OBTENCIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD EN SUELOS FINOS, USANDO HORNO MICROONDAS SIN REDUCTOR DE CALOR EMPLEANDO UNA
POTENCIA DE 400W
FABIÁN ANDRÉS CORREDOR YULY JOHANA MORENO FONSECA
UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C. 2011
OBTENCIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD EN SUELOS FINOS, USANDO HORNO MICROONDAS SIN REDUCTOR DE CALOR EMPLEANDO UNA
POTENCIA DE 400W
FABIÁN ANDRÉS CORREDOR YULY JOHANA MORENO FONSECA
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar el título de Ingeniero Civil
Director de trabajo de grado Ingeniero Fernando Nieto Castañeda
UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL
BOGOTÁ D.C. 2011
TABLA DE CONTENIDO Pág. INTRODUCCIÓN ... 10 1. EL PROBLEMA ... 12 1.1 LÍNEA ... 12 1.2 TÍTULO ... 12
1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ... 13
1.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ... 14
1.5 ANTECEDENTES ... 14 1.6 JUSTIFICACIÓN ... 18 1.7 OBJETIVOS ... 18 1.7.1 General ... 18 1.7.2 Específicos ... 19 2. MARCO REFERENCIAL ... 20
2.1 MARCO TEÓRICO – CONCEPTUAL ... 20
2.1.1 Suelo... 20 2.1.2 Arcilla ... 20 2.1.4 Limo ... 21 2.1.5 Límites de consistencia... 21 2.1.5.1 Límite líquido ... 22 2.1.5.2 Límite plástico ... 23 2.1.5.3 Índice de plasticidad... 23 2.1.5.4 Humedad natural ... 23 2.1.6 Horno microondas ... 25 2.1.6.1 Ondas ... 26 2.1.6.2 Ondas electromagnéticas ... 26
2.1.6.3 Las microondas ... 26
2.1.7 Disipador térmico o reductor de calor ... 27
2.1.7.1 Carbonato de potasio ... 27 2.1.8 Horno convencional ... 27 2.1.9 Sobrecalentamiento ... 28 2.2 MARCO NORMATIVO ... 29 3. METODOLOGÍA ... 30 3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN ... 30
3.2 FASES DEL PROYECTO ... 30
3.3 FLUJO-GRAMA METODOLÓGICO ... 33
4. TRABAJO INGENIERIL ... 34
4.1 PROCESO DE SECADO EN LOS HORNOS ... 35
4.1.1 Proceso de secado en horno convencional ... 35
4.1.2 Proceso de secado en horno microondas... 37
4.2 DESCRIPCIÓN DE ENSAYOS ... 40
4.2.1 Humedad natural ... 40
4.1.2 Límites de consistencia... 42
4.2 PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS ... 42
4.2.1 Preparación de muestras en forma de cilindro ... 43
4.2.2 Preparación de muestras en forma de rodajas ... 44
4.2.3 Preparación de muestras en forma de rollos ... 45
4.2.4 Preparación de muestras para ensayos de límite líquido ... 47
4.2.5 Preparación de muestras para ensayos de límite plástico ... 47
4.3 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE ENSAYOS ... 49
4.3.1 Resultados y análisis en los ensayos de humedad natural... 50
4.3.2 Resumen y análisis de los datos obtenidos en los ensayos de límites de consistencia ... 57
5. CONCLUSIONES ... 64
MANUAL ... 67 BIBLIOGRAFÍA ... 69 NEXOS ... 72
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1. Normatividad técnica utilizada en el desarrollo de la investigación... 29
Tabla 2. Relación número de ensayos por suelo, forma. Totalizando el número de ensayos por horno. ... 41
Tabla 3. Resultado de ensayos de humedad natural en suelos arcillosos, agrupados según su forma . ... 50
Tabla 4. Porcentaje de suelos arcillosos estallados según la forma. ... 54
Tabla 5. Clasificación suelos límites de consistencia. Datos y % de error en límites de consistencia, horno microondas Vs. horno convencional. ... 58
LISTA DE ILUSTRACIONES
pág.
Ilustración 1. Límites de consistencia. ... 22
Ilustración 2. Distribución de muestras en el horno microondas para contenido de humedad natural “forma cilindros”. ... 32
Ilustración 3. Distribución de muestras en el horno microondas para límites de consistencia “límite líquido”. ... 32
Ilustración 4. Flujo-Grama general. ... 33
Ilustración 5. Recipiente de cerámica para horno microondas. ... 34
Ilustración 6. Recipiente de aluminio para horno convencional. ... 35
Ilustración 7. Horno convencional. ... 35
Ilustración 8. Procedimiento de secado en el horno convencional. ... 36
Ilustración 9. Horno microondas y especificaciones de este para la investigación. 37 Ilustración 10. Procedimiento de secado en el horno microondas. ... 39
Ilustración 11. Preparación de muestras en forma de cilindro. ... 43
Ilustración 12. Recipientes con muestra en rodajas para el horno convencional. .. 45
Ilustración 13. Preparación de muestras en forma de rollos. ... 46
Ilustración 14. Rollos para determinar el límite plástico de un suelo. ... 48
Ilustración 15. Secado del centro hacia los extremos de suelos arcillosos. ... 53
LISTA DE GRÁFICAS
pág.
Gráfica 1. Proporcionalidad de contenido de humedad Vs. Tiempo, en suelos arcillosos. ... 52
Gráfica 2. Contenido de humedad en horno microondas Vs. horno convencional para todas las formas en los ensayos. ... 56
LISTA DE ANEXOS
pág.
Anexo A. Formatos de límites de consistencia. ... 72
Anexo B. Formatos para el contenido de humedad natural. ... 74
Anexo C. Datos obtenidos con tiempos y pesos para límites de consistencia, en horno microondas y horno convencional. ... 75
Anexo D. Datos obtenidos del horno microondas con tiempos y pesos para contenido de humedad natural. ... 79
Anexo E. Resultados de límite líquido, límite plástico e índice de plasticidad con porcentajes de error entre horno microondas y horno convencional... 81
Anexo F. Resultados de contenido de humedad natural con porcentajes de error entre horno microondas y horno convencional. ... 95
Anexo G. Norma ASTM D 4643. ... 103
Anexo H. Costos de investigación. ... 105
10
INTRODUCCIÓN
Para la realización de obras civiles, se debe tener en cuenta las propiedades físico-mecánicas de la superficie o del material utilizado donde se vaya apoyar la estructura. Estas propiedades pueden verse afectadas por variables o parámetros de estado, tal como, el contenido de humedad en un suelo, por consiguiente, es necesario el estudio de métodos de ensayos que arrojen resultados confiables y que lleven a un menor tiempo de realización.
El uso del método de ensayo INV. E 122 ó ASTM D 2216 para la determinación del contenido de humedad puede ser muy exigente en tiempo, estos tiempos de secado son de aproximadamente 8 horas a 24 horas, tiempo que afectaría la continuidad de cualquier obra que necesite de este método, generando altos costos debido a la espera de los resultados, por esto se necesitaría de un método más sencillo y rápido para obtener los resultados de contenido de humedad, el uso de un horno microondas es uno de los métodos.
El comportamiento de un suelo que se somete al horno microondas depende de su composición mineralógica y como resultado no hay un procedimiento único aplicable para todos los tipos de suelo, lo que se busca en este trabajo de grado es encontrar el contenido de humedad en suelos finos, usando horno microondas sin reductor de calor con una potencia de 400W.
11
Desde el 2006 con el trabajo de grado de Hilarión y Gámez se inicio esta línea de investigación en la Universidad de la Salle y se han venido desarrollando diferentes tipos de trabajos de grado cambiando variables con el fin de obtener un proceso para cada tipo de suelo “finos y gruesos”.
12
1. EL PROBLEMA
1.1 LÍNEA
El proyecto de investigación a desarrollar corresponde al grupo de Investigación de (CIROC)1, en la línea DE EVENTOS NATURALES Y MATERIALES PARA OBRAS CIVILES. El objetivo de esta línea es el avance en el conocimiento de las propiedades físicas y mecánicas de los materiales utilizados en la realización de obras civiles y con este trabajo de grado se busca optimizar el tiempo de realización de ensayos para contenido de humedad en obra, ya que no todas las obras tendrán disposición de laboratorios cerca, además se lograría disminuir los consumos de energía que se vería reflejado en menor impacto ambiental.
