Guía de laboratorio: Gravedad específica

·8 abr 2025

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Introducción

El ensayo de gravedad específica se utiliza para determinar la densidad relativa de las partículas sólidas que componen un suelo. En laboratorio, este valor se obtiene comparando la masa de un volumen conocido de suelo seco con la masa del mismo volumen de agua, generalmente a 20 °C. El procedimiento sigue métodos estandarizados y varía ligeramente según se trate de suelos finos o gruesos. Aunque no se emplea para clasificar suelos, el resultado es necesario para calcular otros parámetros en mecánica de suelos, como el contenido de vacíos y la saturación.

Gravedad específica

La gravedad específica de los sólidos del suelo, representada como $G_s$ , es un parámetro que relaciona la densidad de las partículas sólidas con la densidad del agua destilada a una temperatura estándar. Esta relación se expresa como:

G_s = \frac{\rho_s}{\rho_w}

donde $\rho_s$ es la densidad de las partículas sólidas y $\rho_w$ la densidad del agua. El valor de $\rho_w$ depende de la temperatura, siendo común usar 20 °C como referencia en aplicaciones de ingeniería.

En el análisis de suelos, $G_s$ es necesario para establecer relaciones volumétricas entre las fases sólida, líquida y gaseosa. A través de estas relaciones se pueden calcular magnitudes como la porosidad, el índice de vacíos y el grado de saturación, que son fundamentales para el estudio del comportamiento mecánico del suelo.

El método de submersión en agua se basa en el principio de Arquímedes, que permite determinar el volumen de un sólido a partir de la masa de agua desplazada. Este enfoque requiere controlar con precisión la temperatura, el volumen del recipiente y la eliminación del aire atrapado en el suelo, ya que cualquier variación puede afectar los resultados del ensayo.

Instrumentos

Un frasco de vidrio tipo yodo, de 250 o 500 ml, para cada tipo de suelo que se vaya a analizar.
Termómetro digital que permita medir con una precisión de al menos 0,1 °C.
Contenedor térmico o caja aislada para mantener la temperatura constante durante el ensayo.
Botella con punta dosificadora para retirar el exceso de agua del frasco.
Recipiente pequeño con agua para guardar el termómetro dentro del contenedor térmico entre mediciones.
Balanza digital con resolución de 0,01 g y capacidad mínima de 500 g (para frascos de 250 ml) o 1.000 g (para frascos de 500 ml).
Sistema para eliminar el aire del interior del frasco: puede ser una bomba de vacío, un aspirador de agua con indicador de presión, una fuente de calor, o una combinación de ambos.
Recipiente de evaporación cuya capacidad sea al menos el doble que la del frasco utilizado en el ensayo.

Procedimiento

El ensayo para determinar la gravedad específica se realiza generalmente siguiendo el procedimiento establecido en la norma ASTM D854.

Para suelos de grano fino:

Pesar entre 30 y 40 gramos de suelo seco o su equivalente húmedo.
Mezclar el suelo con aproximadamente 80 gramos de agua destilada utilizando una licuadora o agitador manual.
Verter la mezcla en el matraz volumétrico, sin superar la mitad de su capacidad.
Eliminar el aire atrapado en la mezcla usando uno de los siguientes métodos: aplicar vacío durante una hora, combinar vacío con calor durante 10 minutos, o hervir la mezcla durante 3 minutos.

Para suelos de grano grueso:

Pesar alrededor de 200 gramos de suelo, o registrar la masa exacta ( $M_S$ ) si el material ha sido secado en horno.
Transferir todo el suelo al matraz.
Añadir agua destilada hasta cubrir completamente el material.
Aplicar vacío durante 3 minutos mientras se agita ligeramente el matraz para facilitar la salida del aire.

