MANUAL DE ENSAYO DE MATERIALES (EM 2000)

HUMEDAD DEL SUELO EN EL TERRENO. METODO NUCLEAR (PROFUNDIDAD REDUCIDA) MTC E 125 – 2000 Este Modo Operativo está basado en las Normas ASTM D 3017 y AASHTO T 239, los mismos que se han adaptado, a nivel de implementación, a las condiciones propias de nuestra realidad. Cabe indicar que este Modo Operativo está sujeto a revisión y actualización continua. Este Modo Operativo no propone los requisitos concernientes a seguridad. Es responsabilidad del Usuario establecer las cláusulas de seguridad y salubridad correspondientes, y determinar además las obligaciones de su uso e interpretación.

1. OBJETIVO 1.1 Se refiere a la determinación en el terreno de la humedad de suelo y de suelo-agregado, empleando equipo nuclear, por medio de la moderación o reducción de neutrones rápidos cuando la fuente emisora y el detector de éstos permanecen en la superficie. El equipo está calibrado para determinar la humedad como peso de agua por unidad de volumen del material (en kg/m3 o lb/pie3 ). La humedad se define normalmente como la relación expresada en porcentaje del peso del agua en un peso dado de suelo, con respecto al peso de las partículas sólidas. Con este procedimiento, se la determina dividiendo la humedad ( kg/m3 o lb/pie3 ) entre el peso unitario seco del suelo (kg/m3 o lb/pie3 ). Por esto, el cálculo de la humedad, empleando el equipo nuclear, requiere también la determinación del peso unitario seco del material bajo ensayo. Gran parte del equipo disponible puede medir tanto la humedad (kg/m3 o lb/pie3 ) como peso unitario total; la diferencia es el peso unitario seco. 1.2 La humedad del material bajo ensayo se halla colocando una fuente rápida de neutrones y un detector térmico de neutrones sobre o adyacente al mismo. 1.3 El equipo utiliza materiales radiactivos que pueden resultar de riesgo para la salud de los usuarios, a menos que se tomen las precauciones adecuadas, según las recomendaciones del fabricante. 2. USO Y SIGNIFICADO 2.1 La humedad determinada mediante este método, es la humedad contenida en un volumen dado del suelo. Deberá anotarse que el volumen del suelo o del suelo agregado representado en la medida es indeterminado y variará con la disposición geométrica del conjunto fuente-detector del equipo empleado y con las características del material ensayado. En general y manteniendo constantes las condiciones restantes, a mayor humedad del material, menor será el volumen involucrado en la medida. A diferencia de los ensayos de secamiento en el horno, la humedad promedio dentro del volumen involucrado en la medida. Para el equipo de superficie usualmente empleado en materiales comunes, por ejemplo, cerca del 50% de la cuantía medida, corresponderá a los 75 a 100 mm (3 a 4”) superficiales de los suelos y del suelo-agregado. La humedad se determina mediante la relación de la cuenta nuclear con respecto al peso de agua o unidad de volumen del suelo.

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2.2 Las medidas se hacen empleando neutrones rápidos que reflejan modificaciones mediante su retrodispersión, a través del material que se está ensayando. Cuando los neutrones de elevada energía son dispersados dentro del suelo, ocurre una pérdida en la velocidad de cada neutrón a medida que éste colisiona con el núcleo de los átomos del suelo. La razón a la cual ocurre el proceso de reducción de velocidad depende: (1) de la masa del núcleo en colisión con el neutrón, y (2) de la probabilidad de que los dos colisionen. 2.3 La razón a la cual los neutrones llegan al detector se ha denominado en esta norma con el nombre de cuantía. 2.4 El método descrito es útil como una técnica rápida y no destructiva para la determinación en el terreno de la humedad del suelo y del suelo agregado. Los supuestos fundamentales inherentes al mismo son los que el hidrógeno está presente en la forma de agua, como se define por la norma ASTM D 2216; y que el material bajo ensayo es homogéneo. El método es adecuado para el control y aceptación de suelos y agregados de suelo para construcción, la investigación y el desarrollo. Los resultados de los ensayos pueden afectarse por composición química, la heterogeneidad de la muestra y, en menor grado, por el peso unitario y textura superficial del material. Esta técnica exhibe también diferencias espaciales, por cuanto aparato es más sensible a ciertas zonas del material que se está ensayando.

