ANEJO 3. PROCEDIMIENTO DEL ENSAYO DE PERMEABILIDAD BAJO CARGA VARIABLE

1. Material y aparatos

• Célula que consta de un cuerpo de célula, una base perforada, una tapa superior y varillas tensoras con tuercas de mariposa. El cuerpo de célula consta a su vez de un molde y un collar como los descritos en el apartado 3, párrafo 3.º, de la norma UNE 103 502:1995 para el ensayo CBR. La base se construirá a partir de la descrita en la misma norma, practicando agujeros de 6 mm de diámetro en el lugar de cada perforación inicial, y un cajeado circular con junta de goma, del mismo diámetro que el collar, de profundidad y espesor suficientes para que dicho collar pueda encajar herméticamente en la placa perforada. La tapa consistirá en una base de compactación como la descrita en el apartado 5 de la norma UNE 103 501:1994 para el ensayo de Proctor Modificado. A dicha base se le habrá eliminado la rosca de los agujeros por los que han de pasar los tiradores; también irá provista de un cajeado circular con junta de goma para que el molde pueda encajar herméticamente y además se habrá instalado en su centro una llave de paso con boquilla roscada adecuada para conectar un tubo transparente de goma o plástico de Φ 6 o Φ 8 mm, aproximadamente. Cerca de la llave podrá llevar una válvula para purgar el aire.
• Malla de alambre de acero inoxidable de 2 mm de luz.
• Disco espaciador como el descrito en el apartado 3, párrafo 4, de la norma UNE 103 502:1995, para el ensayo CBR.
• Tubería de goma o plástico transparentes de Φ 6 o Φ 8 mm, aproximadamente.
• Tubo de vidrio en forma de «Y», con olivas, para insertar en el tubo anterior.
• Pinzas de estrangulamiento tipo Hoffman.
• Bureta de 50 ml con llave de vidrio, recta con franja, clase A, con error máximo de 0,05 ml. Con herramientas adecuadas se cortará la parte cónica en que acaba el tramo de tubo que va a continuación de la llave, con objeto de evitar el estrechamiento a la salida de dicha bureta y aumentar el caudal de vaciado.
• Tanque de plástico de unos 10 litros de capacidad, con grifo inferior y boquilla para conectar la tubería de goma o plástico.
• Soporte trípode de aro plano.
• Termómetro.
• Cronómetro digital con lectura de centésimas de segundo y posibilidad de tomar dos lecturas de tiempo consecutivas en un mismo recorrido.
• Aparato para producir agua desaireada.
• Base de compactación del molde indicada en la norma UNE 103 501:1994, para el ensayo Proctor Modificado.
• Los restantes materiales y aparatos que figuran en el apartado 5 de la norma UNE 103 501:1994, para el ensayo Proctor Modificado, a partir del 2.º párrafo, salvo los tamices de 50 mm y 5 mm UNE, que no se utilizan en este ensayo.

2. Preparación de la muestra

Se procede como en el apartado 6 de la norma UNE 103 501:1994. En lugar de los 35 kg de material que pasa por el tamiz 20 mm UNE se utilizarán solo unos 12 kg y se dividirán por cuarteo en dos porciones homogéneas, aproximadamente iguales.

3. Procedimiento operativo

Al final de este procedimiento se incluyen las figuras que describen el equipo y la célula.

