Un análisis de tamiz (o prueba de gradación ) es una práctica o procedimiento utilizado en geología, ingeniería civil , [1] e ingeniería química [2] para evaluar la distribución del tamaño de partícula (también llamada gradación ) de un material granular permitiendo que el material pase a través de una serie de tamices de tamaño de malla progresivamente más pequeño y pesando la cantidad de material que es detenido por cada tamiz como una fracción de la masa total.
La distribución de tamaño es a menudo de importancia crítica para el rendimiento del material en uso. Se puede realizar un análisis de tamiz en cualquier tipo de material granular orgánico o no orgánico, incluyendo arena , roca triturada , arcilla , granito , feldespato , carbón , tierra , una amplia gama de polvos manufacturados, granos y semillas , hasta un tamaño mínimo dependiendo del método exacto. Al ser una técnica tan simple de dimensionamiento de partículas , es probablemente la más común. [3]
Se realiza una prueba de gradación en 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 gradada .
Se vierte una muestra pesada representativa en el tamiz superior, que tiene las aberturas de tamiz más grandes. Cada tamiz inferior de la columna tiene aberturas más pequeñas que el superior. En la base hay un recipiente, llamado receptor.
La columna se coloca normalmente en un agitador mecánico, que agita la columna, normalmente durante un período determinado, para facilitar la exposición de todo el material a las aberturas de la pantalla, de modo que las partículas lo suficientemente pequeñas como para pasar por los agujeros puedan caer a la siguiente capa. Una vez finalizada la agitación, se pesa el material de cada tamiz. A continuación, se divide la masa de la muestra de cada tamiz por la masa total para obtener un porcentaje retenido en cada tamiz. A continuación, se analiza el tamaño de la partícula media de cada tamiz para obtener un punto de corte o un 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 ver si es apropiado para diversos propósitos de ingeniería civil, como la selección del agregado apropiado para mezclas de concreto y mezclas de asfalto, así como el dimensionamiento de las pantallas de los pozos de producción de agua.
Los resultados de esta prueba se proporcionan en forma gráfica para identificar el tipo de gradación del agregado. El procedimiento completo para esta prueba se describe en la norma C 136 [4] de la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales ( ASTM ) y en la norma T 27 [5] de la Asociación Estadounidense de Autoridades de Carreteras Estatales y Transporte ( AASHTO ).
Un tamaño de tamiz adecuado para el agregado debajo del nido de tamices para recoger el agregado que pasa por el más pequeño. 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. Después de que el agregado llega a la bandeja, se pesa la cantidad de material retenido en cada tamiz. [6]
Para realizar la prueba, se debe obtener una muestra suficiente del agregado de la fuente. Para preparar la muestra, el agregado debe mezclarse bien y reducirse a un tamaño adecuado para la prueba. También se requiere la masa total de la muestra. [6]
Los resultados se presentan en un gráfico del porcentaje que pasa en función del 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 del 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, sume la cantidad total de agregado que se retiene en cada tamiz y la cantidad en los tamices anteriores. El porcentaje acumulado de agregado que pasa se obtiene restando el porcentaje retenido del 100%.
%Aprobado acumulado = 100% - %Retenido acumulado.
Luego, los valores se representan en un gráfico con el porcentaje acumulado de paso en el eje y y el tamaño de tamiz logarítmico en el eje x. [6]
Hay dos versiones de las ecuaciones de %Passing. La fórmula de potencia .45 se presenta en un gráfico de gradación de potencia .45, mientras que el %Passing más simple se presenta en un gráfico de gradación semilogarítmica. La versión del gráfico de porcentaje de aprobación se muestra en un gráfico de potencia .45 y utilizando la fórmula de aprobación .45.
% de aprobación = P i = x100%
Dónde:
Tamiz más grande : tamiz de mayor diámetro utilizado en (mm). Tamaño máximo
del agregado : pieza más grande de agregado en la muestra en (mm).
%Pasando = 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 todos los agregados en la muestra.
Existen diferentes métodos para realizar análisis de tamices, dependiendo del material a medir.
