 4, No. 10, No. 20, No.30, No. 50, No. 100, No. 200. Agregado fino. Tamices de malla cuadrada con numeraciones: No. 4, No. 10, No. 20, No. 30, No. 50, No. 100, No. 200. Agregado fino. Tamices de malla cuadrada con numeraciones: 1”, ¾”, 3/8”, No.4. Agregado grueso. Muestra. Horno. Tamizadora mecánica. Bandeja aluminio resistente al calor. Espátulas para el cuarteo y separación de muestras. Cepillos: uno de cerdas gruesas y otro de cerdas delgadas 4.

PROCEDIMIENTO

Para granulometría de agregados finos y gruesos 

Se selecciona el tamaño nominal de abertura de una de las partículas más grande de la muestra y estipulamos el peso que debemos tomar de la muestra a analizar según la norma NTC-77



Para realizar el tamizado se debe ordenar los tamices siguiendo este respectivo orden: 1 ½", 1”, ¾”, ½”, 3/8”, N° 4 para agregados gruesos Y para agregados finos se deben organizar así: 3/8”, N° 8, N° 16, N° 20, N° 40, N° 50, N° 80, N° 100, N° 200.



Se agrega la muestra en la parte superior de los tamices para realizar el tamizado el cual puede ser mecánico o manual.



Se pesa el contenido que ha quedado

tamizado

Para granulometría de suelos por

5. PROCESO Y ANÁLISIS DE DATOS Presentamos los datos obtenidos en los ensayos de granulometría de suelos, agregados finos y agregados gruesos con su respectivo tratamiento de datos y análisis, para culminar verificando el cumplimiento de la norma. 5.1 GRANULOMETRIA DE SUELOS

Del ensayo realizado siguientes datos

se

obtuvieron

los

%H=

Wmh−Wms ∗100(3) Wms

%H=

1190−1043,7 ∗100=14.01 % 1043,7

Peso de la muestra (Wm) = 1100 [g] Peso de la bandeja (Wb) = 25 [g] Peso de la masa húmeda mas peso de la bandeja (Wmh+Wb) = 1215 [g] Peso de la masa seca mas peso de la bandeja (Wms+ Wb) = 1068,7 [g] Tabla 1. Datos registrados granulometría en suelos

T N°

del

ensayo

Wret [g]

2'' 1-1/2'' 1'' 3/4'' 1/2'' 3/8'' N°4 N°10 N°30 N°40 N°60 N°100 N°200 Fondo

0 0 0 0 1,86 4,63 39,88 158,78 492,14 141,95 133,14 47,34 19,37 1,18

5.1.1 Porcentaje de humedad

El porcentaje de humedad del suelo utilizado para el ensayo es de 14.01% 5.1.2 Curva granulométrica La norma I.N.V.E 123 establece que los ensayos granulométricos no deben superar un error porcentual del 1%

Error [ g ]=Wms−∑ Wret (4) Error [ g ]=1043,7 −1040,2 7 =3.43 [ g ] Error [ % ]=

Error [ g ] ∗100 (5) Wms

Error [ % ]=

3,43 [ g ] ∗100=0,32 % 1043,7 [ g]

Observamos que cumple los requisitos de la norma mencionada anteriormente, ahora procederemos a corregir los datos tomados en el laboratorio, para ellos se calculara un factor (FC) que se multiplicara por cada uno de los datos.

FC=

Para calcular el porcentaje de humedad calcularemos el peso de la masa húmeda (Wmh) y el peso de la masa seca (Wms). 5.1.1.1 Calculo de la masa seca (Wms) Wms = (Wms + Wb) – Wb

FC=

Wms ∑ Wret

(6)

1043,7 [g ] =1,003297221 1040,27 [ g ]

(1)

Wms = 1068,7 -25 = 1043,7 [g] 5.1.1.2 Calculo de la masa húmeda (Wmh)

Calculo tipo para Wret corregido para el tamiz de ½’’

Wmh = (Wmh + Wb) – Wb (2)

Wret corregido = Wret x FC

Wmh = 1215 – 25 = 1190 [g]

Wret corregido = 1,86 x 1,003297221 = 1,866 [g]

(7)

5.1.1.3 Calculo del porcentaje de humedad Después se calcula el porcentaje retenido en cada tamiz

% retenido=

W ret = x 100 Wms

(8)

Calculo tipo para el porcentaje retenido para el tamiz de ½ ‘’

% retenido=

Luego se acumulado

el

porcentaje

retenido

% ret acum=%ret acum ,ant + %ret ( 9) % ret acum para el tamiz de

% ret acum=0+0,1787=0,1787 % Por último, calculamos el porcentaje que pasa por cada tamiz. %pasa = 100 -

Figura 3. Curva granulométrica suelos

1,866 [ g ] x 100=0,1787 % 1043,7 [g ]

calcula

Calculo tipo del ½’’

Se realizo la gráfica % pasa vs T [mm] para observar la distribución granulométrica en la muestra

% ret acum

(10)

