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Una revisión de los métodos modernos de clasificación de partículas
Artículo en ICE Proceedings Geotechnical Engineering - Agosto 2009
	
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2 autores, entre ellos:
Chandra Abbireddy
Grupo de Consultoría Geotécnica
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Particle form and its impact on packing & shear behaviour of particulate materials' Ver proyecto
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 (
Una revisión de los métodos modernos de clasificación de partículas
) (
Actas de la Institución de Ingenieros Civiles
Ingeniería geotécnica 162
Agosto 2009 Número GE4 Páginas 193-201
doi: 
10.1680/geng.2009.162.4.193
Documento 800048 
Recibido el 22/08/2008 Aceptado el 09/03/2009
Chandra O. R. Abbireddy 
Ingeniero geotécnico, Geotechnical Consulting Group Ltd, Londres, Reino Unido
Chris R. I. Clayton 
Profesor, Escuela de Ingeniería Civil y Medio Ambiente, Universidad de Southampton, Reino Unido
Palabras clave: 
geología/ingeniería geotécnica/investigación del terreno
)C. O. R. Abbireddy DCE, BTech ME, PhD y C. R. I. Clayton MSc, DIC, PhD, CEng, FICE, CGeol, FGS
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Abbireddy 
- 
Clayton
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Ingeniería geotécnica 162 Número GE4
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Una revisión de los métodos modernos de clasificación de partículas
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Abbireddy 
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Ingeniería geotécnica 162 Número GE4
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Una revisión de los métodos modernos de clasificación de partículas
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Los métodos utilizados habitualmente para la determinación de la distribución granulométrica de los suelos se introdujeron hace aproximadamente un siglo y han cambiado poco en el periodo transcurrido. En otros ámbitos, como la ingeniería química y de procesos y la sedimentología, se ha producido un desarrollo considerable de aparatos automatizados. Este artículo presenta una revisión crítica de los métodos disponibles para determinar la distribución del tamaño de las partículas. A continuación, los autores evalúan el potencial de sustitución de los métodos actuales por la nueva tecnología aplicando estos métodos a una serie de suelos sintéticos y naturales, y sacan conclusiones.
1. INTRODUCCIÓN
Los métodos actuales para determinar la distribución granulométrica del suelo están bien establecidos y varían poco de un país a otro. La fracción más gruesa se clasifica a mano, mientras que el análisis granulométrico se utiliza para los limos, las arenas y las gravas, y el análisis de sedimentación para los limos y las arcillas (véanse ejemplos en BS 13771 y ASTM D4222). Estas técnicas se utilizaron por primera vez a principios del siglo XX, según lo descrito en principio por Atterberg3 (véase Blackall,4 por ejemplo) y Wiegner5 (véase Gilboy6).
En los últimos 50 años se ha desarrollado un número considerable de nuevas técnicas de medición de partículas, basadas en aparatos a menudo complejos pero generalmente automatizados. En la actualidad se dispone de una gran variedad de aparatos que utilizan muchos principios de medición diferentes, por lo que se plantea la cuestión de si la ingeniería geotécnica debería considerar la posibilidad de cambiar sus procedimientos estándar para aprovechar estos desarrollos, que podrían ofrecer resultados más rápidos y repetibles a partir de ensayos automatizados realizados en un entorno más controlado. Por lo tanto, en este artículo se revisan los objetivos geotécnicos de la determinación de la distribución granulométrica, se describen los principios de funcionamiento de las técnicas automatizadas y estándar disponibles, se presentan los datos obtenidos mediante una serie de ensayos y se discuten los resultados obtenidos.
2. OBJETIVOS DEL ANÁLISIS DE LA DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS
Las casas de ensayos geotécnicos realizan con mucha frecuencia pruebas de distribución del tamaño de las partículas o PSD. Tradicionalmente se han llevado a cabo con varios fines, como por ejemplo
(a) clasificación del suelo
(b) pruebas de índice
(c) 
perfilado d ) cumplimiento.
En los laboratorios de ensayos de suelos, las distribuciones granulométricas se determinan generalmente entre (aproximadamente) el límite arcilla/limo (2 µm) y el límite grava/cobre (60 mm). Por ejemplo, la norma BS 13771 se utiliza para tamaños de partículas entre 2 µm y 150 mm, con un tamaño de tamiz más grueso de 75 mm.
La clasificación de suelos se lleva a cabo de forma generalizada para agrupar los suelos con otros materiales de características técnicas similares, y en este contexto el análisis de PSD se lleva a cabo junto con las pruebas de plasticidad y la descripción visual del suelo. Las pruebas de índice utilizan los resultados de pruebas sencillas para dar una orientación preliminar sobre las propiedades de ingeniería y su variación dentro del perfil del suelo: en este contexto, el análisis de PSD puede, por ejemplo, dar alguna orientación (aunque imprecisa) sobre la permeabilidad (Hazen7).
El perfilado se lleva a cabo para delinear los límites entre las diferentes capas del suelo. Las pruebas de conformidad se utilizan durante la selección y utilización de materiales granulares (por ejemplo, sub-base y filtros) para la construcción.
Dado que los resultados de este tipo de pruebas pueden provocar el rechazo de los materiales de construcción y los consiguientes conflictos contractuales, los requisitos de las pruebas de conformidad son probablemente los más estrictos en comparación con otros tipos de pruebas.