3.1 Montaje de la célula:

• 1. Se determina el diámetro medio, D, del molde, midiendo con el calibre en tres direcciones diferentes y obteniendo la media con precisión de 0,1 mm.
• 2. Se determina la masa en gramos, m, del molde sin el collar, con precisión de 1 g.
• 3. Se acopla el molde a la base de compactación del Proctor Modificado y se introduce el disco espaciador. Se mide la altura, L, de la probeta desde el disco espaciador hasta el borde superior del molde, con precisión de 1 mm.
• 4. Conocida la humedad del subbalasto, w₀, se toma una de las dos porciones y se añade la cantidad de agua necesaria para alcanzar la humedad óptima, w_op, correspondiente a la densidad máxima, determinada previamente mediante el Ensayo de compactación Proctor Modificado según norma UNE 103 501:1994. A continuación se mezclan el subbalasto y el agua íntimamente. Se debe evitar en estos momentos cualquier pérdida de humedad por evaporación, procediendo a la compactación con la mayor rapidez posible.
• 5. Se llena el molde con el collar colocado, mediante la porción de subbalasto mezclada con agua, repartida en cinco capas aproximadamente iguales, de forma que cada capa, después de compactada, quede con una altura ligeramente superior a un quinto de la altura del molde. La compactación de cada una de estas capas se realiza por medio de 60 golpes de la maza, distribuidos uniformemente. La última capa compactada debe entrar aproximadamente 1 cm en el collar superior. El molde debe colocarse sobre una base suficientemente rígida, para que no amortigüe los golpes.
• 6. Terminada la compactación se retira el collar y se enrasa cuidadosamente el subbalasto con el borde del molde. Se retiran también la base de compactación y el disco espaciador.
• 7. Se determina la masa en gramos, m1, del conjunto formado por el molde y el subbalasto compactado.
• 8. Se coloca el collar otra vez. Sobre la superficie del subbalasto se coloca un círculo hecho con malla de acero de 2 mm de luz, del mismo diámetro interno que el molde. A continuación se rellena el collar, hasta el borde y sin compactar, con un filtro fabricado con grava de tamaños entre 8 y 12 mm, que puede obtenerse a partir de otra porción de la misma muestra. Se coloca la base perforada, sobre el collar, y se ajusta todo el bloque haciendo pasar las varillas tensoras por las asas del collar y del molde y apretando después las tuercas de mariposa.
• 9. Se da la vuelta al conjunto, quedando por tanto la base perforada en la parte inferior. Se coloca otra malla sobre la otra cara del subbalasto y se rellena el hueco dejado por el anillo espaciador, hasta el borde y sin compactar, con otra porción del filtro descrito. Se coloca a continuación la tapa de la célula, ajustándola con las varillas y las tuercas. Por último, se aplica silicona a todas las juntas para asegurar la total hermeticidad de la célula.
• 10. En este momento se tiene la tapa de la célula en la parte superior y la base perforada en la inferior. Esta posición se define como célula en situación normal. Se define «célula invertida» la posición de la célula con la base perforada en la parte superior y la tapa en la inferior.

3.2 Saturación del filtro superior.

Esta operación es necesaria para, a continuación, poder saturar la muestra por presión con la célula invertida, ya que al ser la permeabilidad del subbalasto bastante baja, si no se inunda primero el filtro quedará una cámara de aire que hará que la saturación de la muestra sea muy lenta e incompleta, y muchas veces imposible.

Una vez seca la silicona (aproximadamente a las 24 horas), se desenrosca la boquilla de la llave de la tapa de la célula, se abre dicha llave y mediante una bureta (para que el caudal sea muy pequeño y pueda salir el aire al mismo tiempo), se inunda con agua desaireada el filtro de grava comprendido entre el subbalasto y la tapa de la célula. Si la tapa dispone de una segunda llave o válvula de purga, se abre ésta mientras se satura el filtro para permitir la salida de aire. De vez en cuando se procederá a inclinar la célula en distintas direcciones para que pueda penetrar bien el agua y permitir la salida del aire que haya podido quedar en las zonas próximas al borde superior de la célula. Cuando rebose el agua por la llave y se tenga la seguridad de que no queda más aire en el filtro, lo cual suele suceder después de introducir un mínimo de 500 ó 600 ml de agua, se cierra la llave y se vuelve a enroscar la boquilla.

Si la muestra no es muy impermeable, con esta operación se saturará, además del filtro, parte de dicha muestra y el consumo de agua será mayor.

3.3 Montaje del equipo para el ensayo de carga variable:

• 1. Sobre un banco nivelado se coloca una bandeja y sobre ella, el soporte trípode. Sobre éste se coloca la célula invertida, manejándola siempre sin golpes ni movimientos bruscos, haciendo pasar la llave por el aro plano del trípode. A continuación se nivela la célula y se mide y anota la distancia Y₀ entre el banco y la base perforada (nivel de rebosadero) con precisión de 1 mm.
• 2. La bureta de 50 ml se coloca cerca de la célula con un soporte. En su salida se inserta un tubo de goma o plástico transparente que se conecta por el otro extremo a un tubo de vidrio en «Y», próximo al cual se coloca una pinza, A, de estrangulamiento. Mediante un nivel, la bureta se ajusta a la vertical y a continuación se miden y se anotan las alturas Y₁ e Y₂, que corresponden a las distancias entre el nivel del banco y las marcas del cero (superior) y el 50 ml (inferior) de la bureta, respectivamente; también con precisión de 1 mm.
• 3. Se hace una marca en la escala de la bureta a una altura Y₃ (medida desde el nivel del banco), calculada del siguiente modo:
  • Y₃ = Y₀ + h₃
    Siendo:
    • h₃ = √(h₁×h₂)
    • h₁ = Y₁ - Y₀
    • h₂ = Y₂ - Y₀
• 4. La altura de la bureta será tal que la distancia h₂ no sea inferior a 30 cm. A mayor altura, menores serán los tiempos que han de medirse.
• 5. El tanque se coloca a una altura tal que una vez lleno con agua desaireada el nivel de ésta no genere un gradiente hidraúlico superior al indicado en la tabla siguiente:

    El gradiente hidráulico se calcula mediante la expresión: G = (H - Y₀) / 127
Siendo:
    H = nivel del agua en el tanque respecto del nivel del banco, en mm.
    Y₀ = nivel del rebosadero respecto del nivel del banco, en mm.
    Si una vez realizado el ensayo, el coeficiente de permeabilidad obtenido fuera distinto al esperado, de manera que se saliera del margen correspondiente al gradiente hidráulico establecido, habría que repetir el ensayo con el gradiente correspondiente de la tabla.

• 6. El grifo de salida del tanque se conecta mediante tubo de goma o plástico transparente a la otra rama lateral del tubo en «Y» y cerca de éste se coloca una pinza de estrangulamiento, B.
• 7. El tubo de vidrio en forma de «Y» deberá situarse cerca de la llave de entrada de la célula, conectándose su rama inferior a dicha llave mediante tubo transparente con su correspondiente pinza de estrangulamiento, C, cercana al tubo en «Y».
• 8. Los tubos de goma deberán revisarse durante el ensayo para comprobar que no se forman codos ni estrangulamientos y que los radios de curvatura son amplios en todos los tramos.

3.4 Saturación de la muestra:

• 1. Se llena el tanque con agua desaireada y se coloca a la altura indicada en el apartado anterior.
• 2. Con la llave de la célula cerrada, se desconecta de la boquilla el tubo de goma. Se abre la llave del tanque y las pinzas B y C, en este orden; la pinza A permanece cerrada. Se deja salir agua por el extremo del tubo de goma hacia la bandeja hasta tener la seguridad de que en todo el circuito hasta el tanque, no queda aire atrapado. Entonces, sin dejar de salir agua por el tubo, se vuelve a insertar éste en la boquilla.
• 3. Se abre ahora la llave de la célula y se deja saturar la muestra, comprobando periódicamente la ausencia de burbujas en los tubos de goma. Deberá comprobarse también que no se formen codos ni estrangulamientos en dichos tubos.
• 4. Cuando empiece a salir agua a través de la placa perforada dejamos que continúe la saturación hasta que el agua salga por todos los agujeros durante unos minutos.
• 5. Se cierra la pinza C para comenzar el ensayo.

3.5 Ejecución del ensayo:

• 1. Se repone el agua gastada en el tanque.
• 2. Se eleva ahora el tanque hasta una altura tal que el nivel del agua quede por encima del nivel superior de la bureta.
• 3. Con la llave del tanque y la pinza B abiertas y la C cerrada, abrimos la pinza A. A continuación vamos abriendo poco a poco la llave de la bureta y dejando entrar agua en ésta, cuidando de que no se originen burbujas de aire en los tubos. Cuando la bureta esté llena hasta rebosar cerramos su llave.
• 4. Se cierra la pinza B y se abre la C.
• 5. Se abre la llave de la bureta al máximo y se pone en marcha el cronómetro cuando se alcance el nivel h1 (cero de la bureta). Cuando se alcance el nivel h₃ se mide y anota el tiempo, t_a, y se detiene el cronómetro al alcanzar el nivel h₂. Se anota el tiempo total, t en minutos. Todos los tiempos se medirán con una precisión de al menos décimas de segundo y luego se convertirán a minutos con cuatro decimales.
• 6. Se cierra la llave de la bureta y se mide la temperatura del tanque.
• 7. Se cierra la pinza C para volver a repetir todos los pasos de este apartado hasta hacer un mínimo de cuatro medidas de t_a y t consecutivas.
• 8. Una vez cumplidos los requisitos de validez de las medidas descritos en el apartado 4, se desmonta la célula, se guarda el filtro y se extrae el subbalasto del cuerpo de la célula, lavando la pared interior para recoger todo el material. Se seca en estufa a 115 ºC, se deja enfriar y se pesa. Se anota la masa seca, m₂, en gramos.