De la gráfica de granulometría de suelos podemos obtener los valores D60, D30 y D10 interpolando logarítmicamente. D10: 0,28872786 [mm] D30: 0,55661089 [mm] D60: 1,19370138 [mm] Para finalizar calcularemos el porcentaje de finos, gravas y arenas presentes en el suelo, conociendo que los finos son las partículas que pasan el tamiz N° 200, las gravas son las partículas retenidas en el tamiz N° 4 y las arenas son aquellas que pasan por el tamiz N°4 y quedan retenidas en el tamiz N°200

Calculo tipo para el tamiz de ½’’ %pasa = 100 -

0,1787 = 99,821 %

Una vez realizados cada uno de los cálculos se organizaron en la siguiente tabla. Para finalizar calcularemos el coeficiente curvatura (CC) y el coeficiente de uniformidad (CU) de la siguiente manera

CU =

D60 ( 11 ) D10

CU =

1,19370138 =4,1343 0,28872786

CC=

D 302 ( ) 12 D 60∗D 10

CC=

0,556610892 =0,8989 0,28872786 x 1,19370138

5.2 Granulometría de agregados finos Del ensayo realizado en el laboratorio se obtuvieron los siguientes datos.

Peso de la muestra (Wm) = 600 [g]

N tamiz 3/8'' N° 4 N° 10 N° 20 N° 40 N° 60 N° 100 N° 200 Fondo

wr [g] 5,9 34,3 70,9 160,1 217,9 74,1 22,6 9,2 3,1

porcentaje establecido por la norma (tabla 6) podemos observar pequeños fallos en el tamiz N°4 5.2.3 Curva granulométrica

Tabla 4. Datos del ensayo de granulometría para agregados finos. 5.2.1 Error porcentual Calcularemos el error tomando las formulas (4) y (5) vistas anteriormente.

Error [ g ]=600 −598,1=1,9 [g ] Error [ % ]=

1,9 x 100=0,316 % 600

Teniendo en cuenta que la norma NTC 174 establece que el error máximo es de 1% se puede continuar con el tratamiento de datos

Figura 4. Curva granulométrica agregados finos De la grafica podemos obtener los valores de D10, D30 y D60 interpolando logarítmicamente D10: 0,29881983 [mm]

D30: 0,4751113 [mm] D60: 0,76301143 [mm] Calcularemos el coeficiente uniformidad (CU) y el coeficiente de curvatura (CC) haciendo uso de las formulas (11) y (12) respectivamente.

CU =

Tabla 5. Tablas granulométricas agregados finos

CC=

0,76301143 =2,5533 0,29881983

0,47511132 =0,99 0,76301143 x 0,29881983

Para que la arena sea bien graduada se debe cumplir que CU > 6 y 1< CC < 3, como podemos observar no se cumplen ninguno de los requisitos, por lo tanto, podemos concluir que el agregado fino no está bien graduado. Tabla 6. Gradación aceptada para agregados finos (Fuente: NTC 174) Si realizamos una comparación del porcentaje que pasa en el ensayo en la tabla 5 y el

5.2.4 Modulo de finura Ahora calcularemos el modulo de finura (MF) teniendo en cuenta la siguiente formula:

MF= MF=

∑ %Ret acum (13) 100

345,510 =3,455 100

[2.] ICONTEC, Norma Tecnicas Colombiana 77 (NTC77), Bogota: ICONTEC, 2007. [3.] ICONTEC, Norma Tecnica Colombiana 174, Bogota: ICONTEC, 2000.

6. 



CONCLUSIONES

Estos ensayos son de gran importancia en el campo de la ingeniería civil ya que permiten conocer ciertas características en la composición del suelo y determinar si los agregados a usar en el concreto cumplen con lo establecido en la norma. Todo esto tiene como fin determinar si pueden ser usados en una obra civil determinada. No fue posible clasificar el suelo mediante el ensayo granulométrico dado que más del 10% pasó por el tamiz N° 200 lo cual impide calcular el coeficiente de uniformidad (Cu) y el coeficiente de curvatura (Cc), es de resaltar que para esto es necesario realizar un ensayo de límites que proporcione más información respecto a la muestra.



Los ensayos de laboratorio fueron realizados correctamente dado que no superan el porcentaje de error establecido por las normas (I.N.V.E 123, NTC 77 y 174).



Los agregados finos pese a ser clasificados como una arena bien gradada (SW) según el sistema de clasificación unificado de suelos (SUCS), no cumplen con los porcentajes que deben pasar por cada tamiz según la norma técnica colombiana 174.



Los porcentajes de material que pasan por los tamices en el agregado grueso no cumplen con los requisitos establecidos por la norma debido a su mala gradación, por ende, no puede ser implementado en la elaboración de concreto.

7.

REFERENCIAS

[1.] Goma, F. El cemento portland y otros aglomerantes. Barcelona : Reverte, 1973

[4.] Insituto colombiano de normas Tecnicas y certificacion. Ingenieria civil y arquitectura. Cementos. Metodo para determinar la densidad y absorcion del agregado fino. Bogota : ICONTEC, 2010. NTC 237. [5.] INVIAS, Norma INV128, Bogota: INVIAS, 2012. [6.] Gutierrez de Lopez, Libia. El concreto y otrosmateriales de construccion. Manizales : Universidad Nacional de Colombia, 2003. 9589322-82-4. ....