DEPARTAMENTO DE IRRIGACIÓN

MECÁNICA DE SUELOS

Reporte de práctica 2:

Densidad de Solidos

EQUIPO 6:

Esteva Jiménez Verónica.

Estevane Guzmán Francisco Javier.

García Rodríguez Antonio

Hernández González Tania

Huerta Ramírez José

.PROFESOR:

T.A. Alfonso Martínez Puebla

6° GRUPO A

CHAPINGO, MÉXICO. 28 de agosto de 2015.

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA CHAPINGO

1. INTRODUCCIÓN

La densidad es una propiedad intensiva de la materia, es decir, que no depende de la cantidad de materia, no depende de la masa. La densidad de un cuerpo D resulta del cociente entre su masa m y su volumen V: D = m / V. De esta forma se define entonces como densidad de un suelo, la relación entre el peso del sólido y el peso del volumen de agua que desaloja.

En la presente práctica se quiere determinar la densidad de sólidos, la cual es simplemente la relación entre la masa de sólidos de un suelo y el volumen ocupado por dichos sólidos. Su masa se mide fácilmente por pesada y el volumen se deduce por diferencia al ser introducido en un baño de agua.

La aplicación conjunta del principio de Arquímedes y de la tercera ley de Newton, permite determinar la densidad de un cuerpo de forma irregular sumergiéndolo en un líquido de densidad conocida y por lo tanto es en los principios en los que nos basaremos para realizar la práctica.

La Tercera Ley de Newton, también conocida como principio de acción y reacción establece que: “cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza igual pero de sentido contrario”. Estas fuerzas, sin embargo, no se anulan ya que se aplican sobre cuerpos diferentes. Mientras tanto, el Principio de Arquímedes establece que: “todo cuerpo sumergido en un líquido experimenta una fuerza igual y de sentido contrario al peso del volumen del líquido desalojado”.

Basándose en estos dos principios, se puede determinar la densidad ρc, de un cuerpo de forma irregular, sumergiéndolo en un líquido de densidad conocida ρl. Cuando el cuerpo, de masa mc, se sumerge en una masa ml de líquido, éste ejerce un empuje E sobre el cuerpo. De acuerdo con la tercera ley de Newton, el cuerpo ejercerá sobre el agua una fuerza igual y de sentido contrario. Esta fuerza será igual al peso del líquido desalojado. Si el sistema se sitúa sobre una balanza, esta leerá una masa mayor que cuando el cuerpo no está sumergido.

2. OBJETIVOS

Reconocer y cuantificar los valores de densidad de sólidos de diferentes materiales (en función de su tamaño) que se pueden encontrar en los suelos, empleando para ello un matraz de fondo plano, con su correspondiente curva de calibración.

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3. REVISIÓN DE LITERATURA

Juárez (2005) nos dice que la densidad de sólidos se define como la relación que existe entre el peso de los sólidos y el peso del volumen del agua desalojado por los mismos, la cual es expresada comúnmente en gr/cm3. Generalmente la variación de la densidad de sólidos es de 2.60 a 2.90, aunque existen excepciones como en el caso de la turba en la que se han registrado valores de 1.5 y aún menores, debido a la presencia de materia orgánica. En cambio en suelos con cierta cantidad de minerales de hierro la densidad de sólidos ha llegado a 3. En la turba se han llegado a medir valores de 1.5, debido a la presencia de materia orgánica. Los minerales de arcilla que contribuyen a la fracción coloidal de un suelo, puede tener un promedio de 2.8 y 2.9, sin embargo para algunas arcillas volcánicas del Valle de México suelen encontrarse promedio más bajos, de entre 2.2 y 2.6.

A continuación se muestra una tabla comparativa para la densidad de sólidos.

Tabla 1. Densidad de Sólidos comunes de acuerdo al tipo de material.

