Granulometría-Método del hidrómetro: fundamentos teóricos, aplicaciones

El hidrómetro, cualquiera que sea su tipo, es un dispositivo que permite medir la densidad de la solución en la cual se suspende.

Este método de prueba cubre las determinaciones cuantitativas de la distribución de tamaño de las partículas de las fracciones finas de los suelos. La distribución de tamaños de partículas más grandes de 75 µm (retenidas en el tamiz No 200) se determina por tamizado, en tanto que la distribución de las partículas más pequeñas que 75 µm se determina por un proceso de sedimentación, usando un hidrómetro que asegure los datos necesarios.

El principal objetivo del análisis del hidrómetro es obtener el porcentaje de arcilla (porcentaje más fino que 0.002 mm) ya que la curva de distribución granulométrica cuando más del 12% del material pasa a través del tamiz No.200 no se utiliza como criterio dentro de ningún sistema de clasificación de suelos y no existe ningún tipo de conducta particular del material que dependa intrínsecamente de la forma de dicha curva. La conducta de la fracción de suelo cohesivo del suelo dado depende principalmente del tipo y porcentaje de arcilla presente, de su historia geológica y del contenido de humedad más que de la distribución misma de los tamaños de partícula.

a) Principio general del método del hidrómetro

La ley fundamental para realizar análisis granulométrico por hidrómetro es formulada por Stokes, en esta ley se enuncia que si una partícula esférica cae dentro del agua adquiere pronto una velocidad uniforme que depende del diámetro de la partícula, de su densidad y de la viscosidad del agua.

Sobre una partícula de suelo en una solución líquida actúan dos fuerzas fundamentales. Una de Las fuerzas, F_ab, dirigida hacia abajo, está dada por la diferencia entre el peso de la partícula de suelo y el líquido desplazado:

Dónde: g es la aceleración de la gravedad y ms y m_l son las masas de las partículas de suelo y del líquido desplazado, respectivamente.

Considerando que la partícula tiene forma perfectamente esférica, la ecuación anterior puede ser escrita como:

Dónde: ρ_s ρ_l son las densidades de suelo y del líquido respectivamente.

La otra fuerza que actúa sobre la partícula es la fuerza de Stokes, F_ar, y está dirigida hacia arriba:

Dónde: η es la viscosidad del líquido y ν es la velocidad de caída de la partícula.

A medida que se incrementa la velocidad de la partícula, como consecuencia de la fuerza constante F_ab, se incrementa F_ar. Cuando esta se iguala a F_ab, la partícula desciende con velocidad constante.

Igualando ambas expresiones, se obtiene que la velocidad final de la partícula está dada por:

Cuando se utiliza esta ecuación se asumen cuatro principios fundamentales, ellos son:

i. la velocidad ν se alcanza tan pronto como comienza la decantación del suelo
ii. la decantación y la resistencia son enteramente debido a la viscosidad del fluido.
iii. las partículas son lisas y esféricas y
iv. no existe interacción entre partículas individuales.

GIBBS et al. (1971) demostraron que las dos primeras consideraciones se cumplen para partículas menores de 80 cm de diámetro. Como las partículas no son lisas y esféricas, X debe ser asumida como un diámetro equivalente.

Cualquiera que sea la forma en que se aplica el método, el objetivo es obtener una relación entre el por ciento de partículas en suspensión y su diámetro.

Figura 1. Representación esquemática de dos hidrómetros calibrados a temperatura T₁(izquierda) > T₂

b) Ejemplo.

ü  El hidrómetro se usa para determinar el porcentaje de partículas de suelos dispersados, que permanecen en suspensión en un determinado tiempo. Para ensayos de rutina con fines de clasificación, el análisis con hidrómetro se aplica a partículas de suelos que pasan el tamiz de 2.00 mm (No.10). Cuando se quiere más precisión, el análisis con hidrómetro se debe realizar a la fracción de suelo que pase el tamiz de 75 µm

ü  La determinación de la distribución del tamaño de partículas es uno de los más comunes e importantes análisis dentro del campo de la física de suelos; es usado en análisis texturales para la clasificación de suelos con propósitos agronómicos e ingenieriles. Tiene también una relación directa e indirecta con la distribución poral de suelos y, por tanto, con las propiedades de retención de humedad Existe una amplia gama de métodos que permiten llevar a cabo este tipo de análisis, los cuales se identifican, generalmente, por el medio. Entre ellos tenemos: hidrómetro, pipeta, sensor de presión, rayos x, y el de difracción de rayos láser

c) Literatura Citada

GIBBS, R.J.; M.D. MATTHEWS and D.A. LINK: «The relationship between sphere size and settling velocity», J. Sed. Petrol .,vol. 41: 7-18, 1971.