4. Cálculos y comprobación de la validez de las medidas

En cada descenso, el tiempo de caída del agua desde h₁ hasta h₃, o sea, t_a, debería ser el mismo que desde h₃ a h₂, al que se designa como t_b. Por tanto, se repetirán los ensayos en los que no se cumpla la condición:

| t_a -t_b | < 0,05 × t

Una vez que se tengan un mínimo de cuatro medidas válidas según la condición anterior, se calculará para cada ensayo, el Coeficiente de Permeabilidad, k, a la temperatura del ensayo, mediante la expresión:

k = 3,84 × 10^-5 × [a × L/(A × t)] × log₁₀ (h₁/h₂) [m/s]

Siendo:

• A: superficie de la sección interna de la célula, en mm²; A = π × D²/4.
• L: altura de la probeta de subbalasto en la célula, en mm.
• a: superficie de la sección interna de la bureta, en mm²; a = 50000/H.
• H: distancia entre las marcas de 0 y 50 ml en la bureta, en mm.
• t: tiempo de descenso entre marcas de 0 y 50 ml en la bureta, en minutos

A continuación se calcula, para cada ensayo, la k₂₀ (coeficiente de permeabilidad estándar, a 20 ºC) mediante la expresión:

k₂₀ = k × c

El factor de corrección c, por viscosidad, se toma de la tabla siguiente:

Donde T es la temperatura del ensayo.

Se calcula ahora la desviación estándar, s, a partir de las k₂₀ calculadas para cada medida de t, mediante la expresión:

Donde k_20,i es la k₂₀ de la medida i; n es el n.º total de medidas de t; k_20prom es la media de esas medidas.

Se calcula el Límite de Confianza, LC, del valor de k_20prom para un Nivel de Confianza del 95%, por medio de la expresión:

LC = ± f × s

Donde f es un coeficiente de la distribución de la variable de Student, que se toma de la siguiente tabla, según el número n de medidas realizadas:

Una vez calculado L_C pueden darse dos casos:

• a) Que LC, en valor absoluto, sea mayor que 1,4 × 10^-(p+1), donde p+1 es el exponente que, con signo negativo, figura en el valor de k_20prom cuando éste se expresa con dos cifras significativas (unidades mayores que cero y décimas) seguidas de la potencia 10^-p (por ejemplo si k_20prom = 2,4 × 10^-7, entonces p = 7 y LC ≥ 1,4 × 10^-8):
      En este caso, las medidas realizadas no son suficientes y por tanto habrá que realizar más para aumentar n, o bien, repetir el ensayo con otra muestra.
• b) Que LC, en valor absoluto, sea igual o menor que 1,4 × 10^-(p+1):
      En este caso las medidas son suficientes y se toma k_20prom como valor del coeficiente de permeabilidad de la primera porción de muestra, con dos cifras significativas y expresado en m/s.

5. Ensayo de la segunda porción de muestra

Con la otra porción del material pasado por el tamiz 20 mm UNE, se realiza un segundo ensayo siguiendo todos los pasos descritos desde el punto 3.

6. Ensayo en vacío (sin muestra)

Antes de realizar ensayos con muestras de subbalasto deben realizarse al menos tres ensayos en vacío (sin muestra) para determinar el Coeficiente de Permeabilidad del sistema bureta-tubos-conexiones, (k₂₀)_b, que deberá ser muy superior al de las muestras de subbalasto.

Para ello, en cada ensayo se rellena la célula con grava de la misma granulometría y procedencia que el filtro descrito en el apartado 3.1. Se realiza el resto del ensayo y se calcula (k₂₀)_b siguiendo los pasos descritos en los puntos 3 y 4.

Se tomará como valor final de (k₂₀)_b el promedio de los obtenidos en los ensayos en blanco realizados.

El valor de (k₂₀)_b deberá ser lo suficientemente grande como para que no influya en el valor final de la k₂₀ de la muestra, para los valores normales de la permeabilidad en los subbalastos. En caso contrario deberemos aumentar la permeabilidad del sistema colocando llaves, boquillas y tuberías con diámetros internos mayores.

7. Obtención del coeficiente de permeabilidad y expresión de los resultados

Se calcula el coeficiente de permeabilidad del ensayo (k₂₀)_e como media aritmética de los coeficientes de permeabilidad promedios de ambas porciones de muestra (k₂₀)₁ y (k₂₀)₂, respectivamente.

(k₂₀)_e = [(k₂₀)₁ + (k₂₀)₂]/2

Por último calcularemos el Coeficiente de Permeabilidad real de la muestra, k20, mediante la expresión:

k₂₀ = (k₂₀)_e× (k₂₀)_b/[(k₂₀)_b - (k₂₀)_e]

El resultado se expresa en m/s y con dos cifras significativas, según lo expuesto en el apartado 4.
 

Célula de permeabilidad

 

Equipo de permeabilidad con carga variable