1.2 TÍTULO
Obtención del contenido de humedad en suelos finos, usando horno microondas sin reductor de calor y empleando una potencia de 400w.
1
13
1.3 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Hoy en día se utiliza la norma ASTM D2216-98 o la norma colombiana INV. E122, esta describe en su proceso la utilización de un horno convencional, el cual hace el secado de la muestra por convección2, hasta obtener un peso constante de esta, en la realización de estos ensayos se hace la toma del peso seco a las 24 horas para asegurar un peso constante, este tiempo de 24 horas es un obstáculo cuando la obra civil necesita resultados inmediatos, por esto se necesita desarrollar un método que disminuya los tiempos de secado, es por medio del horno microondas que se espera lograrlo.
El suelo tiene una consideración y es que este no se puede calentar a más de 110°C debido a que se estaría alterando la capa doble difusa y esto genera que se obtenga un resultado de contenido de humedad más alto, en el horno convencional se puede evitar el sobrecalentamiento de la muestra ya que este tiene un controlador de temperatura, en el horno microondas no se puede controlar la temperatura, por lo cual este trabajo de grado está centrado en obtener contenidos de humedad usando horno microondas sin reductor de calor con una potencia de 400W, para posteriormente comparar estos resultados con los obtenidos en el horno convencional y establecer si este método es viable.
2
14
1.4 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
¿Al no utilizar reductores de calor y variando la forma y el peso de las muestras, afectará el contenido de humedad en suelos finos mediante el horno microondas y el tiempo de exposición de la muestra de suelo fino hallada anteriormente por Lucuara Gómez Kerly Johanna 3?.
1.5 ANTECEDENTES
Se conoce sobre la norma ASTM D4643 “método para determinar el contenido de
humedad utilizando para ello el horno microondas” y la norma I.N.V. E–135-07
“humedad de suelos usando horno microondas”, estas no sugieren un tiempo fijo
de secado según el suelo, tampoco hablan de cuál es la potencia a la que se debe exponer el suelo.
La Universidad Nacional de Medellín, facultad de Minas, grupo de Geotecnia, ha adelantado estudios referentes al tema, y dentro de sus normas técnicas se encuentra la GG-09 Determinación de contenido gravimétrico de agua, Horno de microondas, basada en la norma ASTM D4643, la cual no pretende reemplazar el método convencional descrito en la norma ASTM D2216, es más bien un
3
LUCUARA GÓMEZ, Kerly Licuara. Determinación de humedad natural de suelos finos sin utilizar reductores de calor mediante el horno microondas. Bogotá, 2010, 66 h. Trabajo de grado (Ingeniero Civil). Universidad de la Salle. Facultad de Ingeniería. Programa de Ingeniería Civil.
15
suplemento a éste, que permite obtener resultados más rápidos cuando se requieran para acelerar los ensayos. Este método es aplicable para la mayoría de los suelos; para algunos suelos como los que contienen cantidades importantes de halloysita, mica, montmorillonita, yeso u otros materiales hidratados, suelos orgánicos o suelos en los que el agua en los poros contienen sólidos disueltos, éste método puede dar valores del contenido de agua erróneos.
La Universidad Nacional de Rosario, facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura de Argentina, en su reporte técnico RT-ID-03-011 realizado por los ingenieros Silvia Angelone, Fernando Martínez y Fernanda Airasca, en el cual se determinó el contenido de humedad natural para distintos suelos de forma comparativa entre el horno convencional y el horno microondas, ellos exponen los 18 resultados de un estudio realizado a suelos de tipo A-4 (8), A-7-6 (14), A-3 (0) y A- 7-6 (12)4, obteniendo resultados aceptables entre los rangos mencionados en las normas existentes.
La Universidad de La Salle ha realizado una línea de investigación arrojando cuatro trabajos de grado, los que se tienen en cuenta para la realización de esta investigación.
El primer trabajo de grado fue “Determinación de la humedad en suelos granulares
utilizando horno microondas y comparación de los resultados con el método
4
16
tradicional” realizado por Claudia Gámez y Diana Hilarión, del cual se publico el
articulo “Método para la determinación de la humedad en suelos granulares utilizando el horno microondas” con el que se buscaba los tiempos mínimos
necesarios para lograr un resultado de peso constante, que no superara los 110ºC de temperatura5, en este trabajo se determinó la potencia adecuada para los ensayos de contenido de humedad, siendo esta de 420 Watts con esta potencia se garantiza no exponer el suelo a sobrecalentamiento además se determinó la solución para el reductor de calor que fue 80 gr de K2CO3 “carbonato de potasio”
en 100 cm³de agua.
En el trabajo “análisis comparativo de los resultados obtenidos en ensayos de
humedad y caracterización sobre muestras de suelos finos secadas en horno microondas vs. El método tradicional” realizado por Johana Santos, Andrés Pinto y Cesar Carreño, al igual que el de Gámez e Hilarión, se obtiene una publicación donde se determina el tiempo de secado para muestras de suelos finos y se realizaron ensayos de caracterización de las muestras utilizadas durante el desarrollo experimental6, este trabajo de grado concluye que el tiempo máximo de exposición de las muestras en horno microondas es de aproximadamente 32 minutos garantizando con el reductor de calor que la muestra no se está
5
NIETO, Castañeda Fernando A.; HILARION, Diana L. y GÁMEZ, Claudia P. Método para la determinación de la humedad en suelos granulares utilizando horno microondas. En: Épsilon. Enero - Junio 2008. No. 10, p. 23-31.
6
NIETO, Castañeda Fernando A.; SANTOS, Johana; PINTO, Andrés y CARREÑO, César. Utilización del secado con horno microondas para la caracterización de los suelos finos en Bogotá-Colombia. En: Épsilon. Julio - Diciembre 2007. No. 9, p. 129-140.
17
sobrecalentando y los porcentajes de error entre un método y el otro son aceptables.
Julio Bernal y Claudia Lancheros en su trabajo de grado determinaron que la forma no influye en los resultados del contenido de humedad del suelo; aunque podría incidir en la disminución del tiempo de secado debido a que si es mayor la superficie de la muestra expuesta al calor del microondas, ésta se secara uniformemente y por tanto el tiempo de secado es menor7, también realizaron la guía metodológica para suelos finos con reductor de calor en horno microondas.
El último trabajo realizado en esta línea fue el de Kerly Johanna Lucuara Gómez, este trabajo a diferencia de los anteriores trabajos fue que se realizó en suelos finos pero sin reductor de calor, Kerly Lucuara manifiesta que los porcentajes de error en los ensayos en general dan muy altos debido a sobrecalentamiento de las muestras, también dice que el peso de las muestras si influye a la hora de obtener el contenido de humedad debido a que a mayor peso menor es el porcentaje de error aconsejando utilizar pesos de muestras superiores a 150g8.
Todos los aspectos ya mencionados se tuvieron presentes para la realización de esta investigación.
7
BERNAL, Julio y LANCHEROS, Claudia. Guía metodológica del ensayo de humedad natural para suelos finos, método del horno microondas. Trabajo de grado (Ingeniero Civil). Bogotá D.C.: Universidad de La Salle. Facultad de ingeniería civil, 2009, p. 61
8
LUCUARA GÓMEZ, Kerly Licuara. Determinación de humedad natural de suelos finos sin utilizar reductores de calor mediante el horno microondas. Bogotá, 2010, 66 h. Trabajo de grado (Ingeniero Civil). Universidad de la Salle. Facultad de Ingeniería. Programa de Ingeniería Civil.