Podría decirse que la clasificación del suelo sólo tiene que llevarse a cabo de manera que la experiencia pueda trasladarse de un proyecto a otro, y que las pruebas de índice tienen que producir resultados compatibles con los datos que ya se han recogido. Los métodos de distribución granulométrica utilizados para la elaboración de perfiles deben incluir la mayor parte posible de la gama granulométrica in situ y ser repetibles, de modo que sus resultados sean coherentes en todos los pozos de exploración de un proyecto determinado.
3. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS PRUEBAS DE PSD Existe una falta de definición del significado exacto de "tamaño de partícula". Las partículas de suelo y roca son tridimensionales y de forma irregular. El tamaño de una partícula no se puede determinar de forma única.
expresado por un único parámetro, a menos que la partícula sea una esfera o un cubo. Dado que el tamaño de las partículas desempeña un papel importante en el control de calidad en muchas industrias (por ejemplo, adhesivos, productos químicos, biotecnología, cerámica, alimentos, productos farmacéuticos), se han desarrollado muchas formas diferentes de expresar y medir el tamaño de las partículas, en función de las necesidades. En la figura 1 se ilustran algunas definiciones.
 (
Plano 
YZ
) (
El diámetro de Stokes
Diámetro 
equivalente a la 
superficie
XY
avión
)
 (
Figura 1. Diversas definiciones del tamaño de las partículas
Tamaño del tamiz, 
I
Área proyectada 
diámetro 
circular 
equivalente 
(ECD)
Perímetro ECD
Dimensiones 
mayores (
L
) e intermedias (
I)
Diámetro 
equivalente 
en volumen
Esfera 
circunscrita mínima
, 
L
)Entre las técnicas automatizadas de medición de la DSP que se han desarrollado se encuentran
(a) tamizado
(b) sedimentación
(c) zona de detección eléctrica (ESZ) (d ) difracción láser (LD)
(e) Dimensionamiento óptico de partículas individuales (SPOS) ( f ) técnicas tradicionales de microscopía
g) métodos de análisis de imágenes automatizados.
Cada una de ellas se basa en un principio de medición diferente (y/o en una definición de tamaño), y sóloes aplicable a una gama específica de tamaños de partículas, como se resume en la Tabla 1. Los principios en los que se basa cada una de las técnicas mencionadas se analizan brevemente en los párrafos siguientes. En general, las técnicas disponibles sólo darán los mismos resultados para las partículas esféricas.
El tamizado "húmedo "1,2 es el método más común de análisis de PSD utilizado por los laboratorios geotécnicos. El tamizado en húmedo implica
Eliminación preliminar de los finos mediante el lavado en un tamiz fino, seguido del tamizado en seco de la fracción gruesa residual. En el tamizado, el tamaño de las partículas se define efectivamente como la longitud del lado de una abertura cuadrada a través de la cual una partícula puede pasar. 8 El material más grueso (arena y algunas gravas) se clasifica mediante tamices, mientras que el material más fino (limo y arcilla) se clasifica mediante una prueba de sedimentación. La norma BS 13771 utiliza tamices con aberturas de 63 µm a 75 mm, aunque se pueden conseguir tamices de hasta 20 µm y 125 mm.
Los métodos de sedimentación definen el tamaño de las partículas como el del diámetro de una esfera equivalente que se asienta con la misma velocidad y en el mismo líquido. En las pruebas de suelos se prefiere el método de la pipeta en la norma BS 1377,1 pero en gran parte del mundo se utiliza la prueba del hidrómetro, como en la norma ASTM D422.2 La sedimentación automatizada puede llevarse a cabo en equipos de sedimentación gravitacional por rayos X, como el SediGraph de Micromeritics, desarrollado en la década de 1960.
Como se ha indicado anteriormente, el diámetro de las partículas se estima basándose en la ley de Stokes, que supone que la forma de las partículas es esférica y el flujo
 (
Circunscripción mínima
círculo, 
L
Máximo inscrito
círculo, 
yo
) (
Esfera inscrita máxima
- dimensión menor (
S
)
) (
Plano 
XZ
)
	Técnica de medición
	Definición del tamaño de las partículas
	Rango de tamaño aplicable:
µm
	
Cribado
	
Lado de la abertura de un tamiz cuadrado
	
63 –75 000
	Sedimentación
	El diámetro de Stokes
	2 –63
	Zona de detección eléctrica (ESZ)*
	Diámetro esférico del mismo volumen desplazado
	0.4 –1200
	Difracción láser (LD)
	Diámetro esférico equivalente a la dispersión Mie observada
	0.1 –2000
	Dimensionamiento óptico de partículas individuales (SPOS)
	Diámetro circular equivalente a la superficie proyectada
	1 –5000
	Imágenes
	Longitud mínima de la imagen proyectada de las partículas
	0.5 –100 000
	*Contador de la cisterna.
	
	
	Tabla 1. Rangos de tamaño para las distintas técnicas de clasificación de partículas
 (
Flujo
) (
L
I
) (
L
) (
"
S 
y 
"
L 
"
S 
y 
"
L
)ser laminar. Sin embargo, en general las partículas finas para las que se utilizan los métodos de sedimentación no son esféricas, sino platinas. Si las partículas son planas, la velocidad de sedimentación disminuye drásticamente debido a la mayor resistencia al arrastre, y además las partículas no caen verticalmente, sino que se desplazan de lado a lado durante su caída. Por lo tanto, el método de sedimentación subestima el tamaño de las partículas platinas,9,10 si se considera la longitud como el tamaño de la partícula. Este efecto aumenta con el aumento de la platicidad de las partículas.
