UNIVERSIDAD SANTO TOMAS MAESTRIA CONSTRUCCION DE OBRAS VIALES GEOTECNIA APLICADA A LA CONSTRUCCION OSCAR ANDRES CASTRO LOZANO
Marzo 12 de 2010
El suelo es una m ezcla homogénea de minerales sólidos con propiedades físicas y químicas, su actividad está determinada por la interacción de esas propiedades en sus diferentes componentes, agua, aire y m inerales sólidos. Pero es quizás la interacción entre el contenido de agua y la distribución de las partículas en una muestra de suelo, el parámetro que determina la mayor parte de las propiedades mecánicas y por ende la clave del comportamiento de los suelos granulares. El método de ensayo E-223, mediante la aplicación de conceptos y principios físicos básicos, cuantifica el peso específico y la absorción de los agregados gruesos, propiedades inherentes del suelo derivadas de las relaciones entre sus fases. Es objetivo de este texto, abordar en esencia estas propiedades fundamentales del suelo, de manera que a su vez se puedan generar conclusiones acerca de la utilidad y aplicabilidad de estos conceptos en la práctica diaria de la ingeniería.
Peso Específico y Absorción en Agregados Gruesos – Método de Ensa yo E-223
Los suelos se clasifican en función de su comportamiento, la caracterización por granulometría nos permite determinar los diferentes tamaños de los agregados presentes en una muestra de material, y para efectos de aplicabilidad de la norma INV E-223, tomaremos como referencia únicamente los agregados gruesos, aquellos que de acuerdo al sistema unificado de clasificación (SUCS) tienen un tamaño de partícula igual o mayor a 4.75mm. Los agregados gruesos son un tipo característico de suelo granular, por tal razón, es necesario hacer unas consideraciones previas acerca del suelo que nos facilitaran el entendimiento de propiedades fundamentales aplicable en dicho método de ensayo. El suelo dentro de su compleja composición de materia solida, gaseosa y liquida, posee interacciones físico químicas en su interior, de esta forma, las proporciones relativas entre el peso (fases gravimétricas) y el volumen (fases volumétricas) determinan una serie de propiedades físicas; algunas de ellas, basadas en la distribución de sus partículas y su contenido de agua, que sugieren cierto tipo de comportamientos geotécnicos, es el caso del Peso Especifico (G) y la Absorción (S), propiedades que aunque relacionadas gravimétricamente, las analizaremos de manera independiente. La interacción de las fases de los agregados como muestras de suelo que son, incluye propiedades naturales cuantificables tales como el pesoi y el volumen, medibles tanto en cada una de sus fases, como de forma total. La densidad es el concepto físico que relaciona estas dos propiedades, y finalmente la cuantifica como la cantidad de masa en un volumen determinado. En consecuencia, en los materiales granulares con partículas gruesas, la densidad debe hacer inclusión de sus características en cada una de sus fases, comportamiento determinado por el contenido de agua presente en las partículas de esas mismas fases. Es así como la ciencia, hace mención de una propiedad física conocida como peso unitario ( ), peso de una muestra que ocupa ii un volumen unitario . La inclusión en diferentes proporciones del agua en sus partículas solidas, determinan otros pesos unitarios tales como, seco ( ), saturado ( ) y sumergido ( ´ ). Peso Específico
Conocido el concepto de peso unitario, es claro que cualquier tipo de materia que ocupe un volumen en el espacio posea esta propiedad. El agua como materia fluida, en su estado natural y dadas sus características físicas tiene un peso unitario cuantificado conocido, la presencia natural del agua dentro de las diferentes fases del suelo, obliga a establecer una relación universal entre los pesos unitarios contenidos dentro de un material y el agua que hace parte de ella, de esta
forma se da cabida al concepto de Peso Especifico (G). En consecuencia el peso específico de un agregado grueso corresponde a la relación entre su peso unitario y el peso unitario del agua. Como el peso especifico es un cociente (cantidad adimensional), no es otra cosa que la relación de dos pesos unitarios, entonces el fundamento de esta propiedad depende de su peso unitario; es preciso identificar ciertas características relacionadas con en el peso unitario que muestran indicios del comportamiento del agregado como parte de una estructura; el peso unitario está relacionado con la cantidad total de granos o partículas presentes en una muestra (en función de la porosidad) y la cantidad de agua presente en los vacios (en función de la humedad). Los suelos tienen partículas solidas entre las que hay huecos, y también tiene agua que llena estos huecos. Las partículas entran en contacto unas con otras en pequeñas superficies o mediante capas liquidas adsorbidas. Cuando las partículas están acomodadas uniformemente, dejando vacios entre ellas, y bajo fuerzas de compactación, las partículas solidas tienen un alto grado de acomodo (compacidad) y la capacidad de deformación bajo cargas será pequeña iii . La anterior aplicación del peso especifico, se enmarca dentro de la mecánica de suelos cuando se habla de deformaciones en los materiales expuestos a fuerzas de compresión. La acción de fuerzas externas sobre una masa de suelo genera deformaciones, a esta interacción de partículas generada se le debe