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2.5 El ensayo nuclear de humedad en el terreno ofrece varias ventajas sobre métodos convencionales, tales como evitar el secamiento de muestras en el horno, particularmente cuando los ensayos se realizan para el control continuo de la construcción. Su mayor ventaja es el corto tiempo requerido para obtener una humedad y disponer de los datos en pocos minutos después de efectuado el ensayo. Cuando se realicen simultáneamente los ensayos de humedad y de peso unitario, se podrán realizar más ensayos, diariamente, que cuando se emplean otros métodos tradicionales. Adicionalmente, las mediciones aparentemente erráticas pueden detectarse y comprobarse inmediatamente, puesto que los ensayos nucleares no son destructivos. Estas ventajas se hacen más notorias en entidades que efectúan mediciones en forma más o menos continua. Respecto a los que efectúan medidas poco frecuentes u ocasionales, puede estar en desventaja por el mantenimiento y la preparación del material y de los equipos (cargue periódico de las baterías, mantenimiento de los registros de exposición de radiación, etc.) El equipo empleado en este método es de tipo superficial. En general, cualquier fuente de neutrones suficientemente numerosos y energéticamente apropiados, puede emplearse para medir la humedad del suelo y del suelo-agregado. Las fuentes más comúnmente empleadas, sin embargo, son americio-berilio y radio-berilio, siendo usada la última principalmente para instrumentos de doble propósito, diseñados también para determinar el peso unitario total o húmedo. Los detectores empleados son tubos de gas llenos con trifluoruro de boro y cristales centelleantes o cámaras de fusión. Los detectores del último tipo ofrecen el potencial para variar el rango de energía de los neutrones que son contabilizados. 2.6 El peso del núcleo de hidrógeno es casi igual al peso de los neutrones. La colisión con átomos de hidrógeno, por lo tanto, reduce la velocidad de los neutrones más rápidamente que la colisión con núcleos más pesados. La gran diferencia entre los pesos de átomos de hidrógeno, y los normalmente

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encontrados en el suelo, significa que la efectividad relativa de los átomos de hidrógeno para reducir la velocidad de los neutrones, es muy pronunciada. 2.7 La probabilidad de que un neutrón colisione con el núcleo de un átomo, depende de la sección transversal dispersante del átomo. Para la mayoría de los elementos, este valor es bajo, aumentando generalmente, con la disminución de la energía de los neutrones. La sección transversal de la dispersión del átomo de hidrógeno para neutrones de alta energía, sin embargo, es mayor que para la mayoría de los restantes átomos presentes en suelos. 2.8 Estos dos hechos combinados, hacen al hidrógeno el medio más efectivo para reducir la velocidad de neutrones rápidos. Si un detector lento de neutrones términos está cerca de la fuente de éstos en un suelo que contenga hidrógeno, la actividad registrada se debe casi completamente a neutrones que han sido frenados por los átomos de hidrógeno. Otros átomos presentes en el suelo desempeñan un papel despreciable en este proceso. En suelos naturales el hidrógeno puede estar presente en varias formas, pero con algunas excepciones. Esto ocurre principalmente en el agua retenida por las partículas del suelo. Por tanto, la actividad del neutrón lento registrada por un detector adecuado, puede relacionarse con la concentración de agua en un suelo mediante calibración. 2.9 Una de las fuentes de neutrones rápidos usadas, el americio, es elaborado por el hombre y como tal su empleo está regulado en Estados Unidos por la Comisión de Energía Atómica, así como por otros gobiernos en diferentes países. A causa de que el radio y el berilio son materiales que se presentan en la naturaleza, su uso está ahora regulado por los diferentes gobiernos. Los objetivos de tales regulaciones, entre otros, son los de lograr que el uso de materiales radiactivos se efectúe de manera segura para el operador y los usuarios.

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3 APARATOS 3.1 Fuente de neutrones rápidos. Una fuente nuclear sellada que emita neutrones rápidos, o sea un material de isótopos sellado como americio-berilio, radio-berilio, o un dispositivo electrónico como un generador de neutrones. 3.2 Detector de neutrones lentos. Cualquier tipo de detector de neutrones lentos, como trifluoruro de boro, un cristal centelleante, o una cámara de fusión, sensible a los neutrones a medida que ellos son dispersados al pasar a través del material que se está ensayando. 3.3 Dispositivo de lectura. Un contador con provisión para el cronometraje automático y exacto, para la determinación de la razón a la cual llegan al detector los neutrones modificados (cuantía) y una escala adecuada para el medidor. Generalmente, el dispositivo de lectura contendrá el suministro de alto voltaje necesario para operar el detector y el de bajo voltaje para operar el dispositivo de lectura y los accesorios del aparato. 3.4 Empaque. La fuente, el detector, el dispositivo de lectura y la fuente de suministro deberán colocarse en cajas de construcción fuerte, las cuales deberán ser a prueba de polvo y agua. Nota 1. La fuente de neutrones, el detector, el dispositivo de lectura y la fuente de corriente pueden empacarse separadamente o integrarse con un sistema de medición nuclear de peso unitario. 3.5 Patrón de comparación. Se utiliza para comprobar la operación del equipo y la calibración y para establecer condiciones de que la cuantía sea reproducible. 3.6 Dispositivos para la preparación del sitio. Una placa de acero de borde recto u otras herramientas adecuadas de nivelación pueden emplearse para nivelar el sitio de ensayo hasta obtener la tersura requerida. 4. CALIBRACION 4.1 Se han establecido curvas de calibración determinando la cuantía para muestras de diferentes humedades conocidas, dibujando puntos de cuantía contra contenidos de humedad conocidos y haciendo pasar una curva a través de los puntos dibujados. El método y el procedimiento de ensayo empleados para establecer la curva deberán ser los mismos que se usen para determinar la humedad del material que se va a ensayar. La humedad de los materiales empleados para establecer la curva, deberá variar a través de un rango que incluya la humedad de los materiales que se van a ensayar. Los materiales empleados para la calibración deben ser de peso unitario y humedad uniformes. Nota 2. Debido al efecto de la composición química, hay unas curvas de calibración suministradas por el fabricante, que pueden ser inaplicables en los materiales bajo ensayo. Por esto, las curvas de calibración deben verificarse y ajustarse de acuerdo con los numerales 4.2 y 4.3. Las curvas de calibración se pueden determinar aplicando los métodos siguientes: •