Algunos fabricantes de instrumentos automatizados sugieren que el método de sedimentación puede utilizarse para medir tamaños de partículas del orden de 0,1-300 µm. Sin embargo, el método de sedimentación se basa en la aplicación de la ley de Stokes. Dado que la ley de Stokes
Si se supone un flujo laminar, los resultados no pueden interpretarse correctamente si el número de Reynolds es inferior a 0,2 aproximadamente. Para las esferas de cuarzo (Gs ¼ 2,65) que caen en el agua a 208C, el diámetro superior crítico
es de unos 60 µm. El límite inferior de tamaño puede determinarse considerando la importancia relativa del movimiento browniano y la sedimentación gravitacional. 8 Este límite se produce teóricamente en torno a 1 µm, aunque las corrientes de convección aumentan aún más el límite, quizás hasta 2 µm o más. Por lo tanto, el uso de cualquier técnica basada en la sedimentación para determinar el tamaño de las partículas por debajo de 2 µm o por encima de 60 µm es cuestionable.
El análisis de PSD por sedimentación requiere1,2 un tratamiento previo con peróxido de hidrógeno para eliminar cualquier materia orgánica (que tendería a flotar si estuviera presente), y un lavado para eliminar cualquier sal soluble, seguido de la dispersión. La norma BS 13771 recomienda la dispersión con hexametafosfato de sodio (Calgon) para separar las partículas individuales. Los métodos de agitación sugeridos difieren entre las normas, siendo la ASTM D4222 la que recomienda un agitador mecánico de alta velocidad o la dispersión por aire, y señala que "los resultados de los dos tipos de dispositivos difieren en magnitud, dependiendo del tipo de suelo, dando lugar a marcadas diferencias en la distribución del tamaño de las partículas, especialmente para tamaños más finos que
20 micras". Es evidente que los procesos de dispersión pueden tener un impacto significativo en la PSD medida por sedimentación.
El método ESZ11 , utilizado por el Multisizer 3 de Beckman Coulter, define el tamaño de las partículas como el diámetro equivalente en volumen de una partícula esférica no conductora de electricidad. En este método, las partículas se hacen fluir en una solución electrolítica a través de un orificio, que separa los dos electrodos, entre los que se aplica una corriente eléctrica. A medida que las partículas pasan por el orificio, desplazan su propio volumen de solución electrolítica, y la reducción de la resistencia eléctrica produce pulsos de tensión. La altura de ese pulso de tensión es directamente proporcional
al volumen de la partícula que lo produce. Este método es aplicable para un rango de tamaño de 0,4-1200 µm.
El método LD12 , utilizado en el sistema Malvern Mastersizer, se basa en la dispersión Mie de las partículas en una suspensión diluida. Proporciona un diámetro equivalente de una esfera basado en el patrón de difracción medido. Funciona según el principio de que las partículas de un tamaño determinado difractan la luz con un ángulo que aumenta con la disminución del tamaño de las partículas. Supone que la forma de las partículas es esférica. Debido al mayor número de partículas por unidad de volumen,13 esto conduce a una sobreestimación de la concentración de volumen de las partículas si éstas son en realidad esféricas; sin embargo, los cálculos de tamaño no se ven muy afectados, ya que el patrón de difracción no está muy influenciado por el tercer
dimensión de una partícula. Los resultados del tamaño de las partículas están sesgados por la orientación aleatoria de las partículas en el espacio tridimensional (ya que es más probable que el flujo sea turbulento durante el proceso de medición; véase la figura 2d), y las propiedades ópticas supuestas (índice de refracción y coeficiente de absorción) del material. Este método
es aplicable para partículas de tamaño entre 0,1 y 2000 µm.
El método de dimensionamiento óptico de partículas individuales (SPOS)14 proporciona el diámetro equivalente al área proyectada de una partícula circular como tamaño, pero utiliza un principio diferente al de la difracción láser (LD). Al igual que en el LD, las partículas se hacen fluir a través de la trayectoria de un rayo láser, pero en condiciones de flujo laminar. El paso de las partículas a través del rayo láser provoca cambios en la tensión de salida de un sensor de luz que son proporcionales a su área proyectada en ese instante. Dado que el flujo es laminar durante las mediciones, las partículas alinean su mayor dimensión perpendicularmente a la dirección del rayo láser. En este método los resultados se ven afectados por la orientación aleatoria de las partículas (a lo largo del eje mayor de su revolución, es decir, en dos y no en tres dimensiones; véase la figura 2c), pero el efecto no es significativoen comparación con la difracción láser. Otra ventaja de SPOS es que es aplicable a una gama más amplia de tamaños de partículas (es decir, 1-5000 µm) que LD.