sumar el efecto producido por el agua. La homogeneidad de esta estructura trifásica (aire, agua y solido), es un factor determinante en la medición de los niveles de deformación. No hay duda que las normas nacionales aplicables al suelo, son la interpretación de otras normas internacionales como lo son en el caso del peso específico, ASTM C-127, AASHTO T-85 y NLT 153. En consecuencia el método de ensayo INV E-223, es una aplicación a nuestro país idéntica de las normas nombradas, aunque difieran en terminología y en la manera de explicar los conceptos, en esencia el método de ensayo es el mismo. Este ensayo, en lo que se refiere a la medida práctica del peso específico de los agregados gruesos, se muestra como una aproximación experimental al concepto. Para comprender en toda su extensión la utilidad de esta propiedad (peso específico), es necesario profundizar un poco más en los principios físicos en los que se basa el método utilizado para su medida. Los métodos de medida del peso específico se basan en el principio de Arquímedesiv, de esta forma el peso del mineral en el agua será igual a peso del material menos el empuje ejercido por el agua. El peso específico del agregado es el resultado de dividir el peso del agregado por el peso del volumen de agua que desaloja. Para calcular este último valor, se mide el peso del material en el aire y el peso del material en el agua, ya que el empuje será igual al peso del material menos el peso ejercido por el agua. El empuje proporcionado por el fluido será mayor cuanto mayor sea la densidad del fluido. En esta claridad se basan otros tipos de métodos no de menor importancia, que utilizan líquidos densos. Cuanto mayor sea la densidad del fluido utilizado, mayor será el peso del volumen desalojado. Dentro del desarrollo del ensayo, se describe una serie de procedimientos en los que se resalta la importancia del contenido de agua en las muestras del agregado, indicios de lo que será nuestro siguiente concepto a tratar, y termina cuantificando el peso especifico mediante la relación de los pesos unitarios del agregado y el agua en diferentes estados de saturación del material. El valor obtenido del peso especifico, interviene en la mayor parte de los cálculos de la mecánica de suelos, sin embargo la aplicabilidad real de este método de ensayo se da con fines de clasificación, determinación de la densidad de equilibrio de un suelo y corrección de la densidad en el terreno por la presencia de partículas de tamaño grueso. En los agregados agregados gruesos, la aplicabilidad se refleja con fuerza en el concreto, este material convencional, empleado en pavimentos, edificios y en otras estructuras, posee un peso unitario que varía dependiendo de: la cantidad y de la densidad relativa del agregado grueso presente, la cantidad del aire atrapado o incluido y de los contenidos de agua.
Además del concreto convencional, existe una amplia variedad de otros concretos para hacer frente a diversas necesidades, concretos generados a partir de la manipulación de su peso especifico, variando desde concretos aisladores ligeros con pesos unitarios de 240 kg/m3, a concretos pesados con pesos unitarios de 6400 kg/m3, que se emplean para resistir altos esfuerzos de compresión, es por eso correcto decir que en el concreto a mayor peso unitario mayor resistencia. Aunque el peso específico es una propiedad física de gran importancia presente en todos los tipos de agregados, su cuantificación en agregados gruesos no representa un indicativo claro de alguna cualidad especial del material. El enfoque practico que se le puede dar a la densidad del suelo, está contenido en marcos conceptuales básicos que facilitan el entendimiento del comportamiento mecánico del suelo. El peso especifico solo es una variable que permite en los materiales identificar otras variables (propiedades) fundamentales aplicables, relacionadas con la cantidad de partículas del suelo en un volumen determinado. Absorción
Como lo habíamos mencionado, el agua dentro de la masa de suelo es parte fundamental de su comportamiento, puede estar presente en sus tres fases y generar propiedades determinantes. Pero la absorción en términos coloquiales es la capacidad que tiene un material de retener agua, “La absorción es el aumento en peso de los agregados debido al agua en los poros del materia v ” pero, sin incluir el agua adherida a la superficie exterior de las partículas, la absorción interactúa a nivel interno de partículas y se expresa como un porcentaje del peso seco. Es entonces momento de detenerse y entender el comportamiento de algunas propiedades físicas del suelo y la interacción de las partículas a lo largo de sus tres fases. La porosidad proporciona el porcentaje de vacios en una muestra de suelo, (el tamaño de estos vacios es fundamental en este concepto), la saturación es el porcentaje de agua presente en esos vacios, Por lo anterior, la absorción esta inevitablemente relacionada, con los vacios al interior del material susceptibles a ser llenados por el agua presente y la capacidad de retención de los mismos. Mientras que el contenido de humedad relaciona el peso del agua con el del material seco contenidos en una muestra, la saturación marca el volumen ocupado por esos pesos presentes en la muestra, por eso resulta importante hacer distinción entre todos estos términos. El suelo es una composición de material