Guía de laboratorio: Relaciones de fase

Introducción

En este laboratorio se analizan las relaciones de fase en suelos, es decir, las proporciones entre los componentes sólido, líquido y gaseoso que conforman un material geotécnico. A través de distintos procedimientos de medición, se determinan parámetros fundamentales como el contenido de agua, la densidad, el índice de vacíos y el grado de saturación. Estos ensayos permiten familiarizarse con el uso del equipo de laboratorio, el manejo de muestras y los métodos de cálculo asociados a cada propiedad. Según el tipo de suelo—ya sea fino o grueso—se aplican técnicas específicas para obtener resultados representativos.

Relaciones de fase

Los materiales geotécnicos son sistemas multifásicos compuestos por partículas sólidas, agua y aire. Las relaciones de fase describen cuantitativamente la distribución relativa de estas fases en una muestra de suelo, a través de parámetros definidos en función de masa y volumen.

El contenido de agua ($\omega$) es el cociente entre la masa de agua ($M_w$) y la masa de sólidos secos ($M_s$), expresado generalmente como porcentaje:

Esta propiedad se determina mediante secado en horno a temperatura controlada, conforme a normas como ASTM D2216.

La densidad puede referirse a la masa por unidad de volumen de la muestra total (densidad húmeda, $\rho_t$) o de los sólidos secos (densidad seca, $\rho_d$):

La medición del volumen ($V_t$) depende del tipo de suelo: los suelos cohesivos pueden recortarse en formas regulares, mientras que los suelos granulares requieren moldes de volumen conocido.

El índice de vacíos ($e$) expresa la relación entre el volumen de vacíos ($V_v$) y el volumen de sólidos ($V_s$):

Este índice se calcula a partir del volumen total, la densidad seca y el peso específico de los sólidos ($G_s$), mediante la expresión:

donde $\rho_w$ es la densidad del agua.

La porosidad ($n$) representa la fracción del volumen total ocupada por vacíos:

y se relaciona con el índice de vacíos mediante:

El grado de saturación ($S$) indica qué proporción del volumen de vacíos está ocupada por agua:

donde $V_w$ es el volumen de agua. Este parámetro varía entre 0 % (seco) y 100 % (saturado), y es importante en análisis de consolidación y resistencia no drenada.

Estas relaciones permiten interpretar y comparar el comportamiento de suelos en distintas condiciones, y son fundamentales en el análisis de compactación, permeabilidad, consolidación y resistencia.

Instrumentos

• Horno con ventilación forzada que mantenga una temperatura de 110 ± 5 °C
• Recipiente hermético para conservar muestras libres de humedad (desecador)
• Balanza de alta precisión (0.01 g) con capacidad mínima de 200 g para medir contenido de agua
• Balanza con precisión de 0.1 g y al menos 500 g de capacidad, usada para pesar muestras recortadas
• Balanza con precisión de 1 g y capacidad mínima de 5 kg, útil para muestras granulares o sin cohesión
• Caja guía (tipo inglete) utilizada para cortar muestras cohesivas con formas definidas
• Herramientas para medir dimensiones: calibrador digital y cinta flexible, o cera y vaso medidor si se utiliza el método por desplazamiento
• Recipientes pequeños (tares) para realizar pruebas de contenido de agua
• Molde de geometría regular y volumen conocido, como el molde estándar utilizado en ensayos de compactación
• Termómetro con precisión de 0.1 °C para verificar la temperatura del agua durante la calibración de moldes
• Herramientas de corte como sierra de hilo fino y regla metálica para alisar las superficies
• Láminas de papel encerado o plástico para proteger y manipular muestras
• Placas pequeñas de vidrio o plástico para manipulación y soporte de muestras
• Herramientas manuales como cucharas, espátulas y varillas delgadas (aproximadamente 5 mm de diámetro)
• Guantes o pinzas para manejar recipientes calientes después del secado

Procedimiento

En este experimento de laboratorio se realizarán mediciones sobre muestras recortadas de suelos de grano fino y sobre muestras de suelos de grano grueso preparadas previamente. El objetivo es obtener el contenido de agua, la densidad total, la densidad seca, el índice de vacíos y el grado de saturación de cada espécimen.

La determinación del contenido de agua se llevará a cabo siguiendo de forma general el método estándar ASTM D2216. Las densidades y el índice de vacíos se calcularán a partir de mediciones físicas directas en el laboratorio. También será necesario contar con un valor estimado del peso específico del suelo. Para más detalles, se puede consultar la guía de laboratorio de gravedad específica.

