Un análisis de tamiz (o prueba de gradación ) es una práctica o procedimiento utilizado en ingeniería civil [1] e ingeniería química [2] para evaluar la distribución del tamaño de partículas (también llamada gradación ) de un material granular al permitir que el material pase a través de una serie. de tamices de tamaño de malla progresivamente menor y pesando la cantidad de material que es detenido por cada tamiz como fracción de la masa total.
La distribución del tamaño suele ser de importancia crítica para el comportamiento del material en uso. Se puede realizar un análisis de tamiz en cualquier tipo de materiales granulares orgánicos o no orgánicos, incluyendo arena , roca triturada , arcilla , granito , feldespato , carbón , suelo , una amplia gama de polvos manufacturados, granos y semillas , hasta un tamaño mínimo dependiendo sobre el método exacto. Al ser una técnica tan sencilla de dimensionamiento de partículas , probablemente sea la más común. [3]
Se realiza una prueba de gradación sobre una muestra de agregado en un laboratorio. Un análisis de tamiz típico utiliza una columna de tamices con mallas de alambre de tamaño de malla graduado .
Se vierte una muestra pesada representativa en el tamiz superior que tiene las aberturas de malla más grandes. Cada tamiz inferior de la columna tiene aberturas más pequeñas que el de arriba. En la base hay una bandeja, llamada receptor.
La columna generalmente se coloca en un agitador mecánico, que agita la columna, generalmente durante un período determinado, para facilitar la exposición de todo el material a las aberturas del tamiz, de modo que las partículas lo suficientemente pequeñas como para pasar a través de los orificios puedan caer a la siguiente capa. Una vez finalizada la agitación, se pesa el material de cada tamiz. Luego se divide la masa de la muestra de cada tamiz por la masa total para dar un porcentaje retenido en cada tamiz. Luego se analiza el tamaño de la partícula promedio en cada tamiz para obtener un punto de corte o rango de tamaño específico, que luego se captura en una pantalla.
Los resultados de esta prueba se utilizan para describir las propiedades del agregado y para ver si es apropiado para diversos fines de ingeniería civil, como seleccionar el agregado apropiado para mezclas de concreto y mezclas asfálticas, así como el tamaño de las rejillas de los pozos de producción de agua.
Los resultados de esta prueba se proporcionan en forma gráfica para identificar el tipo de granulación del agregado. El procedimiento completo para esta prueba se describe en la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales ( ASTM ) C 136 [4] y la Asociación Estadounidense de Funcionarios Estatales de Carreteras y Transporte ( AASHTO ) T 27 [5].
Un tamaño de tamiz adecuado para el árido debajo del nido de tamices para recoger el árido que pasa por los más pequeños. Luego se agita todo el nido y el material cuyo diámetro es menor que la abertura de la malla pasa a través de los tamices. Una vez que el agregado llega al recipiente, se pesa la cantidad de material retenido en cada tamiz. [6]
Para realizar la prueba se debe obtener de la fuente una muestra suficiente del árido. Para preparar la muestra, el agregado debe mezclarse completamente y reducirse a un tamaño adecuado para el ensayo. También se requiere la masa total de la muestra. [6]
Los resultados se presentan en un gráfico del porcentaje de paso versus el tamaño del tamiz. En el gráfico, la escala del tamaño del tamiz es logarítmica. Para encontrar el porcentaje de agregado que pasa por cada tamiz, primero encuentre el porcentaje retenido en cada tamiz. Para ello se utiliza la siguiente ecuación,
%Retenido = ×100%
donde W Tamiz es la masa de agregado en el tamiz y W Total es la masa total del agregado. El siguiente paso es encontrar el porcentaje acumulado de agregado retenido en cada tamiz. Para ello se suma la cantidad total de árido que queda retenido en cada criba y la cantidad de las cribas anteriores. El porcentaje acumulado de paso del agregado se encuentra restando el porcentaje retenido del 100%.
% Acumulado Aprobado = 100% - % Acumulado Retenido.
Luego, los valores se trazan en un gráfico con el porcentaje acumulado en el eje y y el tamaño del tamiz logarítmico en el eje x. [6]
Hay dos versiones de las ecuaciones de % de aprobación. la fórmula de potencia de .45 se presenta en una tabla de gradación de potencia de .45, mientras que el porcentaje de aprobación más simple se presenta en una tabla de gradación semilogarítmica. La versión del gráfico de porcentaje de aprobación se muestra en la tabla de potencia de .45 y utilizando la fórmula de aprobación de .45.
