Guía de laboratorio: Granulometría por tamizado mecánico

·12 feb 2025

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Introducción

La granulometría es un procedimiento fundamental en la ingeniería geotécnica para determinar la distribución de tamaños de partículas en una muestra de suelo. Este análisis es clave para la clasificación de suelos según el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos (USCS) y para el diseño de estructuras como filtros y bases de carreteras.

El estudio granulométrico permite conocer la proporción de diferentes tamaños de partículas en un suelo, lo que influye en propiedades como la permeabilidad, la compactabilidad y la resistencia mecánica.

Granulometría por tamizado mecánico

El tamizado mecánico es un método basado en la separación de partículas de suelo según su tamaño, utilizando una serie de tamices con aberturas progresivamente más pequeñas. Se fundamenta en la mecánica de materiales particulados, donde las partículas de mayor tamaño quedan retenidas en los tamices superiores y las más pequeñas pasan a los inferiores.

Este método se aplica a suelos con fracciones gruesas, como arenas y gravas, ya que las partículas de estos materiales son lo suficientemente grandes como para ser separadas físicamente mediante tamices. Su fundamento teórico radica en la capacidad de los granos de suelo para ser retenidos o pasar a través de aberturas estandarizadas, lo que permite obtener una distribución cuantificada del tamaño de partículas en una muestra.

El análisis por tamizado es ampliamente utilizado debido a su simplicidad y rapidez, proporcionando una visión clara de la granulometría de los suelos gruesos. Sin embargo, su limitación principal radica en que no es efectivo para partículas menores a 0.075 mm, ya que estas tienden a aglomerarse y no pasan de manera eficiente a través de los tamices.

Instrumentos

Para realizar el análisis granulométrico, se requieren los siguientes instrumentos:

Conjunto de tamices de 200 mm (8 in.) de diámetro
Balanza de alta precisión (0.01 g) con capacidad mínima de 1000 g
Cepillos de limpieza (de alambre grueso y fino para tamices ≥ 850 µm, de cerdas no metálicas finas para tamices ≤ 150 µm, y de cerdas gruesas no metálicas para tamices intermedios)
Vibrador mecánico para tamices
Estación para el lavado de partículas finas
Horno para secado a 110 ± 5 °C
Herramientas para preparar la muestra (malla divisoria, placa de vidrio, espátula y regla metálica)

Procedimiento

Este procedimiento describe el análisis granulométrico de un material grueso con humedad natural y un tamaño máximo de partícula menor a 19 mm, sin incluir la caracterización de la fracción fina. Se detallan los pasos para la preparación de la muestra, el lavado de partículas finas y el tamizado del material grueso. Además, se incluye la medición de la masa seca por dos métodos con el objetivo de verificar los cálculos y evaluar posibles errores experimentales.

Estimar el tamaño máximo de partícula, determinado por el tamiz más pequeño a través del cual pasa todo el material.
Determinar la masa seca mínima requerida y utilizar aproximadamente tres veces ese valor en el análisis.

Tamaño máximo de partícula	Masa de la partícula (Gs = 2.7)	Masa seca mínima
(mm)		Resolución de la medición
		Para 1%	Para 0.1%
152	5000 g	500 kg	5000 kg
76	625 g	65 kg	650 kg
50	186 g	20 kg	200 kg
25	23 g	2,500 g	25 kg
19	9.8 g	1,000 g	10 kg
9.5	1.2 g	120 g	1200 g
4.75	0.15 g	15 g	150 g
2.00	0.011 g	1.1 g	1.1 kg
0.425	0.0001 g	0.01 g	0.1 g