18
1.6 JUSTIFICACIÓN
Si se logra el objetivo de este trabajo de grado que es obtener el contenido de humedad en suelos finos, usando horno microondas sin reductor de calor y empleando una potencia de 400W, obteniendo resultados aceptables en cuanto al porcentaje de error entre los dos métodos y además se determina que las muestras no presentan alteraciones como sobrecalentamiento debido a que se está realizando el secado sin reductores de calor con la misma potencia utilizada en los trabajos de grado con reductores de calor. Logrando lo anterior se podrá concluir que este trabajo permitiría a los profesionales utilizar un método más eficiente en tiempo, debido a que los ensayos de contenido de humedad y clasificación de los suelos finos se realizará en menos de media hora lo que es algo alentador para las situaciones en que las obras de ingeniería requieran de una forma urgente estos resultados y esto se puede realizar en obra.
1.7 OBJETIVOS
1.7.1 General
Obtener el contenido de humedad en suelos finos, usando horno microondas sin reductor de calor y empleando una potencia de 400W.
19
1.7.2 Específicos
Determinar el tiempo de secado en suelos finos usando horno microondas sin reductor de calor con una potencia de 400W, garantizando un contenido de humedad similar o igual al encontrado en el horno convencional variando peso, forma y tipo de suelo.
Determinar si el peso de la muestra influye en los resultados de contenido de humedad natural en horno microondas sin reductor de calor con una potencia de 400W, comparando estos resultados con los obtenidos en el horno convencional.
Establecer si la forma de la muestra influye en los resultados de contenido de humedad natural en horno microondas sin reductor de calor con una potencia de 400W, comparando estos resultados con los obtenidos en el horno convencional.
Determinar los límites de consistencia de cada una de las muestras en el horno microondas sin reductor de calor con una potencia de 400W y compararlas con los límites de consistencia del horno convencional.
20
2. MARCO REFERENCIAL
2.1 MARCO TEÓRICO – CONCEPTUAL
2.1.1 Suelo: Es cualquier material no consolidado compuesto de distintas partículas solidas con gases o líquidos incluidos9, también llamado roca en estado suelto, sedimento no muy consolidado o producto de meteorización, es todo agregado natural de partículas minerales resultado de la alteración química o física de las rocas, separable por medios mecánicos de poca intensidad. Ejemplos de alteración química: oxidación, hidratación, hidrólisis, disolución. Ejemplos de alteración física: variación de temperatura, crioclastia o congelación, erosión por el viento10.
2.1.2 Arcilla: mineral que se produce por la descomposición química de las rocas que contienen feldespato y es un proceso natural que demora decenas de miles de años, se hacen plásticas al contacto con el agua y con una muy buena capacidad de absorción pero frágiles en seco, consistentes de material granuloso
9
SOWERS, George. Introducción a la mecánica de suelos y cimentaciones. Naturaleza de los suelos y de las rocas. 1ed. México D.F.: Limusa S.A., 1978. p 23.
10
Origen y clasificación del suelo. [en línea]. <http://www.edicionsupc.es/ftppublic/pdfmostra/AR07301M.pdf>. citado [17 de enero del 2010].
21
muy fino (4micrometros), según esto todos los filosilicatos pueden considerarse verdaderas arcillas si se encuentran dentro de dicho rango de tamaños.
Las arcillas son constituyentes esenciales de gran parte de los suelos y sedimentos debido a que son, en su mayor parte, productos finales de la meteorización de los silicatos que, formados a mayores presiones y temperaturas, en el medio exógeno se hidrolizan. Se caracteriza por tener propiedades típicas de los coloides como son la plasticidad la cohesión y la facultad de adsorber iones11.
2.1.4 Limo: constituyen la porción gruesa de la fracción microscópica de los suelos, este pasa por el tamiz 200, tienen poca o ninguna plasticidad o cohesión debido a que su descomposición ha sido física y no química, por ello no tiene desbalances iónicos12.
2.1.5 Límites de consistencia: Las propiedades de los suelos finos difieren de acuerdo con su contenido de agua. Un suelo fino dado podrá comportarse como un líquido, mostrará comportamiento plástico, o será sumamente rígido, dependiendo únicamente de la cantidad de agua contenida. La plasticidad, que es
11
PECK, Ralph; HUNSON, Walter y THORNBURN Thomas. Ingeniería de cimentaciones. México D.F.: Limusa S.A., 2006. p. 31
12
22
la propiedad más sobresaliente en suelos finos, puede ser definida como la capacidad de sufrir deformaciones sin romperse13.
Los límites de consistencia son propiedades índices de los suelos, con que se definen la plasticidad y se utilizan en la identificación y clasificación de un suelo.
En la ilustración 2 se muestra el cambio de estado de un suelo de acuerdo a su contenido de agua.
Ilustración 1. Límites de consistencia.
Fuente: en línea http://www.ucn.cl/FacultadesInstitutos/laboratorio/mecanica4.htm
2.1.5.1 Límite líquido: Es el contenido de humedad por debajo del cual el suelo se comporta como un material plástico. A este nivel de contenido de humedad el suelo está en el vértice de cambiar su comportamiento al de un fluido viscoso14.
13
TAYLOR, Donald. Fundamentos de la mecánica de suelos. Clasificaciones. 1 ed. México D.F.: Continental, 1968. p 82.
14
BOWLES, Joseph E. Manual de laboratorio de suelos en Ingeniería Civil. Límite líquido y plástico de un suelo. Bogotá : McGraaw Hill, 1980. p 16.
23
2.1.5.2 Límite plástico: El contenido de agua por debajo del cual se puede considerar el suelo como material no plástico15.
2.1.5.3 Índice de plasticidad: Es un intervalo de humedades entre el límite líquido y el límite plástico, cuando el suelo se comporta como un material plástico.
Es un parámetro físico que se relaciona con la facilidad de manejo del suelo, por una parte, y con el contenido y tipo de arcilla presente en el suelo, por otra parte se obtiene de la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico16:
2.1.5.4 Humedad natural: La humedad en el suelo es una propiedad física que es de gran utilidad en la construcción civil y se obtiene de una manera sencilla, pues el comportamiento y la resistencia de los suelos en la construcción están regidos, por la cantidad de agua que contienen. El contenido de humedad de un suelo es la relación del cociente del peso de las partículas sólidas y el peso del agua que guarda, esto se expresa en términos de porcentaje.
15
Ibid., p 16. 16
24
Según Iglesias la humedad natural se define como la relación entre el peso de agua y el peso de los granos sólidos, para un volumen unitario. Su valor se expresa en % y puede alcanzar valores mayores del 100%.
Donde:
Ww: peso de agua Ws: peso de sólidos
El contenido de agua o de humedad de arenas saturadas oscila entre los valores siguientes: 12% < ω < 36%. En arcillas se suele obtener: 12% < ω < 325%.Se
debe tener en cuenta que el valor de la humedad se define respecto al peso de la materia sólida y no respecto al peso total, ya que el peso total de una arcilla varía si se seca o se comprime, mientras que el peso de la parte sólida permanece invariable17. Para la determinación de la humedad natural se emplean diversos métodos, entre ellos tenemos el horno convencional, el humedómetro conocido como Speedy y por medio del horno microondas entre otros.
La experiencia ha demostrado que el contenido de agua de ciertos suelos (especialmente arcillas) es sensible a la temperatura del secado al horno; en
17
25
consecuencia, debe tenerse cuidado en asegurar que la temperatura del horno se mantenga en el valor estándar entre 105° y 110°C18.
2.1.6 Horno microondas: El calentamiento por microondas consiste en un proceso por el cual el calor es inducido dentro del material debido a la interacción entre moléculas dipolares del agua contenida en el material y un campo eléctrico alternante de alta frecuencia19. Las microondas son ondas electromagnéticas de una longitud de onda de 1 mm a un 1 m20.
El horno de microondas es un electrodoméstico diseñado para elaborar o calentar alimentos, que funciona mediante la generación de indas electromagnéticas. Los hornos de microondas funcionan transformando la energía eléctrica que recibe, en ondas de alta frecuencia: microondas. Esta energía es guiada hacia la cavidad o interior del aparato. Una tornamesa o plato giratorio que se encuentra en el centro, gira a baja velocidad, facilitando el impacto de las microondas con el alimento.
18
BOWLES, Joseph E. Foundation Analysis and Design. 5 ed. New York: McGraw Hill, 1997. 1175 p. 19
INSTITUTO NACIONAL DE VIAS. Método para determinar la humedad de suelos usando el horno microondas I.N.V.E-135-07 pdf. Bogotá: 2007. 3 p.
