Programa de normalización de estudios previos y control de calidad en las intervenciones: propiedades hídricas 2ª parte

ABSORCIÓN DE VAPOR DE AGUA: HIGROSCOPICIDAD El con enido de agua de una oca en condiciones de equilib io con el ai e ambien e se denomina hume- dad hig oscópica, y es á elacionada con la p esión pa cial de apo de agua del ai e que la odea. P ocedimien o de ensayo El ensayo se ealiza colocando las p obe as en un ambien e con empe a u a y humedad cons an es a lo la go del ensayo. Es o se puede consegui en una cáma a climá ica o en desecado es donde se colocan soluciones de dis in os compues os que p opo cio- nen humedades ela i as de inidas. La empe a u a se ija en 21± 1ºC y la humedad ela i a puede ija se en el alo que se desee, desde alo es bajos has a p óximos a la sa u ación. Se pa e de un mínimo de es mues as de amaño y o ma indicadas (Bole ín PH, nº 22). Al comienzo del ensayo se de e mina el peso seco de las mues as, y pos e io men e se si úan en las condiciones indicadas an e io men e; se de e mina el peso a in e alos de iempo egula es. El ensayo se p olonga has a que se alcancen alo es de equilib io, cuando la di e encia en- e dos pesadas sucesi as sea in e io a 0,1%. P opiedades híd icas 2ª pa e Es he On i e os O ega, Rosa io Villegas Sánchez IDEA C i e ios y Mé odos P og ama de no malización de es udios p e ios y con ol de calidad en las in e enciones: on inuando con el Subp og ama de No malización de Es udios P e ios y Con ol de Calidad en las In e enciones, aplicado a Bienes Inmuebles y siguiendo con la no malización de las écnicas y ensayos pa a la de e minación de las p opiedades híd icas y po o- me ías (Bole ín PH, nº 22), se ecogen en es e a ículo o as de e minaciones. C PH Bole ín23 41 Resul ados Los esul ados se pueden exp esa de dos o mas: a) E olución del con enido de agua a lo la go del iempo pa a una humedad ela i a de e minada Se calcula el con enido de agua hig oscópica W i ( ) así como la sa u ación S i ( ), de acue do con las siguien- es ó mulas: M i ( )–M o W i =–––––––––– x100 (1) M o M i ( )–M o S i ( )=––––––––– x100 (2) M s –M o Donde: M i es el peso de la p obe a en cada iempo M o peso seco M s peso sa u ado en agua El g ado de sa u ación oma alo es en e 0 y 100%, e indica el po cen aje de po os que es án llenos de agua. Se ep esen a el con enido de agua en unción del iempo y se ob iene una cu a de abso ción de agua o hig oscopicidad. Cada cu a debe lle a indicada la humedad ela i a a la que se ealiza el ensayo. b) Con enido de agua en unción de la humedad ela i a Se calcula el con enido de agua hig oscópica en equi- lib io pa a cada humedad ela i a W i , con la siguien e ó mula: M i (HR)–M o W i =––––––––––– x100 M o Donde: M i es el peso de la p obe a en equilib io con cada humedad ela i a M o peso seco Se ep esen a el con enido de agua en unción de la humedad ela i a del ensayo. PERMEABILIDAD AL VAPOR DE AGUA Se de ine pe meabilidad al apo de agua como la can idad de apo de agua que pasa po unidad de iempo a a és de un cue po de espeso de e mina- do en e dos supe icies pa alelas, bajo el e ec o de una di e encia de p esión pa cial de apo de agua en e ambas. P ocedimien o de Ensayo Es e ensayo pe mi e de e mina el coe icien e de con- duc i idad de apo de agua de un ma e ial po oso. El ensayo se lle a a cabo al menos con es mues as del mismo li o ipo con la o ma y amaño no maliza- do, se aconsejan mues as de amaño ci cula de 3 a 8 cm de diáme o con el in de e i a p oblemas de e apo ación la e al. Las mues as secas se si úan co- mo “ apón” de un aso de ma e ial impe meable (aluminio, PVC, e c), en cuyo in e io se encuen a agua desionizada embebida en ma e ial abso ben e (algodón o celulosa), si uada al menos a dos cen íme- os de dis ancia de las p obe as. Las dis in as mues- as deben ajus a se bien pa a consegui que el apo de agua sólo pase a a és del ma e ial pé eo. Es a unidad p obe a- aso se pesa y se in oduce en un de- secado amplio que man enga las condiciones cons- an es y cuya empe a u a sea de 20±2ºC; es desea- ble in oduci lo en una cáma a climá ica. Es a célula comple a se pesa a in e alos egula es de iempo has a que la di e encia en e pesadas sucesi as sepa a- das po iempos iguales sea cons an e. La pe meabilidad al apo de agua se calcula como: ∆ M Pe m=–––––– (g/cm 2 ·h) S· Donde: ∆ Mdi e encia de peso en e dos alo es consecu i os (g) Ssupe icie de la mues a (cm 2 ) iempo (h) Si el ensayo se ealiza a empe a u a dis in a de 20ºC, los da os se deben co egi según la siguien e ó mula: Pe m xºC ·P 20ºC Pe m 20ºC =–––––––––––– P xºC Siendo P la p esión de apo de agua pa a cada empe a u a; las p esiones