Mezclar el material para homogeneizarlo y deshacer grumos evidentes, luego dividir en dos muestras de tamaño adecuado.
Usar una de las muestras para determinar el contenido de agua en la condición recibida.
Transferir la segunda muestra a una bandeja grande de masa conocida.
Medir la masa inicial del recipiente con el suelo.
Cubrir el suelo con agua y añadir 5 g de hexametafosfato de sodio.
Mezclar bien con una paleta de goma dura, asegurándose de deshacer posibles aglomeraciones.
Preparar una estación de lavado con tamices de 425 µm y 75 µm, junto con un recipiente colector de masa conocida.
Transferir aproximadamente 200 g de suelo al tamiz de 425 µm y lavar las partículas finas a través del tamiz.
Retirar el tamiz de 425 µm y continuar el lavado a través del tamiz de 75 µm.
Transferir el material retenido en ambos tamices a un recipiente de acumulación.
Repetir los pasos 10 a 12 hasta lavar todo el material.
Agregar agua limpia al recipiente de acumulación y mezclar a mano para asegurar la eliminación de partículas finas.
Decantar el agua del recipiente, secar el material grueso en horno y medir su masa seca.
Secar en horno la fracción fina y medir su masa seca junto con el hexametafosfato de sodio.
Seleccionar y limpiar una serie de tamices adecuados para el agitador y la distribución del suelo, incluyendo el tamiz más grande que permite el paso de todo el material y el de 75 µm.
Inspeccionar y registrar el tamaño y la masa de cada tamiz vacío.
Ensamblar el conjunto de tamices con una bandeja inferior y verter el suelo en el tamiz superior.
Agitar el conjunto de tamices durante 10 minutos.
Desarmar el conjunto y verificar manualmente la eficiencia del tamizado golpeando cada tamiz sobre una hoja de papel blanca.
Si se observa una cantidad significativa de partículas en el papel, repetir el ciclo de agitación.
Medir la masa de cada tamiz con el suelo retenido.
Verificar que la cantidad de suelo retenido en cada tamiz no exceda el límite de sobrecarga. Si se excede, repetir la operación de tamizado dividiendo la muestra en dos porciones.
Vaciar y limpiar los tamices.

Cálculos

Considera el diámetro especificado en cada tamiz como el tamaño de partícula.
Obtén la masa seca ( $M_D$ ) de la muestra utilizando la masa húmeda y el contenido de agua de la muestra de referencia:

M_D = M_{T} [1 + \frac{\omega_{c}}{100}]

Determinar el porcentaje de partículas más finas retenidas en cada tamiz, comenzando por el de mayor tamaño y avanzando hacia el menor.

N_m = \frac{M_D - \sum_{i=1}^{m}M_{d,i}}{M_D} \times 100

Donde:

$N_m$ : Porcentaje que pasa por el tamiz $m$ .
$M_{d,i}$ : Masa seca retenida en el tamiz $i$ .
$m$ : Número de tamiz.

Obtén la masa seca alternativa ( $M_{Da}$ ) sumando la fracción de material grueso obtenida en el paso 15 y la fracción fina determinada en el paso 16, asegurándote de restar los 5 g de hexametafosfato de sodio.
Determina el porcentaje de error en la masa ( $\%E_m$ ):

E_m = \left( \frac{M_D - M_{Da}}{M_D} \right) \times 100

Se sugiere el uso de la siguiente tabla para la determinación de los parámetros granulométricos:

Tamiz #	Abertura (mm)	Masa tamiz vacío (g)	Masa tamiz + suelo retenido (g)	Suelo retenido (g)	Porcentaje retenido (%)	Porcentaje retenido acumulado (%)	Porcentaje que pasa (%)
		A	B	C	D	E	F
				$C_i = B_i - A_i$	$D_i = \frac{C_i}{\text{Masa total}} \cdot 100$	$E_i = D_i + E_{i+1}$	$F_i = 100- E_i$
4	4.75
10	2
20	0.85
40	0.425
60	0.25
100	0.15
140	0.105
200	0.075
Fondo
			Masa total ( $\sum C_i$ )

Reporte

Para cada muestra analizada, se debe proporcionar los siguientes datos:

Gráfico de la distribución granulométrica del material. Este gráfico se presenta con el porcentaje que pasa en el eje y, y el tamaño de partícula en escala logarítmica en el eje x (en milímetros). Adicionalmente, se debe especificar si se obtuvo mediante análisis de tamizado mecánico o sedimentación.
Tamaño máximo de partícula en mm.
$D_{60}$ : Diámetro de la partícula correspondiente al 60% de material que pasa en mm.
$D_{30}$ : Diámetro de la partícula correspondiente al 30% de material que pasa en mm.
$D_{10}$ : Diámetro de la partícula correspondiente al 10% de material que pasa en mm.
Coeficiente de uniformidad (Cu):

C_u = \frac{D_{60}}{D_{10}}

Coeficuente de curvatura (Cc):

C_c = \frac{D_{30}^2}{D_{60} \cdot D_{10}}

Porcentaje de material que pasa por el tamiz de 75 µm (No. 200)
Error en la determinación de la masa seca

Referencias

Germaine, J. T., & Germaine, A. V. (2009). Geotechnical laboratory measurements for engineers.

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