20
ANGELONE, Silvia. MARTINEZ, Fernando. AIRASCA, Fernanda. Determinación del contenido de humedad de suelos en horno microondas. [en línea]. Disponible en: <http://fceia.unr.edu.ar/secyt/rt/2003/RT-ID03011.pdf>.citado [18 de enero de 2011].
26
2.1.6.1 Ondas: desde una óptica física es “una vibración que propaga energía en
un medio sólido, líquido o gaseoso, en forma de oscilaciones periódicas, sin que realmente haya transferencia de materia”.
Una onda es una sucesión de “máximos” o crestas y “mínimos” o valles, que
avanzan por el espacio. La longitud onda, es la distancia entre dos crestas o valles. La frecuencia de una onda, es el número de vibraciones por segundo, que la onda tiene. Periodo, es el intervalo en que se reproducen las mismas circunstancias a intervalos iguales. El número de periodos por segundo, se denomina frecuencia. La velocidad de propagación es dada por la distancia en que se propaga la energía, por unidad de tiempo y es igual a su longitud de onda, multiplicada por la frecuencia. La longitud de onda es la distancia entre dos puntos semejantes e inmediatos21.
2.1.6.2 Ondas electromagnéticas: surgen de un campo electromagnético y se transmiten en ondas esféricas, a la velocidad de la luz.22
2.1.6.3 Las microondas: Las microondas están situadas en el espacio electromagnético, entre los rayos infrarrojos y las ondas de radio. La longitud de
21
Ibid., p 6. 22
27
onda oscila entre 1 mm y 30 cm. Son de la misma naturaleza que las ondas de radio, pero con una frecuencia mayor, pero menor que la radiación infrarroja. Las microondas se generan con un dispositivo llamado magnetrón, que es un derivado de los radares.
2.1.7 Disipador térmico o reductor de calor: material o líquido colocado dentro del microondas para absorber energía luego de que la humedad ha sido quitada del espécimen. El reductor de calor disminuye la posibilidad de sobrecalentar la muestra y dañar el horno.23
2.1.7.1 Carbonato de potasio: sólido blanco, denominado también potasa que se obtiene de la ceniza de la madera u otros vegetales quemados, y por reacción del hidróxido de potasio con dióxido de carbono, se usa para fabricar jabón blando.24
2.1.8 Horno convencional: dispositivo que se calienta por electricidad, empleado en la industria para fundir metales, cocer cerámica o calentar muestras de suelo.
23 ASTM D 4643-00, Standard test method for “Determination of water (moisture) content of soil by microwave oven heating”. ASTM Book of standards, volume 04.08, March 2001. Soil and rock (I).
24
SANTOS ROJAS, JOHANA KATHERINE; PINTO PATIÑO, ANDRÉS FERNANDO; CARREÑO CABRA, CESAR DANIEL. Análisis comparativo de los resultados obtenidos en ensayos de humedad natural y caracterización sobre muestras de suelos finos secadas en horno microondas vs. el método tradicional. Bogotá, 2006, p 29. Trabajo de grado (Ingeniero Civil). Universidad de la Salle, Facultad de Ingeniería. Programa de ingeniería Civil.
28
También se conoce como horno electro térmico, el tipo más sencillo es el horno de resistencia, en el que se genera calor haciendo pasar una corriente eléctrica por un elemento resistivo que rodea el horno o aprovechando la resistencia eléctrica del propio material que se quiere calentar.25
Este horno eléctrico genera calor y lo distribuye uniformemente por todo el compartimiento cerrado (cámara de secado) donde se puede graduar la temperatura sin que esta supere los 110ºC ± 5ºC.
2.1.9 Sobrecalentamiento: se entiende por sobrecalentamiento de un suelo cuando este se somete a temperaturas de 115ºC o superiores, esto provoca en los suelos registros de contenido de humedad más elevados, debido a que se evapora el agua adsorbida por la capa doble difusa, estos errores son más elevados de los que están establecidos por la norma.
25
HILARIÓN, Diana L.; GÁMEZ, Claudia P. Método para la determinación de la humedad en suelos granulares utilizando horno microondas. Bogotá, 2006, p 27. Trabajo de grado (Ingeniero Civil). Universidad de la Salle, Facultad de Ingeniería. Programa de ingeniería Civil.
29
2.2 MARCO NORMATIVO
En la realización del proyecto se tuvo en cuenta las siguientes normas:
Tabla 1. Normatividad técnica utilizada en el desarrollo de la investigación
NORMA DESCRIPCIÓN SÍNTESIS
A.S.T.M. D 2216
Determinación en laboratorio del contenido de agua (humedad) de suelo, roca y mezclas de
suelo-agregado.
Cubre la determinación de laboratorio del contenido de agua (humedad) de
suelo, roca, y mezclas de suelo-agregado por peso.
I.N.V. E 122
Determinación en laboratorio del contenido de agua (humedad) de suelo, roca y mezclas de
suelo-agregado.
Cubre la determinación de laboratorio del contenido de agua (humedad) de
suelo, roca, y mezclas de suelo-agregado por peso.
A.S.T.M. D 4643 00
Determinación del contenido de agua (humedad) en suelos por
calentamiento de horno microondas.
Este método de ensayo describe los procedimientos para determinar el
contenido de humedad en suelos secando de manera incrementada el
suelo en un horno microondas.
I.N.V. E 135 - 07 Humedad de suelos usando
horno microondas.
Describe procedimientos para determinar el contenido de agua (humedad) de suelos, secándolos en
incrementos de tiempo, en horno microondas.
I.N.V. E - 125 Determinación del límite líquido
de los suelos.
El límite líquido de un suelo es el contenido de humedad expresado en porcentaje del suelo secado en el horno, cuando este se halla en el límite entre el
estado líquido y el estado plástico.
I.N.V. E - 126 Límite plástico e índice de
plasticidad.
Se denomina límite plástico a la humedad más baja con la que pueden
formarse cilindros de suelo de unos 3 mm (1/8") de diámetro, rodando dicho suelo entre la palma de la mano y una superficie lisa, sin que dichos cilindros
se desmoronen.
NTC 1486
(6 actualización) Norma técnica colombiana 1486.
Para la realización de documentos para presentación de proyectos de grado.
30
3. METODOLOGÍA
3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN
El tipo de investigación y metodología a seguir es experimental ya que se van a manipular variables como los hornos a utilizar para realizar los ensayos de límites de consistencia y contenido de humedad natural. La investigación experimental es: “situación de control en la cual se manipulan de manera intencional, una o más
variables independientes (causas) para analizar las consecuencias de tal manipulación sobre una o más variables dependientes (efectos)”26
.
Las variables de tiempo y forma son variables dependientes, el horno microondas y el horno convencional son las variables independientes.
3.2 FASES DEL PROYECTO
FASE I: Recopilación y clasificación de información. Para esta investigación se consiguió toda la información posible en cuanto a estudios realizados en
26
HERNÁNDEZ SAMPIERI, Roberto; FERNÁNDEZ COLLADO, Carlos; BAPTISTA LUCIO, Pilar. Concepción o elección del diseño de investigación. Metodología de la investigación. 4ed., México: McGraw-Hill, 2006. P 160.
31
contenido de humedad en suelos utilizando horno microondas, como trabajos de grado, artículos y además se investigara todo el estado del arte sobre este tema.
FASE II: Selección y recolección de muestras. Recolectar 15 muestras de suelo fino “arcilla y limos” tomadas directamente del tubo Shelby, esta recolección de muestras de suelo se hará en diferentes sitios de la ciudad de Bogotá.
FASE III: Ensayos de laboratorio. Se tomaron los distintos tipos de suelos finos y se sometieron a secado en horno microondas y horno convencional, se realizaron introduciendo a la cámara del horno microondas tres recipientes con muestra de un mismo suelo, cada recipiente tiene muestras de suelo con diferentes pesos pero de una misma forma “cilindros, rodajas y rollos” (ver ilustración 2, ver tabla 2
y 3), todo esto para los contenidos de humedad natural. Para los ensayos de límites de consistencia se introducían en la cámara del horno microondas la mayor cantidad posible de recipientes con muestra (ver ilustración 3).