 (
S 
= 
dimensión más corta
(a)
I 
= 
dimensión intermedia
)Las técnicas tradicionales de microscopía permiten examinar directamente el tamaño y la forma de las partículas individuales, pero en la actualidad sólo pueden utilizarse para complementar los resultados
 (
Figura 2. Efectos de la orientación de la partícula en la dimensión medida: (a) partícula tipo elipsoide escaleno en vista 3D. Posibles orientaciones de las partículas en: (b) imagen estática, orientación mecánicamente estable; (c) SPOS, condiciones de flujo laminar, partículas alineadas con la dirección del flujo; (d) difracción láser, condiciones de flujo turbulento, partículas en orientaciones aleatorias
LI 
" 
DLD 
" 
IS
(d)
Flujo
LI 
" 
DSPOS 
" 
LS
(c)
"
S" 
y "
I
(b)
L 
= 
dimensión más larga
)
obtenidos con otros métodos de clasificación de partículas (por ejemplo, tamizado, sedimentación, difracción láser), ya que sólo pueden examinarse pequeñas cantidades de muestra. Esto ocurre por la limitación en el número de partículas gruesas que pueden verse en un solo campo de visión, y por la incapacidad de preparar la muestra sin solapamientos en el caso de las partículas finas.
Los métodos de análisis automatizado de imágenes son de dos tipos: estáticos15 y dinámicos. 16 En el análisis de imágenes estático, las imágenes de partículas fijas se capturan dispersándolas en una plataforma móvil xy y minimizando los solapamientos. Cuando (como es normal) las partículas se dispersan en una platina horizontal, se asientan en su estado más estable desde el punto de vista mecánico (véase la figura 2b), y presentan su mayor área de proyección a la cámara. Este método no puede aplicarse con éxito en el caso de partículas cohesivas finas, ya que la preparación de la muestra se convierte en una tarea extremadamente difícil.
Sin embargo, este problema puede superarse utilizando métodos de análisis de imágenes dinámicas, dispersando mecanismo patentado "sheath flow "17). En los sistemas de imágenes dinámicas, las imágenes deben capturarse a alta frecuencia mientras las partículas están en movimiento.
La PSD puede determinarse analizando las imágenes de un número estadísticamente representativo de partículas para el parámetro de tamaño requerido. Con los avances en el análisis de imágenes y la potencia de cálculo, muchos de estos sistemas automatizados están ahora disponibles en el mercado (por ejemplo, Morphologi G2, FPIA-3000, Camsizer). Las técnicas disponibles y los rangos de tamaño aplicables se resumen en la Tabla 1.
En el caso de los métodos de determinación del tamaño de las partículas descritos anteriormente, la distribución del tamaño de las partículas está sesgada por la orientación aleatoria de las partículas durante las mediciones en todos los métodos, excepto los basados en imágenes (es decir, la microscopía y el análisis automatizado de imágenes). Esto significa, por ejemplo, que si se determinara la PSD de partículas anisótropas uniformes (de tipo elipsoide escaleno) mediante cualquiera de estas técnicas, se obtendrían tamaños que van desde la dimensión menor (S) hasta la mayor (L), ya que la orientación de las partículas es aleatoria (o incontrolada) durante las mediciones, como se ilustra en la figura 2. Por lo tanto, en principio, se puede concluir que sólo los métodos de análisis de imágenes automatizados pueden producir distribuciones de tamaño de partículas físicamente significativas en el caso de partículas anisotrópicas, y sólo cuando las partículas están bien dispersas.
4. MÉTODOS UTILIZADOS EN ESTE ESTUDIO
En el estudio descrito en este documento se han utilizado seis métodos de clasificación de partículas, a saber
(a) Para las partículas gruesas (retenidas entre los tamices de prueba de 0,6 y 1,18 mm)
(i) análisis granulométrico según la norma BS 13771
(ii) Dimensionamiento óptico de partículas individuales (SPOS), utilizando el Accusizer 780, que funciona según el principio de oscurecimiento de la luz láser en flujo laminar
(iii) difracción láser (LD), basada en la dispersión Mie, utilizando el Malvern Mastersizer 2000. En el caso de las partículas de 1 mm (tamaño del tamiz), se comprobó que sólo podía analizarse el material aproximadamente esférico
(iv) Análisis estático de imágenes (Automated Particle Analysis System: un sistema no comercial, en desarrollo,
que utiliza el análisis de imágenes de partículas esparcidas sobre una superficie horizontal18).
(b) Para partículas finas (pasadas por un tamiz de prueba de 63 µm)
(i) sedimentación con la pipeta Andreasen, según la norma BS 13771
(ii) Sedimentación por rayos X con el Sedigraph 5100 de Micromeritics
(iii) pruebas de zona de electrodetección (ESZ), utilizando un Multisizer 3 de Beckman Coulter, que funciona según el principio de desplazamiento de volumen del electrolito en flujo turbulento
(iv) difracción láser (LD), de nuevo utilizando el Malvern Mastersizer 2000
(v) El tamaño óptico de las partículas individuales (SPOS) utilizando el Accusizer 780.
Los métodos utilizados se dividen en tres categorías: aquellos (como el tamizado y la sedimentación) en los que se determina la masa para cada rango de tamaño; aquellos (como el LD, el SPOS y la imagen) en los que se determina el número de partículas en cada rango de tamaño; y los restantes (como el ESZ), en los que se determina tanto la masa como el número de partículas para cada rango de tamaño. Éstas sólo son equivalentes cuando la forma permanece constante para los diferentes rangos de tamaño de las partículas. Este no es el caso típico de los suelos, en los que las partículas finas tienden a ser plateadas, mientras que las gruesas son más voluminosas.