% Aprobado = P i = x100%
Dónde:
Tamiz más grande : tamiz de mayor diámetro utilizado en (mm).
Aggregate max_size : la pieza de agregado más grande de la muestra en (mm).
%Aprobando = x100%
Dónde:
W Abajo : la masa total del agregado dentro de los tamices debajo del tamiz actual, sin incluir el agregado del tamiz actual.
W Total : la masa total de todo el agregado de la muestra.
Existen diferentes métodos para realizar análisis de tamiz, dependiendo del material a medir.
Aquí actúa sobre la muestra un movimiento de lanzamiento. El movimiento de lanzamiento vertical se superpone con un ligero movimiento circular que da como resultado la distribución de la cantidad de muestra sobre toda la superficie del tamiz. Las partículas se aceleran en dirección vertical (son lanzadas hacia arriba). En el aire realizan rotaciones libres e interactúan con las aberturas de la malla del tamiz cuando caen. Si las partículas son más pequeñas que las aberturas, pasan a través del tamiz. Si son más grandes se tiran. El movimiento de rotación mientras están suspendidos aumenta la probabilidad de que las partículas presenten una orientación diferente a la malla cuando vuelven a caer y, por lo tanto, eventualmente puedan atravesar la malla. Las tamizadoras modernas funcionan con un accionamiento electromagnético que mueve un sistema de masa de resorte y transmite la oscilación resultante a la pila de tamices. La amplitud y el tiempo de tamizado se ajustan digitalmente y se controlan continuamente mediante una unidad de control integrada. Por lo tanto, los resultados del tamizado son reproducibles y precisos (una condición previa importante para un análisis significativo). El ajuste de parámetros como la amplitud y el tiempo de tamizado sirve para optimizar el tamizado para diferentes tipos de material. Este método es el más común en el sector del laboratorio. [7]
En la tamizadora horizontal, la pila de tamices se mueve en círculos horizontales en un plano. Las tamizadoras horizontales se utilizan preferentemente para muestras con forma de aguja, planas, largas o fibrosas, ya que su orientación horizontal permite que sólo unas pocas partículas desorientadas entren en la malla y el tamiz no se bloquee tan rápidamente. La gran área de tamizado permite tamizar grandes cantidades de muestra, como las que se encuentran, por ejemplo, en el análisis del tamaño de partículas de materiales y agregados de construcción.
Un movimiento circular horizontal se superpone a un movimiento vertical que se crea mediante un impulso de golpeteo. Estos procesos de movimiento son característicos del tamizado manual y producen un mayor grado de tamizado para partículas más densas (p. ej. abrasivos) que las tamizadoras de acción automática.
La mayoría de los análisis de tamiz se realizan en seco. Pero hay algunas aplicaciones que sólo pueden realizarse mediante tamizado húmedo. Éste es el caso cuando la muestra que debe analizarse es, por ejemplo, una suspensión que no debe secarse; o cuando la muestra es un polvo muy fino que tiende a aglomerarse (generalmente < 45 µm); en un proceso de tamizado en seco, esta tendencia conduciría a una obstrucción de las mallas del tamiz y esto haría imposible un proceso de tamizado posterior. Un proceso de tamizado húmedo se configura como un proceso seco: la pila de tamices se sujeta al tamizador y la muestra se coloca en el tamiz superior. Sobre el tamiz superior se encuentra una boquilla rociadora de agua que, además del movimiento de tamizado, favorece el proceso de tamizado. El enjuague se realiza hasta que el líquido que sale a través del receptor sea claro. Los restos de muestra en los tamices deben secarse y pesarse. Cuando se trata de tamizado húmedo es muy importante no alterar el volumen de la muestra (sin hincharse, disolverse o reaccionar con el líquido).