Para los ensayos en el horno convencional siempre se introdujeron en la cámara de secado la mayor cantidad de muestras, independientemente de la forma el peso y de los ensayos (ver ilustración 7).
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Ilustración 2. Distribución de muestras en el horno microondas para contenido de humedad natural “forma cilindros”.
Fuente: Propia
Ilustración 3. Distribución de muestras en el horno microondas para límites de consistencia “límite líquido”.
Fuente: Propia
FASE IV: Análisis de resultados. Se tabularon y graficaron los resultados de los ensayos para la combinación de variables tiempo, forma y tipo de suelo, después de estos se interpretaran dando conclusiones y resultados que nos llevaran a determinar si se pueden secar las muestras de suelo en un horno microondas sin reductor de calor con una potencia de 400W.
33 3.3 FLUJO-GRAMA METODOLÓGICO RECOLECCIÓN DE MUESTRAS CLASIFICACIÓN DE MUESTRAS PREPARACIÓN DE MUESTRAS. VARIABLES: TIPO DE SUELO, PESO Y FORMA
LABORATORIOS DE LAS MUESTRAS. VARIABLES: TIPO DE SUELO, PESO Y FORMA EN HORNO CONVENCIONAL
LABORATORIOS DE LAS MUESTRAS. VARIABLES: TIPO DE SUELO, PESO Y FORMA EN
HORNO MICROONDAS SE TOMA EL PESO DE LA MUESTRA MÁS RECIPIENTE INICIO ES CONSTANTE DETERMINAR EL CONTENIDO DE HUMEDAD ANÁLISIS DE RESULTADOS FIN NO SI TERMINACIÓN DE MUESTRAS NO SI Fuente: Propia
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4. TRABAJO INGENIERIL
En este capítulo se describe el procedimiento realizado para el desarrollo de los ensayos “contenido de humedad natural y límites de consistencia” a suelos finos en horno convencional y en horno microondas sin reductor de calor con potencia de 400W.
El secado de las muestras se hizo utilizando recipientes adecuados para cada horno, aluminio para horno convencional y cerámica para horno microondas, estas se exponen en las ilustraciones 5 y 6.
Ilustración 5. Recipiente de cerámica para horno microondas.
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Ilustración 6. Recipiente de aluminio para horno convencional.
Fuente: Propia
4.1 PROCESO DE SECADO EN LOS HORNOS
4.1.1 Proceso de secado en horno convencional: Para el secado en horno convencional de las muestras de límite líquido, plástico y humedad natural se dejarán un tiempo constante de 24 horas a una temperatura promedio de 110°C para después obtener el peso seco de la muestra más recipiente logrando así encontrar el contenido de humedad.
Ilustración 7. Horno convencional.
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Ilustración 8. Procedimiento de secado en el horno convencional. INICIO
PESAR RECIPIENTE APTO PARA HORNO
CONVENCIONAL
PREPARAR MUESTRA CON LOS PESOS Y FORMAS CORRESPONDIENTES (Ver
tabla 7)
PESAR MUESTRA HUMEDA MAS RECIPIENTE Y LLEVARLA AL HORNO SE DEJA EN EL HORNO POR UN TIEMPO DE 24 HORAS REGISTRAR DATO REGISTRAR DATO OBTENER EL PESO SECO DE LA MUESTRA DETERMINAR EL CONTENIDO DE HUMEDAD REGISTRAR DATO TERMINACIÒN DE MUESTRAS SI NO FIN Fuente: Propia
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4.1.2 Proceso de secado en horno microondas: Las muestras fueron expuestas con tiempos fijos de cinco minutos, retirándolas y tomando el dato de peso de la muestra más recipiente hasta obtener un peso constante, esto se hizo utilizando una potencia de 400 Watts sin reductor de calor.
El horno usado en esta investigación se muestra en las siguientes ilustraciones (ver ilustración 9), en ellas se puede ver la referencia o marca, la potencia de salida de 800 Watts, esta potencia es superior a la recomendad en la norma INV.-E 135 que es de 700 Watts pero la potencia usada para el secado de las muestras fue de 400 Watts y la recomendada en el trabajo de grado de (Hilarión y Gámez) es de 420 Watts, la diferencia no es grande entre una y otra, con esto se esperaría tener unos tiempos de secado un poco más prolongados, la frecuencia de salida del horno microondas es de 2450 MHz.
Ilustración 9. Horno microondas y especificaciones de este para la investigación.
38
Fuente: Propia (b) Especificaciones.
Fuente: Propia (c) Especificaciones.
Con las ilustración 9(a), 9(b) y 9(c) se pretende estandarizar el horno microondas para los ensayos de contenido de humedad, conociendo la marca, la potencia de salida, la frecuencia de salida y algo muy importante que no se muestra en las ilustraciones, es que el horno microondas debe tener variador de potencia de 1 a 10 lo que representa en que porcentaje de la potencia de salida se quiere utilizar. El horno microondas, para esta investigación se utilizó con un nivel de potencia de cinco (5), esto representa un 50% de la potencia de salida o sea 400Watts.
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Ilustración 10. Procedimiento de secado en el horno microondas. INICIO
PESAR RECIPIENTE APTO PARA HORNO MICROONDAS
PREPARAR MUESTRA CON LOS PESOS Y FORMAS CORRESPONDIENTES (Ver
tabla 7)
PESAR MUESTRA HUMEDA MAS RECIPIENTE Y LLEVARLA AL HORNO REGISTRAR DATO REGISTRAR DATO DETERMINAR EL CONTENIDO DE HUMEDAD REGISTRAR DATO TERMINACIÒN DE MUESTRAS SI NO FIN SE TIENE PESO CONSTANTE SECAR LA MUESTRA EN EL
HORNO POR 5 MINUTOS CON POTENCIA DE 400W
SI
NO
40
4.2 DESCRIPCIÓN DE ENSAYOS
4.2.1 Humedad natural: Los ensayos de contenido de humedad natural se realizaron con el fin de saber si la forma y el peso de las muestras afectan el resultado de contenido de humedad, para esto se utilizaron ocho muestras de suelo arcilloso (ver anexo I), cada muestra se sometió a secado en horno microondas sin reductor de calor con potencia de 400W y en horno convencional de acuerdo con las normas INV. E–135, INV. E–122 respectivamente, variando la
forma y el peso de cada muestra (ver tabla 2).
La cantidad de ensayos de contenido de humedad natural a realizar fueron 126, usando horno convencional se realizaron 63 ensayos y usando horno microondas sin reductor de calor con una potencia de 400W se realizaron 63 ensayos (ver tabla 2). Estos ensayos se obtuvieron tomando los tres pesos “20g, 40g, y 60g”, de cada forma “cilindros, rodajas y rollos”, estos tres pesos por cada forma se
hicieron para cada suelo. Los resultados de estos ensayos se pueden ver en el Anexo F.
En la tabla 2 se determina que para un mismo suelo y una misma forma se realizaron tres muestras cada una con diferentes pesos según la disposición de material. En los suelos 1, 2 y 3 no se pudieron realizar los ensayos de humedad natural con la forma de cilindro debido a que no se disponía de suficiente muestra, por lo que se realizaron ensayos con formas de rodajas y rollos únicamente.
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Tabla 2. Relación número de ensayos por suelo, forma. Totalizando el número de ensayos por horno.