5. DATOS OBTENIDOS CON DIFERENTES MÉTODOS DE PRUEBA
La estrategia para las pruebas consistió en seleccionar una serie de muestras uniformes para las pruebas que cubrieran los rangos de PSD determinables por los distintos aparatos, y que al mismo tiempo tuvieran una gama de formas de partículas. La figura 3 muestra los rangos de determinación del tamaño de las partículas que se reclaman para los distintos métodos. Está claro que ningún método por sí solo puede cubrir la gama de tamaños de partículas del suelo que se encuentran habitualmente, aunque la imagen dinámica o la SPOS, combinada con la imagen estática de la fracción gruesa, puede acercarse.
Se seleccionaron dos grandes grupos de materiales para las pruebas, y dentro de cada grupo se probaron varias muestras con formas diferentes. En la siguiente lista, la forma de las partículas pasa, para cada muestra, de esférica a plateada.
(a) Partículas gruesas (retenidas entre los tamices de prueba de 0,6 y 1,18 mm)
(i) balotino de vidrio grueso (nominal 0,75-1,0 mm)
(ii) Leighton Buzzard fracción de arena B
(iii) "pepitas de vidrio" (partículas de vidrio trituradas, nominalmente 0,8-
1,18 mm)
(iv) "brillo de vidrio" (láminas de vidrio rotas, de 0,6 a 0,9 mm nominales)
(b) Partículas finas (pasadas por el tamiz de prueba de 63 µm)
(i) balotino de vidrio fino (nominal 0-50 µm)
(ii) residuos clasificados como "oro
(iii) caolín
(iv) mica.
Los datos obtenidos de la gama de materiales ensayados en este estudio mostraron (Figura 3) que, para la mayoría de las muestras y propósitos, el tamaño de paso 50 (D50) podía determinarse con una repetibilidad razonable a partir de cualquier método de ensayo.
Imágenes de microscopio electrónico de barrido (SEM) de las cuatro
 (
Figura 3. Rangos de tamaño de partícula determinables utilizando diferentes técnicas, y 
tamaños de partícula 
D50 
determinados para varias muestras probadas como parte de este estudio
)
 (
0-01 
µ0-1 
µ1 
µ10 
µ100 
µ100 
mm
Tamaño de las partículas
LDGlass 
nuggets
Purpurina de vidrio
SPOS
Imágenes
Leighton Buzzard B
ESZ
Ballotini de vidrio grueso
Sedigraph
Mica
Caolín
Pipeta
Colas de oro clasificadas
Cribado
Balotín de cristal fino
)Los materiales se muestran en la Figura 4, y susdistribuciones de tamaño de partícula, determinadas por tamizado, LD, SPOS, y la imagen estática se comparan en la Figura 5. El análisis por tamizado, el LD y el SPOS producen resultados sólo en términos de un tamaño de partícula equivalente,
mientras que las imágenes estáticas pueden interpretarse en términos de un área proyectada de diámetro circular equivalente (ECD), dimensiones mayor (L) e intermedia (I) (Figuras 1 y 2), siendo la dimensión menor la que no se ve porque las partículas se encuentran planas en el
 (
Figura 4. Imágenes de microscopio electrónico de barrido de materiales gruesos: (a) ballotina de vidrio; 
19 
(b) Leighton Buzzard B; 
19 
(c) pepitas de vidrio;
(d) brillo de vidrio
(d)
(c)
(b)
(a)
)
 (
Figura 5. Distribuciones granulométricas determinadas para las muestras gruesas: (a) vidrio ballotini; (b) Leighton Buzzard B; (c) pepitas de vidrio; (d) brillo de vidrio
10
1
Tamaño de las partículas: mm
(d)
0
0·1
50
100
(c)
0
50
100
(b)
0
50
100
(a)
0
50
100
Cribado
 
 LD
 
 SPOS
Imagen
, 
I 
Imagen, ECD Imagen, 
L
Cribado
LD SPOS
Imagen
, 
I 
Imagen, ECD Imagen, 
L
Cribado
LD SPOS
 
 Imagen, 
I
Imagen
, 
ECD 
Imagen, 
L
Cribado
LD SPOS
Imagen
, 
I 
Imagen, ECD Imagen, 
L
) (
Porcentaje más fino que
) (
Porcentaje más fino que
) (
Porcentaje más fino que
)En el caso de las muestras más finas, resulta preocupante el hecho de que los resultados del caolín varíen en más de un orden de magnitud dependiendo de la técnica utilizada. El método de la pipeta Andreasen no determinó el tamaño D50 del caolín, ya que la prueba estándar1 está configurada únicamente para determinar las fracciones de limo y arcilla de los materiales, porque estos son los parámetros que se requieren con más frecuencia en geotecnia. La variación en el contenido de arcilla determinado para el caolín (Figura 7d) al utilizar diferentes técnicas debe ser motivo de preocupación. SPOS, ESZ y LD dieron valores bajos (entre 4 y 26 ), mientras que los métodos de sedimentación (pipeta Andreasen y Sedigraph), como era de esperar, dieron resultados comparables pero mucho más altos (75 y 78 respectivamente), presumiblemente debido a la falta de corrección de la forma de las partículas durante la sedimentación. 10,20,21 El bajo valor del contenido de arcilla (4 ) medido con SPOS puede estar relacionado con el límite de tamaño más bajo citado para la técnica (1 µm; véase la figura 3), aunque el resto de la PSD de SPOS también sugirió un material más grueso. Esto sugiere quizás una dispersión ineficaz.