Las tamizadoras por chorro de aire son ideales para polvos muy finos que tienden a aglomerarse y no pueden separarse mediante tamizado vibratorio. La eficacia de este método de tamizado se basa en dos componentes: una boquilla ranurada giratoria dentro de la cámara de tamizado y un potente aspirador industrial conectado a la cámara. La aspiradora genera un vacío dentro de la cámara de tamizado y aspira aire fresco a través de la boquilla ranurada. Al pasar por la estrecha rendija de la boquilla, la corriente de aire se acelera y sopla contra la malla del tamiz, dispersando las partículas. Por encima de la malla, el chorro de aire se distribuye por toda la superficie del tamiz y es aspirado a baja velocidad a través de la malla del tamiz. De este modo, las partículas más finas son transportadas a través de las aberturas de malla al aspirador.
Los tamices de malla de alambre tejido cumplen con los requisitos técnicos de ISO 3310-1. [9] Estos tamices suelen tener una apertura nominal que oscila entre 20 micrómetros y 3,55 milímetros, con diámetros que oscilan entre 100 y 450 milímetros.
Los tamices de placa perforada cumplen con la norma ISO 3310-2 y pueden tener aberturas nominales redondas o cuadradas que van desde 1 milímetro a 125 milímetros. [10] Los diámetros de los tamices oscilan entre 200 y 450 milímetros.
Los tamices estándar americanos, también conocidos como tamices ASTM, cumplen con el estándar ASTM E11. [11] La apertura nominal de estos tamices varía de 20 micrómetros a 200 milímetros; sin embargo, estos tamices tienen tamaños de sólo 8 pulgadas (203 mm) y 12 pulgadas (305 mm) de diámetro.
En general, el análisis de tamiz se ha utilizado durante décadas para monitorear la calidad del material en función del tamaño de las partículas. Para material grueso, tamaños que varían hasta malla #100 (150 μm), un análisis de tamiz y una distribución del tamaño de partícula son precisos y consistentes.
Sin embargo, para material que sea más fino que la malla 100, el tamizado en seco puede ser significativamente menos preciso. Esto se debe a que la energía mecánica necesaria para hacer que las partículas pasen a través de una abertura y los efectos de atracción superficial entre las propias partículas y entre las partículas y la pantalla aumentan a medida que disminuye el tamaño de las partículas. El análisis de tamiz húmedo se puede utilizar cuando el material analizado no se ve afectado por el líquido, excepto para dispersarlo. Suspender las partículas en un líquido adecuado transporta el material fino a través del tamiz de manera mucho más eficiente que agitar el material seco.
El análisis de tamiz supone que todas las partículas serán redondas (esféricas) o casi y pasarán a través de las aberturas cuadradas cuando el diámetro de la partícula sea menor que el tamaño de la abertura cuadrada en la pantalla. Para partículas alargadas y planas, un análisis de tamiz no producirá resultados confiables basados en la masa, ya que el tamaño de partícula reportado asumirá que las partículas son esféricas, cuando en realidad una partícula alargada podría pasar a través del tamiz de extremo, pero se le impediría hacerlo si se presentaba de lado.
La gradación afecta muchas propiedades de un agregado, incluida la densidad aparente, la estabilidad física y la permeabilidad. Con una selección cuidadosa de la gradación, es posible lograr una alta densidad aparente, una alta estabilidad física y una baja permeabilidad. Esto es importante porque en el diseño de pavimentos es importante contar con una mezcla estable y trabajable con resistencia al agua. Con una gradación abierta, la densidad aparente es relativamente baja debido a la falta de partículas finas, la estabilidad física es moderada y la permeabilidad es bastante alta. Con una gradación rica, la densidad aparente también será baja, la estabilidad física es baja y la permeabilidad también será baja. La gradación puede verse afectada para lograr las propiedades deseadas para la aplicación de ingeniería particular. [8]
La gradación generalmente se especifica para cada aplicación de ingeniería para la que se utiliza. Por ejemplo, es posible que las cimentaciones solo requieran agregados gruesos y, por lo tanto, se necesita una gradación abierta. El análisis de tamiz determina la distribución del tamaño de las partículas de una muestra de suelo determinada y, por lo tanto, ayuda a identificar fácilmente las propiedades mecánicas del suelo. Estas propiedades mecánicas determinan si un suelo determinado puede soportar la estructura de ingeniería propuesta. También ayuda a determinar qué modificaciones se pueden aplicar al suelo y la mejor manera de lograr la máxima resistencia del suelo.
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