HUMEDAD NATURAL LÍMITES DE CONSISTENCIA
SUELO FORMA / PESO SUELO LÍMITE
CILINDRO PESO (g) RODAJA PESO (g) ROLLO PESO (g) LÍQUIDO PLÁSTICO 1 - - 1 20 1 20 1 1 1 - - 1 40 1 40 1 1 - - 1 60 1 60 1 - 2 - - 1 20 1 20 2 1 1 - - 1 40 1 40 1 1 - - 1 60 1 60 1 - 3 - - 1 20 1 20 3 1 1 - - 1 40 1 40 1 1 - - 1 60 1 60 1 - 4 1 20 1 20 1 20 4 1 1 1 40 1 40 1 40 1 1 1 60 1 60 1 60 1 - 5 1 20 1 20 1 20 5 1 1 1 40 1 40 1 40 1 1 1 60 1 60 1 60 1 - 6 1 20 1 20 1 20 6 1 1 1 40 1 40 1 40 1 1 1 60 1 60 1 60 1 - 7 1 20 1 20 1 20 7 1 1 1 40 1 40 1 40 1 1 1 60 1 60 1 60 1 - 8 1 20 1 20 1 20 8 1 1 1 40 1 40 1 40 1 1 1 60 1 60 1 60 1 - TOTAL 15 24 24 9 1 1 1 1 TOTAL ENSAYOS (126) 1 -
HORNO MICRO. 63 HORNO CONV. 63
10 1 1 1 1 1 - 11 1 1 1 1 1 - 12 1 1 1 1 1 - 13 1 1 1 1 1 - 14 1 1 1 1 1 - TOTAL 42 28 TOTAL ENSAYOS (140) HORNO MICRO. 70 HORNO CONV. 70 Fuente: Propia
42
4.1.2 Límites de consistencia: Estos ensayos se realizaron con el fin de poder clasificar los suelos que se utilizaron en esta investigación, garantizando el uso de suelos limosos y arcillosos.
Para los ensayos de límites de consistencia se utilizaron catorce muestra de suelo, de estas muestras siete son limos y siete son arcillas (ver anexo I), a cada muestra se le realizaron ensayos de límite líquido y límite plástico tanto en el horno microondas sin reductor de calor con potencia de 400W como en el horno convencional de acuerdo con las normas (límite líquido INV. E125; límite plástico INV. E126), esto da un total de 70 ensayos de contenido de humedad con horno microondas y 70 ensayos de contenido de humedad con horno convencional (ver tabla 2).
4.2 PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS
Se determinaron cinco (5) formas para la realización de los ensayos, tres (3) formas para los ensayos de contenido de humedad natural y dos (2) para los ensayos de límites de consistencia, las tres formas para contenido de humedad natural se relacionaron con los pesos para así describir en una sola tabla las dos variables “peso y forma” (ver tabla 2), de esta forma definiendo los pesos a utilizar
para nuestros ensayos de humedad natural. .
43
4.2.1 Preparación de muestras en forma de cilindro. La muestra se tomó del núcleo del tubo Shelby de diámetro 4cm, esta muestra se corto con una segueta (ver ilustración 7), de manera que el recipiente tuviera aproximadamente el peso determinado para cada suelo “tres pesos fueron dados para cada suelo” como se
muestra en la tabla 2.
Ilustración 11. Preparación de muestras en forma de cilindro.
Fuente: Propia (a) muestras del tubo Shelby.
44
En la ilustración 11(a), se observan los núcleos de suelo extraído del tubo Shelby de los cuales se cortaron cilindros con los pesos ya establecidos (ver tabla 2), en la ilustración 11(b) se observan muestras de un mismo suelo y de una misma forma que en este caso son cilindros pero de diferente peso, de izquierda a derecha distribuidos así; 20g, 40g y 60g en sus respectivos recipientes para cada horno, en la parte inferior para el horno microondas y en la parte superior para el horno convencional. Las muestras de la ilustración 11(b) son antes de ser sometidas al secado en los hornos.
4.2.2 Preparación de muestras en forma de rodajas. Se tomó la muestra de suelo del tubo Shelby y esta se fraccionó en rodajas con un espesor aproximado de 3mm27 para permitir que cada rodaja se seque de manera uniforme y 4cm de diámetro. Se colocaron las rodajas en sus respectivos recipientes procurando obtener la cantidad de rodajas necesaria para completar los pesos determinados en la tabla2.
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Lancheros Rodríguez, Claudia Roció; Bernal Niño, Julio David. Guía metodológica del ensayo de humedad para suelos finos, método de horno microondas, con reductor de calor. Preparación de las muestras en rodajas. Bogotá, 2009, 148 h. Trabajo de grado (Ingeniero Civil). Universidad de la Salle. Facultad de Ingenierías. Programa de Ingeniería Civil.
45
Ilustración 12. Recipientes con muestra en rodajas para el horno convencional.
Fuente: Propia
En la ilustración 12 se ven las muestras en forma de rodajas después de haber sido secadas en el horno convencional, las rodajas se distribuyeron de tal forma que ninguna rodaja quede sobre la otra lo mismo se hizo para los recipientes del horno microondas, con esto se garantiza que el secado sea lo más homogéneo posible.
4.2.3 Preparación de muestras en forma de rollos. Con la muestra de suelo del tubo Shelby o lo que quedara de las formas anteriores (sobrantes), se les da forma de rollos manualmente procurando que el diámetro fuera aproximadamente de 5mm y con una longitud aproximada de 7 cm, procurando que al reunir los rollos en su recipiente, estos estén lo más cerca a los pesos dados en la tabla 2.
46
Ilustración 13. Preparación de muestras en forma de rollos.
Fuente: Propia (a) Rollos.
Fuente: Propia (b) Recipientes con muestras en forma de rollos.
En la ilustración 13(a) se ven dos rollos realizados a mano con las dimensiones aproximadas en espesor y longitud, la ilustración 13(b) deja ver la distribución de las muestras en los recipientes metálicos parte superior y cerámicos parte inferior, de derecha a izquierda se pueden distinguir las muestras de 20g, 40g y 60g respectivamente para cada método.
47
4.2.4 Preparación de muestras para ensayos de límite líquido. De acuerdo a la norma INV. E125, la masa de suelo se mezcla con aproximadamente 25% de agua, removiendo y amasando continuamente con la ayuda de una espátula, hasta obtener una pasta.
Se coloca la pasta de suelo en la cazuela, y se divide en dos partes con el ranurador. Una vez cortada la muestra, se procede a hacer girar la manivela, hasta que la ranura se cierre en una longitud de 12.7 mm. De ésta pasta, se toma una pequeña muestra para determinar el contenido de humedad.
4.2.5 Preparación de muestras para ensayos de límite plástico. El ensayo se realizó de acuerdo a la norma INV. E126, dividiendo en varios pedazos o porciones pequeñas la muestra de suelo que se había separado con anterioridad durante la preparación de la muestra para el ensayo del límite líquido.
La norma dice que el suelo se debe enrollar con la mano extendida sobre una placa de vidrio, o sobre un pedazo de papel colocado sobre una superficie lisa, con presión suficiente para moldearlo en forma de cilindro (diámetro 3 mm). El proceso de hacer masas o bolas de suelo y enrollarlas debe continuarse hasta cuando el cilindro de suelo se rompa bajo la presión de enrollamiento y no permita que se enrolle adicionalmente.
48
En la ilustración 14 se pueden ver los cuatro recipientes con muestras para la realización del contenido de humedad y así determinar el límite plástico, en la parte superior las dos muestras con recipientes adecuados para el secado en horno convencional y en la parte inferior las dos muestras con recipientes aptos para el secado en horno microondas.
Ilustración 14. Rollos para determinar el límite plástico de un suelo.
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4.3 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE ENSAYOS
En los proyectos de grado de la Universidad de la Salle que anteceden a esta investigación, tuvieron como objetivos encontrar los tiempos de secado con variables como la humedad natural, la gravedad específica, reductores de calor, etc., para esta investigación se consideró principalmente la incidencia de la forma y el peso de cada muestra en los resultados de contenido de humedad usando horno microondas sin reductor de calor con una potencia de 400W.
Para analizar los resultados en los ensayos, contenido de humedad natural y límites de consistencia, se calculó el porcentaje de error, este porcentaje se determinó haciendo la diferencia entre los dos valores (ver ecuación 1) de contenido de humedad obtenidos por cada método (horno microondas y horno convencional). El método de referencia es el horno convencional ya que está respaldado a nivel nacional por la norma INV. E122 y a nivel internacional por la norma ASTM D2216-71, por este motivo se considera como referencia ya que nos ofrece más precisión y confiabilidad en los resultados.