Usando recipientes preparados de suelo compactado y de suelo-agregado con humedad conocida. Los recipientes preparados deben ser suficientemente grandes para que no cambie

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la cuantía si se alarga una de sus dimensiones (Nota 3). Si la densidad del hidrógeno de un material puede calcularse a partir de un peso especifico y su fórmula química, teniendo en cuenta que estos datos se conocen con exactitud, se puede obtener una curva de calibración mucho más real en comparación con métodos de secado al horno. El agua absorbida por la roca, que puede removerse mediante secamiento a 110 ºC durante 24 horas, debe también considerarse en comparación con métodos de secado en el horno. •

Usando bloques de calibración permanentes o patrones que contengan elementos químicos ligados con hidrógeno, y que produzcan respuestas de calibración equivalentes a humedades conocidas. Un material no hidrogenado, como magnesio, puede emplearse para calibrar la humedad cero.

Nota 3. Dimensiones de aproximadamente 610 x 610 x 280 mm (24” x 24” x 15”, largo x ancho x altura) han sido comprobadas satisfactoriamente para muchos equipos. 4.2 Verificación de las curvas de calibración. Deben verificarse las curvas de calibración para equipos o instrumentos nuevos y para instrumentos reparados. Las curvas de calibración pueden comprobarse mediante los procedimientos dados en 4.1. 4.3 Ajuste de las curvas de calibración. Cuando se emplean patrones permanentes o bloques para comprobar la calibración de la humedad, dibújese la cuantía contra cada humedad conocida como se describe en 4.1. Si una curva dibujada a través de los puntos colocados indica humedades con una diferencia de 16 kg/m3 (1.0 lb/pie3 ) de las mostradas mediante la curva de calibración. Si la diferencia excede esta cantidad, la curva establecida para comprobar la calibración, reemplazará a las curvas de calibración originales. •

Si el dibujo de cada uno de los resultados de los ensayos de humedad determinados mediante el primer método del numeral 4.1, forma una trayectoria dispersa que aleatoriamente se superponga sobre la curva de calibración previamente establecida y el promedio calculado de todos los ensayos de comparación secados en el horno, esté dentro de 16 kg/m3 (1 lb/pie3 ) del promedio de todas las determinaciones nucleares de humedad correspondiente, no es necesario el ajuste de la curva de calibración.

•

Si la diferencia promedio obtenida en el párrafo anterior es de más de 16 kg/m3 (1 lb/pie3 ), los ensayos subsiguientes de humedad nuclear deberán ajustarse ya sea agregando la diferencia de los promedios, si el promedio nuclear es más bajo, o sustrayendo la diferencia en los promedios, si el promedio nuclear es mayor.

•

La diferencia promedio obtenida en el párrafo anterior puede emplearse para dibujar una curva de calibración corregida, la cual deberá ser paralela a la curva original de calibración y corregirse por la cantidad y dirección de la diferencia. Una curva de calibración corregida puede también determinarse dibujando la cuantía contra cada humedad conocida como se describe en el numeral 4.1 y dibujando una curva a través de los puntos de verificación marcados.

5. PROCEDIMIENTO

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5.1 Normalización. La normalización del equipo sobre un patrón de referencia se requiere al inicio de cada día de uso en la siguiente forma: •

Caliéntese el equipo de acuerdo con las recomendaciones del fabricante.

•

Tómense al menos cuatro lecturas repetidas, de por lo menos un minuto cada una, con el medidor sobre el patrón de referencia. Esta constituye una comprobación de normalización.