homogéneo, sedimentado y estratificado que forma la corteza terrestre, cuando se tiene una muestra de suelo in situ o en laboratorio, podemos afirmar que está compuesto por partículas externas y internas. Las externas son aquellas dispuestas en la superficie en contacto con otras masas, de esta forma y bajo condiciones de permeabilidad el agua se puede adherir a esta superficie externa. Al interior como lo habíamos dicho, las partículas están distribuidas en fases, pero en cada una de esas fases existen vacios dispuestos a ser ocupados por agua de acuerdo al nivel de saturación al que sea sometido, el peso del agua en el suelo varía de acuerdo a la temperatura a la que esté sometida la muestra, hay ambientes naturales que conservan el contenido de humedad, mientras que el concepto de material seco, solo se obtiene en laboratorio. En consecuencia, es claro ahora entender el por qué se relaciona a lo largo del método de ensayo, el término saturado con superficie seca (SSS) , lo que contempla la posibilidad de que un material pueda estar saturado en su interior pero seco exteriormente. En suelos finos, el contenido de agua está directamente relacionado con su resistencia al corte y su permeabilidad, un suelo activo con variaciones de humedad muestra inestabilidad volumétrica, es por eso que la acomodación en masa de los finos permite niveles altos de absorción, caso puntual de limos y arcillas. En compactación, se habla de humedad óptima, a la humedad de mayor rendimiento, con la cual la densidad de un material alcanza a ser máxima, dependiendo el valor de la humedad óptima y de la energía de compactación, se obtiene la excelente densificación de un suelo.
La aplicabilidad de esta norma, por tratarse de agregados gruesos, está relacionada al igual que el peso especifico hacia los agregados del concreto, y más aún en concretos con altos niveles de humedad, es el caso del concreto hidráulico, en donde la cantidad de agua que se evapora al aire a una humedad relativa del 50% (el agua permanece retenida herméticamente en poros y no se evapora bajo condiciones normales) es de aproximadamente 2% a 3% del peso del concreto, dependiendo del contenido inicial de agua del concreto, de las características de absorción de los agregados, y del tamaño de la estructura. Los agregados gruesos no tienen la misma capacidad de retención que tienen los agregados finos, el contenido de humedad que aporta un agregado grueso, es mínimo frente a lo que necesita una mezcla de concreto homogéneo, es por eso que el agua y su interacción con el cemento (relación agua cemento) entra a jugar un factor determinante de las propiedades del mismo. Finalmente, hemos analizado la humedad y el peso especifico de los suelos de forma general, para llegar a una aproximación al comportamiento en los agregados gruesos; es distinto analizar el comportamiento de las partículas finas al de las gruesas, por eso los sistemas de clasificación certifican como criterios fundamentales, el tamaño de la partícula y su contenido de agua. Sin embargo, es claro que aparte de permitir identificar y referenciar otras variables presentes en general en la mecánica de los materiales (suelos y concretos), el peso especifico y la absorción son propiedades manipulables, si bien se tiene una muestra de material grueso empleado para la estructura de un pavimento o como agregado de un concreto, sus características naturales determinaran el grado de modificación que se tenga que aplicar sobre ellas, para el beneficio solicitado. “Si en esencia este tipo de compuesto de materia al que llamamos suelo, a manera de estratos da consistencia a la corteza terrestre y todo lo que en ella hay; también en esencia esta forma de materia debe brindar comportamientos similares en beneficio de los cimientos de la humanidad. Solo el entendimiento critico que la ciencia brinda de las propiedades naturales del suelo, permitirá interpretar el potencial que este tiene en el proceso de construcción del legado la civilización”.
Andrés Castro L.
Referencias Bibliográficas
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OSCAR GONZALES, FEDERICO ROBLES, Aspectos fundamentales del concreto reforzado, México D.F, 1995.
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CENTRO DE ESTUDIOS Y EXPERIMENTACION DE OBRAS PUBLICAS GOBIERNO DE ESPAÑA (CEDEX), Normas de Laboratorio de Transporte NLT-153, Madrid, 1992 .
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La masa (m) de un cuerpo está relacionada con la cantidad de materia, es decir, el número y clase de partículas que lo forman, el peso (w) de un cuerpo es la fuerza con el que la tierra atrae esa masa y es igual al producto de la gravedad gravedad de la tierra por esa masa (wg)
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Fundamentos de mecánica de suelos, proyecto de muros y cimentaciones, Daniel Graux Relaciones granulométricas y volumétricas de un suelo C2, Gonzalo Duque. iv "al sumergir un cuerpo sólido en un fluido, el fluido eje rce sobre el cuerpo s umergido una fuerza vertical igual al peso del fluido desalojado", esta fuerza vertical recibe el nombre de "empuje". Los Minerales y su Utilidad en Geología, síntesis web Esperanza Blanco. v Método para la determinación del peso específico y la absorción de los áridos gruesos, Normas de Laboratorio de Transporte NLT-153
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