 (
Porcentaje más fino que
)La imagen SEM mostrada en la Figura 6 sugiere que la relación entre la dimensión mayor y la menor del caolín era menor que la de la mica, pero es posible que esto no haya ocurrido realmente durante las pruebas, ya que la imagen SEM del caolín se realizó antes de que tuviera lugar la dispersión. Esto y los efectos del movimiento browniano son presumiblemente las razones por las que la variación de los valores de D50 determinados para la mica es menos dispersa que para el caolín (Figura 7c).
Basándose en la descripción dada en la sección 2 (y en la figura 2), cabría esperar que el método LD midiera tamaños de partícula más pequeños que el SPOS para las partículas anisótropas, manteniéndose constantes todos los demás factores. Las curvas de PSD de los materiales mostrados en las figuras 5 y 7 no siguen del todo esta tendencia, lo que podría deberse a una o varias de las siguientes razones
superficie horizontal sobre la que se extienden. El análisis de los tamices mostró que los materiales tienen tamaños de partículas muy similares, es decir, de 0,6 a 1,18 mm.
En el caso del material más esférico, es decir, la ballotina de vidrio de 1 mm, hubo una buena concordancia entre los resultados obtenidos con los distintos métodos, aunque el LD y el SPOS mostraron un mayor contenido de finos, tal vez debido a las mediciones realizadas en partes de partículas situadas en el extremo más grande de la capacidad de los métodos (Figura 3). La forma de las partículas influye claramente en los resultados de los distintos métodos de ensayo, ya que el tamaño medio de las partículas y la dispersión de los resultados aumentan notablemente con la platicidad. Para el brillo, el rango de D50 en
La figura 5 abarca desde unos 0,6 mm hasta 1,9 mm, y el rango
del tamaño de las partículas medido por el SPOS aumentó significativamente en comparación con los resultados del análisis por tamiz.
La figura 6 muestra imágenes de SEM de los cuatro materiales finos, cuyas clasificaciones se comparan en la figura 7. A pesar de los diferentes principios de funcionamiento, existe una buena concordancia entre las distribuciones granulométricas medidas en la muestra de vidrio ballotini por las cinco técnicas diferentes. Sin embargo, esto no ocurre con los materiales menos esféricos. Para los cuatro materiales se observó una buena concordancia entre los resultados del Sedigraph y de la pipeta Andreasen, como era de esperar dado su método común de medición.
(a) 
diferencias en la preparación de la muestra y en los métodos de muestreo
(b) incertidumbre en las propiedades ópticas de entrada (índice de refracción y coeficiente de absorción) de los materiales en el método LD
(c) diferencias en las velocidades de la bomba y del agitador, y la limpieza del sensor SPOS y de las ventanas de la célula del Malvern Mastersizer durante las mediciones.
6. DISCUSIÓN
Las pruebas realizadas en una serie de materiales han demostrado que, dada la variedad de tamaños que suelen encontrarse en las muestras de suelo, es probable que se necesiten pruebas de PSD diferentes para las fracciones finas y gruesas. Es posible que en el futuro la imagen estática sea capaz de ofrecer resultados útiles en la gama de tamaños requerida. En la actualidad, nuestra experiencia sugiere que no es práctica para la clasificación de materiales gruesos y que es difícil de utilizar en el extremo fino de la escala (2 µm).
No se puede esperar que los diversos métodos de análisis granulométrico que se han desarrollado, con limitadas excepciones, den resultados idénticos cuando se aplican a diferentes suelos, por las siguientes razones.
(a) Las partículas del suelo no son esféricas ni tienen una forma fija, por lo que un único tamaño no puede caracterizarlas completamente.
(b) Los métodos para determinar la proporción de diferentes tamaños de partículas dentro de una muestra (por peso o como resultado de un recuento de partículas) varían entre los métodos de prueba.
 (
Figura 6. Imágenes del microscopio electrónico de barrido de materiales finos: (a) ballotina de vidrio; (b) residuos de oro clasificados; (c) mica; (d) caolín
(d)
(c)
(b)
(a)
)
(c) Las condiciones en las que se determina el tamaño varían. Algunos métodos observan las partículas colocadas en una superficie horizontal, mientras que otros realizan mediciones de partículas dentro de un flujo de fluido laminar, o en un flujo turbulento. La distribución de los tamaños registrados depende de estas condiciones.
(d) ) El impacto (en términos de desviación de la medición con respecto a algún "valor verdadero") del principio de medición (imagen, oscurecimiento, dispersión de Mie, tamizado, sedimentación, detección de zonas eléctricas, etc.) variará en función de la forma de las partículas.
Los resultados de las diferentes fracciones (más finas y más gruesas) del suelo obtenidos mediante diferentes grupos de técnicas (por ejemplo, tamizado y sedimentación) no pueden compararse directamente a menos que la forma de las partículas sea uniforme o se tenga en cuenta. Esto es importante en el análisis de suelos, porque la fracción fina de un suelo es normalmente plácida, mientras que la fracción gruesa es voluminosa. Con la excepción de los métodos basados en imágenes, los métodos de clasificación de partículas no proporcionan información sobre la forma de las mismas. Como se ha señalado anteriormente, las imágenes no proporcionan ninguna guía sobre la dimensión más pequeña de la partícula.
El coste y la complejidad de los aparatosdisponibles para la clasificación de partículas varían enormemente. La tabla 2 sugiere que el coste de capital de los actuales aparatos de tamizado y sedimentación utilizados en los ensayos geotécnicos es bajo en comparación con los aparatos utilizados por otras industrias, al igual que el coste unitario de los ensayos. Para la mayoría de
Los propósitos de la ingeniería geotécnica no requieren una precisión absoluta en la medición de la PSD y, de hecho, la continuidad en los métodos de determinación del tamaño de las partículas tiene el mérito de permitir la transferencia de la experiencia obtenida durante los proyectos de construcción a lo largo de las décadas.