Para suelos de grano fino, en estado intacto:
Nota: Al trabajar con muestras blandas o medianamente blandas, es importante no manipularlas directamente con las manos, ya que esto puede alterar su estructura. En su lugar, se recomienda cubrir la muestra con papel encerado o pergamino y manejarla con placas pequeñas de vidrio o plástico. Esto también evita que el suelo se adhiera a las superficies duras.

1. Selecciona un bloque de suelo intacto o una porción tomada de una muestra cilíndrica.
2. Usa la caja de corte (ingletes) y una sierra de hilo para generar una primera superficie plana.
3. Cubre esa cara con papel encerado y colócala sobre una placa plana.
4. Recorta uno de los lados como segundo corte, asegurándote de que tenga entre 3 y 5 cm de longitud. Vuelve a cubrir con papel encerado.
5. Gira la muestra 90° sobre la placa y alinéala con el borde de la caja de ingletes. Realiza el tercer corte. Transfiere el papel encerado a la nueva superficie expuesta.
6. Repite el paso anterior dos veces más hasta obtener una forma rectangular.
7. Cubre una cara con papel encerado y gira el bloque sobre la placa.
8. Alinea el bloque y realiza el último corte para completar la forma.
9. Mide las tres dimensiones del bloque ($L_{1,n}$, $L_{2,n}$, $L_{3,n}$) en cuatro puntos diferentes por lado (al centro de cada borde), con precisión de 0.02 mm. Calcula el promedio para obtener $L_1$, $L_2$ y $L_3$.

Continúa en el paso 10.

Para suelos de grano grueso:

1. Llena aproximadamente un tercio del molde con suelo húmedo usando una cuchara.
2. Compacta esa capa introduciendo una varilla 25 veces para aumentar la densidad.
3. Repite los pasos anteriores hasta llenar completamente el molde.
4. Nivela la parte superior del suelo con una regla o borde recto.

Continúa en el paso 10.

Para ambos tipos de suelos, seguir los pasos comunes a continuación:

10. Pesa un tare vacío ($M_c$) en gramos, utilizando cuatro cifras significativas.
11. Coloca la muestra dentro del tare.
12. Registra la masa del tare con la muestra húmeda ($M_{tc}$), también con cuatro cifras significativas.
13. Lleva el conjunto al horno y déjalo hasta que alcance masa constante.
14. Retira el tare del horno y deja que enfríe completamente en un desecador.
15. Mide la masa final del tare con la muestra seca ($M_{dc}$) con la misma precisión.

Cálculos

1. Determina el volumen total de la muestra de suelo fino utilizando cuatro cifras significativas. Para ello, emplea la siguiente fórmula. En el caso de suelos gruesos, usa el volumen del molde previamente calculado:

Donde:
$V_t$ = volumen total del espécimen (cm³)
$L_1$, $L_2$, $L_3$ = promedios de cuatro mediciones por lado, expresados en milímetros

Para cada muestra:

2. Obtén la masa del espécimen en estado húmedo ($M_t$) restando la masa del tare:

Donde:
$M_{tc}$ = masa total del tare con la muestra húmeda (g)
$M_c$ = masa del tare vacío (g)

3. Calcula la masa del espécimen seco ($M_s$) de la misma manera:

Donde:
$M_{dc}$ = masa total del tare con la muestra seca (g)

4. Encuentra la cantidad de agua contenida en la muestra ($M_w$) restando las masas obtenidas:

5. Estima la densidad total de la muestra ($\rho_t$) dividiendo la masa húmeda por el volumen total:

6. Calcula el contenido de agua ($\omega_C$) como el porcentaje de la masa de agua respecto a la masa seca:

7. Obtén la densidad seca ($\rho_d$) a partir de la masa seca y el volumen total, o bien usando la relación con la densidad total y el contenido de agua:

8. Calcula el volumen correspondiente a los sólidos del suelo ($V_s$) utilizando el peso específico y la densidad del agua:

9. Obtén el volumen de vacíos ($V_v$) restando el volumen de sólidos al volumen total:

10. Determina el índice de vacíos ($e$) como la razón entre el volumen de vacíos y el de sólidos:

11. Calcula la porosidad ($n$) como la fracción del volumen total que está ocupada por vacíos:

12. Finalmente, halla el grado de saturación ($S$) como el porcentaje del volumen de vacíos que está ocupado por agua:

Reporte

Registra para cada muestra los valores obtenidos de contenido de agua, densidad húmeda, densidad seca, relación de vacíos, porosidad y grado de saturación.

Referencias

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