El porcentaje de error (%E) se determinó con la siguiente ecuación:
50 Dónde:
= contenido de humedad en el horno convencional (%). = contenido de humedad en el horno microondas (%).
4.3.1 Resultados y análisis en los ensayos de humedad natural. En el anexo I se pueden ver los ocho tipos de suelo usados con su descripción de muestra y sondeo para estos ensayos.
Con los pesos de las muestras ya definidos para los ensayos de contenido de humedad natural, se indicaran los resultados con sus porcentajes de error de acuerdo a su forma, también se mostraran los tiempos en que se secó cada muestra en horno microondas (ver tablas 3), el tiempo de secado en horno convencional fue 24 horas.
Tabla 3. Resultado de ensayos de humedad natural en suelos arcillosos, agrupados según su forma. FORMA / CILINDROS Peso Suelo 20g 40g 60g (%)w h.m (%)w h.c Tiempo secado (min.) % Error (%)w h.m (%)w h.c Tiempo secado (min.) % Error (%)w h.m (%)w h.c Tiempo secado (min.) % Error 4 121,3 120,5 20 -0,7 124,6 121,1 20 -2,9 124,9 122,1 20 -2,3 5 157,3 144,2 20 Estallo 156,6 143,5 20 Estallo 149,7 142,3 20 Estallo 6 148,3 120,4 20 Estallo 122,4 120,7 20 Estallo 125,3 110,9 20 Estallo 7 139,8 111,7 15 Estallo 102,4 102,9 15 Estallo 107,3 98,7 15 Estallo 8 65,3 66,7 10 2,0 61,9 65,1 10 4,9 61,2 60,4 10 -1,4
51 FORMA / RODAJAS Peso Suelo 20g 40g 60g (%)w h.m (%)w h.c Tiempo secado (min.) % Error (%)w h.m (%)w h.c Tiempo secado (min.) % Error (%)w h.m (%)w h.c Tiempo secado (min.) % Error 1 63,7 69,7 7 Estallo 67,4 69,8 8 Estallo 61,8 70,9 9 Estallo 2 118,3 121,7 20 2,8 117,5 126,7 20 7,3 133,8 132,9 20 -0,6 3 162,5 152,3 10 -6,7 159,9 149,9 10 -6,7 160,2 165,2 10 3,1 4 135,2 120,0 15 Estallo 122,1 119,4 15 Estallo 103,1 119,3 15 Estallo 5 147,4 144,2 15 -2,2 150,4 144,4 15 -4,1 151,1 144,7 15 -4,4 6 150,6 121,5 15 Estallo 63,3 120,0 15 Estallo 115,1 119,3 15 Estallo 7 95,9 110,9 15 Estallo 92,9 111,5 15 Estallo 84,1 113,1 15 Estallo 8 66,1 70,4 10 Estallo 60,9 69,1 10 Estallo 63,3 70,0 10 Estallo
Fuente: Propia (b) Rodajas en suelos arcillosos.
FORMA / ROLLOS Peso Suelo 20g 40g 60g (%)w h.m (%)w h.c Tiempo secado (min.) % Error (%)w h.m (%)w h.c Tiempo secado (min.) % Error (%)w h.m (%)w h.c Tiempo secado (min.) % Error 1 78,7 67,8 5 Estallo 76,5 68,9 5 Estallo 67,0 67,8 5 Estallo 2 124,3 118,3 20 Estallo 126,6 109,0 20 Estallo 99,5 123,4 20 Estallo 3 122,9 137,7 20 Estallo 135,8 131,7 20 Estallo 128,9 134,6 20 Estallo 4 116,1 119,3 20 2,7 118,4 115,8 20 -2,2 118,4 116,2 20 -1,9 5 147,6 147,6 20 0,0 135,5 144,6 20 6,3 138,8 144,3 20 3,9 6 118,7 112,6 20 -5,4 113,1 112,7 20 -0,3 108,0 115,5 20 6,5 7 118,8 109,2 20 Estallo 120,1 109,2 20 Estallo 118,7 110,6 20 Estallo 8 78,9 72,3 11 Estallo 67,1 65,9 12 Estallo 66,9 67,2 13 Estallo
Fuente: Propia (c) Rollos en suelos arcillosos.
Se puede determinar con los resultados de las tablas 3(a), 3(b) y 3(c) que el tiempo de secado de las muestras es directamente proporcional al contenido de humedad que tengan los suelos (ver gráfica 1).
52
Gráfica 1. Proporcionalidad de contenido de humedad Vs. Tiempo, en suelos arcillosos.
Fuente: Propia
El tiempo de secado también está influenciado por la forma de las muestras, en forma de rodajas muestra unos tiempos de secado menores a las formas de cilindros y rollos, esto es debido a que las rodajas tienen espesores de 3mm mientras que los cilindros y los rollos no bajan de espesores de 5mm, además la longitud de los rollos es superior al diámetro de las rodajas y los cilindros que son de 4cm lo que hace que los tiempos de los rollos en general sean los más prolongados.
Se presento en las muestras que independiente de la forma todas se secaron desde el centro hacia afuera (ver ilustración 15), esto induce a un sobrecalentamiento en la zona del centro de cada muestra provocando
y = 6,3675x - 2,4773 R² = 1 y = 5,2815x + 80,955 R² = 1 y = 4,0755x + 57,246 R² = 1 50 70 90 110 130 150 170 9 11 13 15 17 19 21 Co n te n id o d e h u m e d ad (% ) Tiempo (min)
Contenido de humedad Vs. tiempo
CILINDRO RODAJA ROLLOS
53
agrietamiento en este punto y posterior explosión de la muestra de suelo (ver ilustración 16), cuando esto sucede aun el suelo tiene humedad en las zonas más alejadas del centro lo cual afirma que la forma en esta investigación si influye.
Ilustración 15. Secado del centro hacia los extremos de suelos arcillosos.
Fuente: Propia
Ilustración 16. Muestra de suelo arcilloso estallada.
54
Cuando el suelo estalla el dato de peso seco más recipiente no se puede tomar, el inconveniente está en que un gran porcentaje de las muestras estallaron (ver tabla 4), pero en si todos los suelos estallaron debido a que si se analiza la forma, todos los suelos estallaron en alguna de las tres formas, algunas veces estallando el mismo suelo en diferentes formas (ver tabla 3a, 3b y 3c), lo que genera una búsqueda del por qué sucede esto.
Tabla 4. Porcentaje de suelos arcillosos estallados y con porcentajes de error negativos según la forma.
Forma % Estalla % Negativo
Cilindro 60,0 66,0
Rodajas 62,5 66,0
Rollos 62,5 42,5
Fuente: Propia
Las posibles razones por la que las muestras estallan son; la alta plasticidad de los suelos es una hipótesis por esto se realizó un ensayo de secado en horno microondas a una muestra de suelo fino con baja plasticidad, además el contenido de materia orgánica es otra hipótesis que se contempla por esto se buscó un suelo arenoso el cual se sometió a secado en el horno.
Las muestras que no estallaron y que dieron porcentajes de error negativo fue debido a que las muestras de suelo sufrieron sobrecalentamiento (exposición del suelo a temperaturas de 110°C o mayores), este sobrecalentamiento hace que las partículas de suelo pierdan su capa doble difusa generando mayores contenidos de humedad, esto es lo que sucede con las muestras secadas en el horno
55
microondas. Al resolver la ecuación (1) los contenidos de humedad del horno microondas son mayores que los contenidos de humedad del horno convencional por esto los porcentajes son negativos.
El sobrecalentamiento está ocurriendo debido a que no se tiene reductor de calor, esto lleva a que las muestras sobrepasen la temperatura de 110°C, además el proceso de secado es muy acelerado debido a que la potencia del horno microondas es muy alta.
Al ser el proceso de secado muy acelerado el lapso de tiempo de cinco minutos es muy prolongado ya que entre estos intervalos de tiempo las muestras se estallaban, lo que fuerza a reducir la potencia del horno como se menciono anteriormente o reducir el tiempo para la toma de datos.
56
Gráfica 2. Contenido de humedad en horno microondas Vs. horno convencional para todas las formas en los ensayos.