•

Si la media de las cuatro lecturas repetidas está por fuera de los límites establecidos mediante la ecuación (1), repítase la comprobación de normalización. Si en el primero o el segundo intento la ecuación se satisface, la operación del equipo se considera satisfactoria y puede continuarse con el numeral 5.2. Ns = No ± 1.96

No

(1)

Donde: Ns = Cuantía medida al comprobar la operación del instrumento sobre el patrón de referencia. No = Cuantía normal de referencia previamente establecida sobre el patrón referencia (promedio de lo lecturas repetidas). •

Si el segundo intento no satisface dicha ecuación, compruébese el sistema y repárese el instrumento si fuere necesario. Es posible emplear el instrumento en esta condición, si puede establecerse una relación satisfactoria de calibración.

•

Establézcase uno nuevo No calculando la media de 10 lecturas repetidas sobre el patrón de referencia.

•

Compruébese la curva de calibración de acuerdo con el numeral 4.2 y si fuese necesario, ajústese la curva de calibración de acuerdo con el numeral 4.3.

5.2 Preparación del sitio. Escójase un sitio para el ensayo donde el medidor en su posición se halle por lo menos 150 mm (6") por fuera de cualquier proyección vertical. Prepárese el sitio de ensayo de la siguiente manera: •

Remuévase todo el material suelto alterado, y retírese el material adicional que sea necesario, para alcanzar la parte superior del intervalo vertical que se va ha ensayar (véase nota 4).

•

Prepárese un área horizontal de tamaño suficiente para acomodar el medido, nivelándola hasta llegar a una condición lisa y de manera que se obtenga máximo contacto entre el medidor y el material que se está ensayando.

•

Las depresiones máximas por debajo del medidor no deberán exceder de 3 milímetros (1/8"). Empléense finos o arena fina del sitio para llenar los vacíos y nivélese el exceso con una placa rígida u otra herramienta adecuada.

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Nota 4. Las dispersiones espaciales deberán considerarse para determinar la profundidad a la cual se va a colocar el medidor. Nota 5. La colocación del medidor sobre la superficie del material que se va a ensayar, es de fundamental importancia para la determinación correcta de la humedad. La condición óptima es el contacto total entre el fondo de la superficie del medidor y la superficie del material que se está ensayando. Como esto no es posible en todos los casos, es necesario emplear un relleno de arena que no deberá exceder de 3 mm aproximadamente (1/8") y el área total rellenada no deberá exceder del 10% del área inferior del medidor. Algunos asentamientos de prueba pueden requerirse para lograr tales condiciones. 5.3 Ensayo. Procédase para el ensayo de la manera siguiente: •

Asiéntese firmemente el medidor.

•

Manténgase cualquier otra fuente radiactiva, lejos del medidor (como lo recomienda el fabricante), para que no se afecten las lecturas.

•

Empléese suficiente tiempo de calentamiento como cuando se hizo para la normalización.

•

Colóquese la fuente en su posición de trabajo y tómese una o más lecturas en un minuto.

6. CÁLCULOS 6.1 Promédiese las lecturas obtenidas al final del numeral anterior. 6.2 Determínese la humedad mediante el empleo de una curva aplicable de calibración. 6.3 Calcúlese la humedad, w, en porcentaje en peso del suelo seco en la siguiente forma:

w =(

Wm Wd

) x 100

Wm= Peso de agua en el suelo en kg/m3 (lb/pie3) Wd = Peso unitario seco del suelo en kg/m3 (lb/pie3). 7. INFORME 7.1 El informe deberá incluir lo siguiente: • • • • •

Sitio del ensayo Elevación o cota de la superficie Descripción visual del material Identificación del equipo de ensayo (fabricante, modelo y número de serie). Cuantía para cada lectura

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• • • •

Humedad en kilogramos por m 3 (lb/pie3 ). Peso unitario húmedo Peso unitario seco Humedad como porcentaje de peso del suelo seco

8. PRECISIÓN 8.1 Determínese la precisión del sistema P, a partir de la pendiente de la curva de calibración, S, y la desviación estándar, s de las señales (neutrones detectados), en cuentas por minuto, en la siguiente forma:

P=

σ S

8.2 Cuando la pendiente de la curva de calibración está determinada en el punto de 160 kg/m3 (10 lb/pie3 ) y la desviación estándar está determinada a partir de 10 lecturas repetidas de un minuto cada una (el medidor no se ha movido después de su primera colocación), tomadas sobre un material que tiene una humedad de 160 ± 10 kg/m3 (10.0 ± 0.6 lb/pie 3 ), el valor de P deberá ser menor que 4.8 kg/m3 (0.30 lb/pie3 ). IMPORTANTE: Es esencial que se sigan las recomendaciones del fabricante al pie de la letra, para asegurar los resultados y por razones de seguridad a fin de prevenir accidentes por las radiaciones. 9. REFERENCIAS NORMATIVAS AASHTO ASTM

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