Sin embargo, cuando las pruebas se requieren con fines de conformidad (por ejemplo, para la aceptación de los materiales de la sub-base durante la construcción del pavimento), puede ser que se necesiten métodos más absolutos (que incluyan tanto la forma como el tamaño). Las imágenes estáticas pueden ser más adecuadas para las pruebas de conformidad de los materiales de la subbase, por ejemplo. No cabe duda de que se necesitan mejores métodos de caracterización de las partículas para la investigación, como se desprende de las recientes publicaciones sobre este aspecto de la mecánica del suelo. 14,22-24 La mayoría de los métodos actuales de ensayo de PSD no dan ninguna información sobre la forma de las partículas, a pesar de verse significativamente afectadas por ella.
7. CONCLUSIONES
Dado el modesto coste, la amplia disponibilidad y el extenso uso previo del cribado y la sedimentación para proporcionar datos de PSD, se sugiere que estos métodos sigan siendo los estándares para las pruebas geotécnicas de rutina. Sin embargo, los profesionales deben reconocer el carácter arbitrario de los resultados obtenidos con estas técnicas. El tamaño medido al tamizar las partículas plásticas se aproxima a su dimensión intermedia, mientras que el tamaño medido por sedimentación es mucho más fino que
	Técnica de medición
	Precio aproximado por muestra: €.
	Coste del equipo: €.
	
Cribado
	
20
	,2000
	Sedimentación con pipeta Andreasen
	35
	,1600
	Sedigraph (Micrometrics SediGraph-5100)
	100
	, 20 000
	ESZ (Beckman Coulter Multisizer 3)
	100
	,30 000
	LD (Mastersizer 2000)
	100
	,35 000–40 000
	SPOS (Accusizer 780)
	100
	,40 000
	Imagen (Morphologi G2)
	300
	,50 000
	Tabla 2. Costes aproximados asociados a los distintos métodos de clasificación de partículas
 (
0
50
100
) (
Figura 7. Distribuciones del tamaño de las partículas determinadas para las muestras finas: (a) ballotina de vidrio; (b) relaves de oro clasificados;
(c) mica; (d) caolín
(c)
(b)
(a)
SPOS LD ESZ
Pipeta Sedigraph
SPOS LD ESZ
Pipeta Sedigraph
SPOS LD ESZ
Pipeta Sedigraph
) (
Porcentaje más fino que
)medición exhaustiva y coherente del tamaño y la forma de las partículas.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen la ayuda y el apoyo de muchos colegas, así como el trabajo realizado en su nombre por casas comerciales de pruebas.
(a) (
0
50
100
) (
Porcentaje más fino que
)Las pruebas SPOS de las partículas más gruesas se realizaron con la amable autorización del profesor Malcom Bolton, el Dr. David White y el Dr. I. Thusyanthan y con la ayuda del Sr. Andrew Deeks y el Sr. Philip Wallbridge, utilizando el aparato Accusizer 780 de la Universidad de Cambridge. Sin embargo, las pruebas de los materiales finos se llevaron a cabo bajo un contrato de pruebas comerciales por el Sr. Tony Wharton, Christison Particle Technologies Ltd.
(b) (
0
50
100
) (
Porcentaje más fino que
)Las pruebas de sedigrafía fueron realizadas por el Dr. Michael Frenz utilizando el aparato SediGraph 5100 de Micromeritics en el National Oceanography Centre Southampton (NOCS).
(c) Las pruebas de difracción láser se llevaron a cabo utilizando un Malvern Mastersizer 2000 puesto a disposición por el NOCS con la ayuda de la Dra. Veerle Huvenne y el Dr. Michael Frenz.
(d) (
1000·0
100·0
1·0
10·0
Tamaño de las partículas: 
µm 
(d)
0
0·1
50
100
SPOS LD
 
 ESZ
Pipeta Sedigraph
) (
Porcentaje más fino que
)) Las imágenes estáticas de las partículas más gruesas se obtuvieron utilizando el Sistema de Análisis de Partículas Automatizado puesto a disposición por el NOCS con la ayuda del Dr. Ralf Schiebel.
(e) Las pruebas de la zona de detección eléctrica se llevaron a cabo utilizando el Multisizer 3 de Beckman Coulter en virtud de un contrato de pruebas comerciales de Robert Bunker, Beckman Coulter, Reino Unido.
) Las pruebas de cribado y de pipeta se llevaron a cabo en el laboratorio de mecánica de suelos de la Universidad de Southampton.
existe en la realidad, porque las partículas finas del suelo suelen ser platinas, y esto no puede tenerse en cuenta (porque se desconoce la verdadera forma) al interpretar los resultados de la sedimentación.
Para las pruebas de conformidad y para la investigación fundamental es necesario desarrollar medidas más objetivas del tamaño de las partículas.
Sin embargo, dada la forma irregular de las partículas de suelo y roca, esto debería hacerse en asociación con las mediciones de la rugosidad, la angulosidad y la forma de la superficie. Los resultados del programa de pruebas descrito en este documento sugieren que la toma de imágenes y el análisis de las mismas pueden constituir una base prometedora para una mayor
REFERENCIAS
1. INSTITUCIÓN BRITÁNICA DE NORMALIZACIÓN. Métodos de ensayo para suelos con fines de ingeniería civil. Ensayos de clasificación. BSI, Milton Keynes, 1990, BS 1377: Parte 2.