Fuente: Propia y = 1,0426x - 1,7441 R² = 0,9967 Límite líquido y = 0,9608x + 2,9333 R² = 0,9916 Límite plástico y = 1,0608x - 5,0684 R² = 0,9976 Cilindros y = 1,5516x - 74,099 R² = 0,9771 Rodajas y = 0,8303x + 19,701 R² = 0,8926 Rollos 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300 CO NT E NIDO DE HUM E DA D E N HO RNO M ICRO O NDA S
CONTENIDO DE HUMEDAD EN HORNO CONVENCIONAL
CONTENIDO DE HUMEDAD EN HORNO MICROONDAS Vs. HORNO CONVENCIONAL
Límite líquido Límite plástico Cilindros Rodajas Rollos
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En la gráfica 2 solo se tuvieron en cuenta los datos de los suelos que no estallaron, teniendo esto claro se puede decir que la forma con menor porcentaje de error fueron los cilindros debido a que los datos están muy cerca a la línea de tendencia lo que traduce que el coeficiente de relación cuadrática está muy cerca de uno, por lo que los datos de horno microondas y horno convencional son muy parecidos, pero en las rodajas sucede lo mismo mientras que en los rollos el coeficiente de correlación cuadrática está muy alejado de uno pero sin embargo se puede deducir que la forma tiene implicaciones muy bajas, entonces la forma no altera el contenido de humedad.
Las rodajas y los rollos dan un coeficiente de correlación muy similar pero nada cerca a uno lo que traduce que los porcentajes de error fueron altos o sea los datos de horno microondas y horno convencional no son parecidos.
4.3.2 Resumen y análisis de los datos obtenidos en los ensayos de límites de consistencia. El proceso de realización de estas muestras ya ha sido expuesto con anterioridad por lo que se presentarán las tablas resumen con los resultados obtenidos tanto para límite líquido como para límite plástico con sus porcentajes de error (ver ecuación 1) y sus tiempos de secado en horno microondas ya que para el horno convencional se utilizo un tiempo de 24 horas para los dos límites.
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Tabla 5. Clasificación suelos límites de consistencia y % de error en límites de consistencia, horno microondas Vs. horno convencional.
SUELO MUESTRA Y
SONDEO LÍMITES DATOS
SÍMBOLO DE
GRUPO NOMBRES TÍPICOS
L. L. H.M. L. L. H.C. Tiempo secado (min.) % ERROR L. P. H.M. L. P. H.C. Tiempo secado (min.) % ERROR 1 MUESTRA 2 SONDEO 2 L.L 122,2 CH Arcilla Inorgánica 127,3 122,2 30 -4,2 38,2 35,2 10 -8,5
I.P 87,0 CH Arcilla Inorgánica
2 MUESTRA 16
SONDEO 3
L.L 134,3 CH Arcilla Inorgánica
120 134,3 20 Estallo 46,3 42 10 Estallo
I.P 92,3 CH Arcilla Inorgánica
3 MUESTRA 5
SONDEO 3
L.L 134,8 CH Arcilla Inorgánica
102,3 134,8 20 Estallo 40,2 37,8 10 -6,3
I.P 97,1 CH Arcilla Inorgánica
4 MUESTRA 9 SONDEO 6 L.L 142,2 CH Arcilla Inorgánica 122,4 142,2 20 Estallo 49,2 49,1 10 -0,2
I.P 93,0 CH Arcilla Inorgánica
5 MUESTRA 3
SONDEO 21
L.L 124,9 OH - MH MH Limo inorgánico
124,4 124,9 32 0,4 69,6 72,3 10 3,7
I.P 52,6 OH - MH MH Limo inorgánico
6 MUESTRA 3
SONDEO 3
L.L 117,4 OH - MH OH Limo orgánico
123,7 117,4 30 -5,4 71,5 79,8 10 Estallo
I.P 37,6 OH - MH OH Limo orgánico
7 MUESTRA 1
SONDEO 8
L.L 70,2 OH - MH OH Limo orgánico
70,2 65,7 30 -6,8 54,7 64,2 10 Estallo
I.P 15,6 OH - MH OH Limo orgánico
8 MUESTRA 2 SONDEO 8 L.L 78,9 OH - MH MH Limo inorgánico 82,3 78,9 25 -4,3 43 39,6 10 -8,6
I.P 39,2 OH - MH MH Limo inorgánico
9 MUESTRA 2
SONDEO 6
L.L 113,1 OH - MH MH Limo inorgánico
116,2 113,1 15 -2,7 69,7 67,3 10 -3,6
I.P 45,8 OH - MH MH Limo inorgánico
10 MUESTRA 5
SONDEO 20
L.L 70,5 OH - MH MH Limo inorgánico
74,4 70,5 15 Estallo 41,6 40,9 10 -1,7
I.P 29,6 OH - MH MH Limo inorgánico
11 MUESTRA 4
SONDEO 6
L.L 74,0 CH Arcilla Inorgánica
69,2 74 15 6,5 20,8 20,6 10 -1
I.P 53,5 CH Arcilla Inorgánica
12 MUESTRA 4
SONDEO 8
L.L 63,8 CH Arcilla Inorgánica
60,4 63,8 15 5,3 22,5 21,6 10 -4,2
I.P 42,2 CH Arcilla Inorgánica
13 MUESTRA 10
SONDEO 4
L.L 270,7 CH Arcilla Inorgánica
280,5 270,7 25 -3,6 74,5 74,8 10 0,4
I.P 195,9 CH Arcilla Inorgánica
14 MUESTRA 6
SONDEO 9
L.L 67,9 OH - MH MH Limo inorgánico
73,8 67,9 10 -8,7 44,8 42,3 10 -5,9
I.P 25,6 OH - MH MH Limo inorgánico
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Los tiempos registrados en los ensayos de límite líquido no sobrepasan los 32 minutos lo que corrobora que el tiempo máximo de secado en esta investigación es muy similar a los trabajos de grado anteriores.
Los tiempos presentados en ensayos de límite líquido fueron superiores a los ensayos de plasticidad, con lo que se confirma lo ya dicho en los ensayos de humedad natural, los tiempos se ven influenciados por la forma y el contenido de humedad.
En estos ensayos existieron muestras que estallaron aunque en un bajo porcentaje para ambos ensayos (ver tabla 6), el por qué en estos ensayos el porcentaje de error es menor puede deberse a la forma, pero hay que resaltar que ya en este punto se tenía una experiencia en la realización de los ensayos que fueron sometidos al horno microondas, ya que en los ensayos de humedad natural se esperaba pacientemente el intervalo de los cinco minutos, cuando la muestra estallaba muchas veces dentro de este lapso de tiempo lo que hacía que el suelo estallara múltiples veces haciendo que se perdiera el ensayo, ya para los ensayos de límites de consistencia se siguió dejando el mismo intervalo de toma de datos cada cinco minutos pero se estuvo pendiente al menor estallido de la muestra para retirarla y tomar el peso seco más recipiente dando por terminado el proceso de secado, resultando así menores porcentajes de error.
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Tabla 6. Porcentaje de suelos estallados según ensayo.
Ensayo % Estalla % Error
negativo
L. Líquido 28,6 71,4
L. Plástico 21,4 78,6
Fuente: Propia
Al haber obtenido experiencia en el secado de las muestras en el horno indujo a que los porcentajes de error fueran más bajos pero aún así no son aceptables. La mayoría de los porcentajes de error dieron negativos (ver tabla 6), debido a sobrecalentamiento, esto indica que las muestras estuvieron expuestas a mas de 110°C, lo que ocasionó que el suelo se secara más perdiendo su capa doble difusa o estallara, por esto los datos del horno microondas en general arrojaron contenidos de humedad más altos que los datos del horno convencional dando así porcentajes de error negativos.
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Los suelos más propensos a estallar son las arcillas ya que son más susceptibles a los cambios de temperaturas y al ir retirando la humedad se van endureciendo hasta tener un aspecto de porcelana y muy quebradizo, esto se determina en la cantidad de suelos arcillosos que estallaron (suelo 2, 3, y 4), hubo un suelo limoso (suelo 10) que estallo pero este tenía un alto contenido de arcilla (ver gráfica 3),