Tipo de material Densidad de sólidos en gr/ cm3

Cenizas volcánicas 2.20 a 2.50

Suelos orgánicos 2.50 a 2.65

Arenas y gravas 2.65 a 2.67

Limos inorgánicos y guijarros arcillosos 2.67 a 2.72

Arcillas poco plásticas y medianamente plásticas 2.72 a 2.78

Arcillas medianamente plásticas y muy plásticas 2.78 a 2.84

Arcillas expansivas 2.84 2.88

3.1. Metodología para calibración de matraz empleado en la determinación de la densidad de sólidos.

1. Con amoniaco, o alguna solución que disuelva las grasas se limpia el matraz. Puede ser necesario dejarlo lleno con la solución durante varias horas. Después se enjuaga varias veces con agua destilada y se deja escurrir, colocándolo con la boca hacia abajo. Enseguida se lava con alcohol, se deja escurrir, se lava con éter, y se eliminan los vapores colocándolo con la boca hacia abajo, durante 15 minutos.

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2. Se llena el matraz con agua destilada o desmineralizada a la temperatura ambiente hasta, aproximadamente 5 milímetros debajo de la marca de aforo. Se dejan transcurrir 30 minutos por lo menos para permitirle alcanzar la misma temperatura del agua que contiene.

3. Se llena con cuidado el matraz, usando una pipeta, hasta que la parte superior del menisco coincida con la marca de aforo.

4. Se seca cuidadosamente el interior del cuello con una toalla de papel doblada. Se seca también el exterior.

5. Se pesa el matraz con agua (Wmw), con precisión de 0.01 gramos. Enseguida, se agita ligeramente y se toma la temperatura del agua, con precisión de 0.1 °C, introduciendo el termómetro hasta el centro del matraz. Se verifica la uniformidad de la temperatura en otros puntos de la suspensión. Se vuelve a agitar si las diferencias exceden de 0.5°C.

6. Se hace una determinación adicional aproximadamente a la misma temperatura, para verificar los resultados.

7. Se repiten los pasos 2 a 6 utilizando agua a una temperatura aproximadamente 5°C superior a la ambiente del laboratorio.

8. Se repiten los pasos 2 a 6 utilizando agua a una temperatura aproximadamente 5°C inferior a la ambiente del laboratorio.

9. Las temperaturas, y los pesos del matraz y del agua se anotan en la lámina 2.2. se construye una gráfica en papel milimétrico.

3.2. Aplicación.

El peso específico relativo de los sólidos es una propiedad índice que debe determinarse a todos los suelos, debido a que este valor interviene en la mayor parte de los cálculos relacionados con la Mecánica de suelos, en forma relativa, con los diversos valores determinados en el laboratorio pueden clasificarse algunos materiales. Una de las aplicaciones más comunes de la densidad de sólidos (Ss), es en la obtención del volumen de sólidos, cuando se calculan las relaciones gravimétricas y volumétricas de un suelo.

4. MATERIALES.

Balanza de capacidad de 800 gr Matraz Sistema de desaerado Termómetro Alcohol

Estufa Horno Desecador Pizeta Solución para disolver

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Muestras.

5. METODOLOGÍA.a) Procedimiento de prueba para suelos no cohesivos.

1. De la muestra preparada que se pasó por la malla número 4 (4.76 mm), se colocaron 60 gramos en una capsula de porcelana que se dejó al horno durante 18 horas. Se dejó enfriar la capsula y su contenido en un desecador.

2. Un matraz limpio, de 500 cm3, con aproximadamente 100 cm3 de agua destilada, se pesó con una precisión de 0.01 gramos. El peso que se obtuvo se registró.

3. El material seco se vacío en el matraz mediante un embudo de vidrio. Se volvió a pesar el matraz, anotando el peso Wms, en el registro de cálculos. Después de que se pesó se desprendió el material que quedo adherido al interior del cuello, utilizando una pizeta con agua destilada.

4. Se aplicó vacío al matraz para extraer el aire no disuelto, para evitar un burbujeo excesivo. Se aplicó primero un vacío parcial y se aumentó gradualmente hasta el máximo que se mantuvo durante 15 minutos, por lo menos, para lograr un desaerado, completo. El matraz se agito suavemente para facilitar la expulsión del aire.

5. Se agregó con cuidado agua destilada hasta dos centímetros debajo de la marca de aforo, el agua escurrió lentamente por el cuello, para evitar la formación de burbujas.

6. Se agitó el matraz y se midió la temperatura en el centro del líquido. Se verifico la uniformidad de la temperatura en otros puntos de la suspensión.