2. SOCIEDAD AMERICANA DE ENSAYOS Y MATERIALES. Standard Test Method for Particle-Size Analysis of Soils. ASTM International, West Conshohocken, PA, 2002, ASTM D422- 63.
3. ATTERBERG A. La clasificación racional de arenas y gravas. Chemiker Zeitung, 1905, 29, 195-198.
4. BLACKALL T. E. A. M. Atterberg, 1846-1916. Ge'otechnique, 1952, 3, nº 1, 17-19.
5. WIEGNER G. Ueber eine neue methode der schlammanalyse.
Zentralblatt fur die gesamte Landwirtschaft, 1920, 1, nº 1.
6. GILBOY G. La compresibilidad de las mezclas de arena-mica.
Actas de la ASCE, 1928, 54, 555-568.
7. HAZEN A. Algunas propiedades físicas de la arena y la grava, con especial referencia a su uso en la filtración. En
Massachusetts State Board of Health, 24º informe anual, Boston, MA, 1892, pp. 539-556.
8. LAMBE T. W. Soil Testing for Engineers. Wiley, Nueva York, 1951.
9. KONERT M. y VANDENBERGHE J. Comparación del análisis granulométrico por láser con el análisis por pipeta y tamiz: una solución para la subestimación de la fracción de arcilla. Sedimentology, 1997, 44, No. 3, 523-535.
10. LU N., RISTOW G. H. y LIKOS W. J. La precisión del análisis hidrométrico para partículas de arcilla de grano fino. ASTM Geotechnical Testing Journal, 2000, 23, nº 4, 487-495.
11. INSTITUCIÓN BRITÁNICA DE NORMALIZACIÓN. Determinación de la distribución del tamaño de las partículas: Método de la zona de detección eléctrica. BSI, Milton Keynes, 1999, BS ISO 13319.
12. INSTITUCIÓN BRITÁNICA DE NORMALIZACIÓN. Análisis del tamaño de las partículas. Métodos de difracción láser: Principios generales. BSI, Milton Keynes, 1999, BS ISO 13320: Parte 1.
13. HAYTON S., NELSON N. S., RICKETTS B. D., COOKE S. y WEDD
M. W. Effect of mica on particle-size analysis using the laser diffraction technique. Journal of Sedimentary Research, 2001, 71, nº 3, 507-509.
14. BLANCO D. J. Medición de la PSD mediante el método de dimensionamiento óptico de partículas individuales (SPOS). Ge'otechnique, 2003, 53, No. 3, 317-326.
15. INSTITUCIÓN BRITÁNICA DE NORMALIZACIÓN. Análisis del tamaño de las partículas. Métodos de análisis de imágenes: Métodos de análisis de imágenes estáticas. BSI, Milton Keynes, 2004, BS ISO 13322: Parte 1.
16. INSTITUCIÓN BRITÁNICA DE NORMALIZACIÓN. Análisis del tamaño de las partículas. Métodos de análisis de imágenes: Métodos de análisis dinámico de imágenes. BSI, Milton Keynes, 2006, BS ISO 13322: Parte 2.
17. 
HOLL M. R., EDWARDS F., MORFF R. J. y KLEIN G. L. Sheath Flow Assembly. Patente estadounidense 6576194, junio de 2003.
18. BOLLMANN J.,QUINN P. S., VELA M., BRABEC B., BRECHNER S., CORTE'S M. Y., HILBRECHT H., SCHMIDT D. N., SCHIEBEL R. y THIERSTEIN H. R. Automated particle analysis: calcareous microfossils. En Image Analysis, Sediments and Paleoenvironments (FRANCUS P. (ed.)). Kluwer Academic, Dordrecht, 2004, pp. 229-252.
19. XU M. The Behaviour of Soil Behind Full-height Integral Abutments. Tesis doctoral, Universidad de Southampton, 2005.
20. WEN B., AYDIN A. y DUZGOREN-AYDIN N. S. A comparative study of sand particle size analyses by sieve-hydrometer and laser diffraction methods. ASTM Geotechnical Testing Journal, 2002, 25, No. 4, 1-9.
21. JIME'NEZ J. A. y MADSEN O. S. A simple formula to estimate settling velocity of natural sediments. Proceedings of the ASCE, Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, 2003, 129, No. 2, 70-78.
22. BOWMAN E. T., SOGA K. y DRUMMOND T. W. Forma de las partículas
caracterización mediante el análisis de descriptores de Fourier.
Ge'otechnique, 2001, 51, nº 6, 545-554.
23. CLAYTON C. R. I. y OBULA REDDY A. C. Influencia de la forma de las partículas en el empaquetamiento inicial y la dilatación de los materiales particulados: un estudio numérico. Proceedings of the International Symposium on Geomechanics and Geotechnics of Particulate Media, Yamaguchi, Japan, 2006, Paper No. 041.
24. CHO G. C., DODDS J. y SANTAMARINA J. C. Particle shape effects on packing density, stiffness and strength: natural and crushed sands. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 2006, 132, No. 5, 591-602.
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Ingeniería geotécnica 162 Número GE4
Una revisión de los métodos modernos de clasificación de partículas
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