En este caso, la muestra se ve afectada por un movimiento de proyección. Al movimiento de proyección vertical se le suma un ligero movimiento circular, que hace que la muestra se distribuya por toda la superficie de tamizado. Las partículas se aceleran en dirección vertical (son proyectadas hacia arriba). En el aire, realizan rotaciones libres y, al caer, interactúan con las aberturas de la malla del tamiz. Si las partículas son más pequeñas que las aberturas, atraviesan el tamiz. Si son más grandes, son proyectadas. El movimiento giratorio en suspensión aumenta la probabilidad de que las partículas presenten una orientación diferente a la malla cuando vuelvan a caer y, por lo tanto, puedan atravesarla. Los agitadores de tamices modernos funcionan con un accionamiento electromagnético que mueve un sistema de masa-resorte y transmite la oscilación resultante a la pila de tamices. La amplitud y el tiempo de tamizado se ajustan digitalmente y se observan 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 de laboratorio. [7]
En las tamizadoras horizontales, 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 significa que solo unas pocas partículas desorientadas entran en la malla y el tamiz no se bloquea tan rápidamente. La gran superficie de tamizado permite tamizar grandes cantidades de muestra, por ejemplo, las que se encuentran en el análisis del tamaño de partículas de materiales de construcción y agregados.
Un movimiento circular horizontal se superpone a un movimiento vertical creado por un impulso de golpeteo. Estos procesos de movimiento son característicos del tamizado manual y producen un mayor grado de tamizado para partículas más densas (por ejemplo, abrasivos) que los tamizadores de acción de lanzamiento.
La mayoría de los análisis de tamizado se realizan en seco, pero hay algunas aplicaciones que solo se pueden realizar mediante tamizado húmedo. Este es el caso cuando la muestra que se debe analizar es, por ejemplo, una suspensión que no se debe secar; 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 provocaría 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 agitador de tamices y la muestra se coloca en el tamiz superior. Sobre el tamiz superior se coloca una boquilla de pulverización de agua que apoya el proceso de tamizado adicionalmente al movimiento de tamizado. El enjuague se lleva a cabo hasta que el líquido que se descarga a través del receptor sea transparente. Los residuos de muestra en los tamices deben secarse y pesarse. Al realizar el tamizado húmedo es muy importante no alterar el volumen de la muestra (que no se hinche, se disuelva o reaccione con el líquido).
Las máquinas de tamizado por chorro de aire son ideales para polvos muy finos que tienden a aglomerarse y no se pueden separar mediante tamizado por vibración. La razón de 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. El aspirador genera un vacío dentro de la cámara de tamizado y aspira aire fresco a través de la boquilla ranurada. Al pasar por la estrecha ranura 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 se transportan a través de las aberturas de la malla hacia el aspirador.
Los tamices de malla de alambre tejido cumplen con los requisitos técnicos de la norma ISO 3310-1. [9] Estos tamices suelen tener una apertura nominal que varía de 20 micrómetros a 3,55 milímetros, con diámetros que varían de 100 a 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 varían de 200 a 450 milímetros.
Los tamices estándar estadounidenses, también conocidos como tamices ASTM, cumplen con la norma ASTM E11. [11] La apertura nominal de estos tamices varía de 20 micrómetros a 200 milímetros, sin embargo, estos tamices tienen solo tamaños de diámetro de 8 pulgadas (203 mm) y 12 pulgadas (305 mm).
En general, el análisis de tamices se ha utilizado durante décadas para controlar la calidad de los materiales en función del tamaño de las partículas. En el caso de materiales gruesos, con tamaños que van hasta la malla n.° 100 (150 μm), el análisis de tamices y la distribución del tamaño de las partículas son precisos y consistentes.
Sin embargo, para materiales con un tamaño inferior a 100 mesh, 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 de la superficie entre las partículas mismas y entre las partículas y el tamiz aumentan a medida que disminuye el tamaño de las partículas. El análisis por tamizado 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 por tamiz supone que todas las partículas serán redondas (esféricas) o casi redondas 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. En el caso de partículas alargadas y planas, un análisis por tamiz no arrojará resultados confiables basados en la masa, ya que el tamaño de partícula informado supondrá que las partículas son esféricas, cuando en realidad una partícula alargada podría pasar a través de la pantalla de lado, pero no podría hacerlo si se presentara de lado.
La gradación afecta muchas propiedades de un agregado, incluyendo la densidad aparente, la estabilidad física y la permeabilidad. Con una selección cuidadosa de la gradación, es posible lograr una alta densidad aparente, alta estabilidad física y baja permeabilidad. Esto es importante porque en el diseño de pavimentos, es importante una mezcla trabajable, estable y resistente 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 es baja. La gradación puede verse afectada para lograr las propiedades deseadas para la aplicación de ingeniería particular. [8]
La gradación suele especificarse para cada aplicación de ingeniería para la que se utiliza. Por ejemplo, las cimentaciones pueden requerir únicamente áridos gruesos y, por lo tanto, se necesita una gradación abierta. El análisis granulométrico 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 de un 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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