7. Se secó cuidadosamente el exterior del matraz.8. Se pesó el matraz, el suelo y el agua. Se registró el resultado (Wmws).9. Se obtuvo el peso de los sólidos Ws como diferencia entre Wms y Wm.

10. De la curva de calibración del matraz se obtuvo el peso del mismo, con agua destilada hasta la marca de aforo, a la temperatura t, del ensaye Wmw.

b) Determinación de la densidad de sólidos en partículas de grava.1. Se mantuvo sumergido en agua, durante 24 horas, unos números suficientes de

gravas para hacer la determinación representativa. Transcurrido el tiempo se sacaron las gravas saturadas y se secaron superficialmente.

2. Se pesaron las gravas saturadas y superficialmente secas; se anotó el peso de la grava humedad.

3. Al determinar el volumen de la grava, se introdujeron en una probeta graduada que contenía cantidad conocida de agua. La diferencia de las dos lecturas en la probeta fueron el volumen de las gravas.

4. Se secaron las gravas en el horno y se pesaron.

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6. RESULTADOS

En la siguiente tabla se muestran los datos obtenidos durante la práctica de densidad de sólidos.

Tabla 2. Lecturas realizadas y resultados obtenidos.

MATERIAL < QUE LA MALLA N°4 MATERIAL > QUE LA MALLA N° 4

Matraz N° 9 Peso grava húmeda 251.67 gr

Temperatura 38.6 ° Peso grava seca 251.11 gr

K 0.99276 Peso agua absorbida 0.56 gr

Wmws 757.93 gr Volumen desalojado 92 ml

Wmw 721.52 gr % de absorción 0.223 %

Wms 279.29 grVolumen real de

sólidos91.78 ml

Wm 219.29 gr Densidad de masa Sm

Ws = Wmw – Wmws 60 gr Densidad de sólidos Ss 2.736 gr/cm3

Ss 2.53 gr/cm3

Nomenclatura: Wm = peso del matraz antes de agregar los sólidos.Wms = Peso del matraz después de agregar los sólidos.Wmws = Peso del matraz + agua + muestra a t°Wmw = Peso del matraz + agua a t° (de la curva de calibración)Ws = Peso del suelo seco

Ss = Densidad de sólidos = WsK

Wmw+Ws−Wmws

K = Densidad del agua a t°

7. ANÁLISIS

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Comparando los resultados obtenidos con la literatura, se observa que la densidad de sólidos (Ss) del material menor que la malla 4, está por debajo del rango (2.65-2.67); mientras que el mayor a la misma malla se encuentra por arriba. Estos resultados se poder atribuir a que a los siguientes errores posibles:

- Es posible que la arena haya contenido partículas de materia orgánica, lo cual provocó gases al estar en contacto con el agua.

- El aire que contenía el matraz en un inicio no fue eliminado por completo debido a su insolubilidad.

- El tiempo transcurrido entre el secado de las rocas y el pesado de las mismas fue suficiente para que el agua superficial se evaporara, pasando a ocupar el espacio por aire.

- De igual manera, cabe la posibilidad que las balanzas tienen poca sensibilidad ante las centésimas de gramo.

De los valores obtenidos para Ss, podemos también apreciar que los sólidos de mayor tamaño tienen una densidad (2.736 gr/cm3) mayor que los sólidos fino (2.53 gr/cm3), lo cual se debe más que nada la composición interna de dichos sólidos.

En el caso del porcentaje de absorción para el materia correspondiente a gravas (material que no pasó por la malla No.4), podemos notar que es muy pequeño, es decir que la capacidad de absorber agua de este suelo, con esta grava, es muy baja.

8. CONCLUSIONES

Se logró conocer el procedimiento para determinar la densidad de sólidos finos y solidos grueso. Se debe tener precaución al momento de las pesadas pues esto contribuye a la generación de errores que alteran los resultados obtenidos. Los sólidos que conforman a un suelo, sólidos finos y gruesos, tienen diferentes densidades acorde a las características internas de cada material.

9. BIBLIOGRAFIA.

Juárez Eulalio, Mecánica de Suelos I: Fundamentos de la Mecánica de Suelos, 2° Edición, Editorial Limusa, México, 2005.

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