Para ambos tipos de suelo, continuar con los siguientes pasos:

Llenar el matraz con agua destilada a temperatura ambiente hasta rebasar el nivel de calibración. Si se trabaja con arcillas, hacerlo lentamente para mantener una capa de agua clara en la parte superior. Usar un sistema de goteo o una esponja conectada a una botella tipo Marriott puede ayudar a introducir el agua de forma controlada.
Colocar el matraz con el tapón en posición de reposo dentro de una caja térmica o nevera. El tiempo mínimo de espera depende del tipo de suelo y del método de desaireación empleado. Si se usó solo vacío, el equilibrio térmico se alcanza más rápido. Si se aplicó calor, puede requerirse más tiempo. Para suelos gruesos, al haber menos agua relativa, el tiempo de espera puede reducirse. Como referencia, se sugiere un mínimo de 20 minutos para suelos gruesos con vacío y unas 3 horas para suelos finos con calor. En laboratorios, es común dejarlo toda la noche.
Colocar el matraz sobre una superficie aislante sin mover el tapón de su posición reposada.
Colocar firmemente el tapón, extraer el exceso de agua con una botella de succión, secar cuidadosamente el borde del cuello del matraz y pesar todo el conjunto con precisión de 0,01 g. Esta masa corresponde a $M_{BW_ST}$ . Es importante trabajar rápidamente y usar guantes para evitar cambios de temperatura.
Retirar el tapón temporalmente y medir la temperatura del contenido con un termómetro digital (precisión de 0,1 °C). Se recomienda mantener el termómetro dentro de un recipiente con agua en la nevera para conservar su temperatura constante.
Agregar más agua hasta sobrepasar el nivel de calibración y volver a colocar el tapón en la posición de reposo.
Repetir los pasos del 6 al 10 al menos dos veces más. Se puede usar un intervalo de 10 minutos para que el sistema vuelva a equilibrarse térmicamente. Si se desea, se pueden realizar mediciones a diferentes temperaturas como ejercicio adicional.
Una vez completadas las tres mediciones, recuperar el suelo para determinar su masa seca. Escoger una cápsula de evaporación, anotar su masa vacía ( $M_c$ ) y su número. No usar utensilios metálicos para extraer el suelo, ya que pueden dañar el vidrio. En suelos gruesos, vaciar directamente el contenido y enjuagar el matraz con agua. En suelos finos, verter el agua clara, tapar con un tapón de goma y agitar bien para desprender las partículas. Verter la mezcla en la cápsula, repetir el enjuague y vaciado hasta recuperar todo el material.
Secar el suelo en horno a 110 °C hasta masa constante y pesar la cápsula con el suelo seco ( $M_{sc}$ ) con precisión de 0,01 g.

Cálculos

Determinar la cantidad de suelo seco utilizada en el ensayo restando la masa del recipiente vacío de la masa del recipiente con el suelo seco:

M_s = M_{sc} - M_c

Donde:
$M_s$ es la masa del suelo seco,
$M_{sc}$ es la masa conjunta del suelo seco y el recipiente,
$M_c$ es la masa del recipiente sin contenido.

Calcular el valor de la gravedad específica correspondiente a cada medición, utilizando la masa del suelo seco y las masas medidas durante el ensayo, junto con la densidad del agua a la temperatura de referencia:

G_s = \frac{M_s}{\rho_w(T_C) \cdot \left[ M_{BWS} - M_{BW} - M_s \right]}

Aquí:
$G_s$ es la gravedad específica,
$\rho_w(T_C)$ es la densidad del agua a la temperatura de calibración,
$M_{BWS}$ es la masa del matraz con agua y suelo,
$M_{BW}$ es la masa del matraz con solo agua,
y $M_s$ es la masa del suelo seco.

Ajustar los valores de gravedad específica obtenidos para que correspondan a una temperatura estándar de 20 °C, utilizando la relación entre las densidades del agua a ambas temperaturas:

G_{s(20)} = G_{s(T)} \cdot \frac{\rho_w(T)}{\rho_w(20^\circ C)}

Obtener el valor final del ensayo calculando el promedio de los resultados corregidos y su desviación estándar.

Reporte

Se debe indicar el valor medio y la desviación estándar de la gravedad específica corregida a 20 °C, con un redondeo hasta tres cifras decimales.

Referencias

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

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