pa ciales de apo pa a las empe a u as usuales en labo a o io apa ecen en la Tabla 1. DESORCIÓN LIBRE DE AGUA. EVAPORACIÓN La acción de deso ción de agua o e apo ación es más compleja que la de so ción de agua, pues o que es necesa io ompe la a acción en e las moléculas de agua y la supe icie del sólido. In luye la empe a- u a, la humedad ela i a y el mo imien o del ai e en la supe icie del sólido. Cuando un ma e ial sa u ado de agua se seca, la e a- po ación iene luga en dos e apas. En la p ime a la elocidad de secado es cons an e y al a dependiendo de las condiciones ambien ales ( empe a u a, hume- dad ela i a, elocidad del ien o, e c). Es a e apo a- ción iene luga en la supe icie del ma e ial, exis ien- do un mo imien o de agua líquida desde zonas in e nas a ex e nas a o ecido po el sis ema po oso. IDEA Tabla 1. P esión pa cial de apo de agua en unción de la empe a u a Tempe a u a (ºC) P esión Pa cial de Vapo de agua (mmHg) 18 15.477 19 16.477 20 17.535 21 18.650 22 19.827 23 21.068 24 22.377 25 23.756 26 25.209 27 26.739 Es e p oceso se man iene igual y la elocidad de e apo ación cons- an e mien as exis a con inuidad en la película de agua líquida. En es a p ime a e apa son los po os de mayo diáme o los que su en el p oceso de e apo ación has a que se alcanza el con enido c í ico de agua de la pied a que se p o- duce en un iempo de e minado desde el inicio del p oceso, deno- minado iempo c í ico de secado. A pa i de es e momen o se pie de la con inuidad del agua en es ado líquido, iniciándose la segunda e apa de e apo ación. En es a e apa la elocidad de secado es mucho más baja y el p oceso de e apo a- ción se ealiza en el in e io de la pied a. La segunda ase del secado a a depende no sólo de las condi- ciones ambien ales sino de la pe meabilidad al apo de agua del ma e ial. Cuan o mayo es la elocidad de secado más bajo se á el con enido c í ico del agua de la pied a. La e apo ación es más ápida en ma e iales que posean un coe icien e de pe meabilidad más al o. P ocedimien o de ensayo El ensayo debe ealiza se en un ecin o exen o de co ien es, con olándose la empe a u a a 20± 2ºC y la humedad a 50±5%. Pa a comenza , se sa u an las mues as de agua de o ma lib e (du an e al menos 2 días) o bien al a- cío. Al comienzo del ensayo las mues as se secan con un paño húmedo pa a elimina el agua en exce- so y se pesan. Pos e io men e se si úan sob e una ejilla de plás ico pa a que la e apo ación enga lu- ga po igual en oda la supe icie. A in e alos de iempo iguales se pesan las mues as. El ensayo se p olonga has a que se alcancen alo es de equilib io, cuando la di e encia en e dos pesadas sucesi as sea in e io a 0,1%. Resul ados Se calcula el con enido en agua de la mues a w i ( ) en unción del iempo. A pa i de es os alo es se ob ie- nen las cu as de e apo ación en unción del iempo (Figu a 1). Es con enien e indica la humedad ambien- e en la que se ha lle ado a cabo el ensayo. Se calcula la pendien e del amo lineal inicial de la cu a, que se ía la elocidad de e apo ación de agua, y se exp esa en g amos de agua/g amos de pied a- ho a. Asímismo se calcula el con enido c í ico, que es el con enido esidual de agua una ez alcanzado el equilib io; se exp esa en %. ABSORCIÓN DE GOTAS DE AGUA La elocidad de abso ción de go as de agua se de ine como el iempo que a da en se abso bida una can- idad de e minada de agua po la supe icie de un ma e ial. Es e ensayo es ú il pa a e alua el e ec o de los a amien os hid ó ugos. P ocedimien o de ensayo Se pa e de una p obe a que debe ene una supe i- cie plana, ho izon al y lo su icien emen e g ande co- mo pa a que la dis ancia mínima en e dos go as sea supe io a 0,5 cm. Se pa e de mues as secas. En la ealización del ensayo se u iliza una mic obu e- a con un olumen o al de 1ml, si uada a 1 cm de la supe icie de la mues a. Se colocan go as de 0,01 ml sob e la supe icie del ma e ial, con una sepa ación de ap oximadamen e 0,5 cm. El iempo de abso ción de las go as ( x ) po la su- pe icie de la pied a se mide con un c onóme o. Se de e mina de igual mane a el iempo de e apo a- ción ( e ) de una go a de 0,01 ml sob e una supe i- cie de id io. ÁNGULO DE CONTACTO La medida del ángulo de con ac o de una go a de agua en la supe icie de un ma e ial pé eo pe mi e e alua su g ado de hid o epelencia. La medida del ángulo de con ac o se lle a a cabo se- gún el siguien e esquema (Figu a 2). Se mide la al u a (h) y la longi ud de la base en con- ac o con la supe icie a ada (b), así se de e mina el ángulo de con ac o, según la siguien e o mula: 42 PH Bole ín23 IDEA h θ b Fig. 2. Medida del ángulo de con ac o o mado po el menisco go a de agua/sopo e pé eo-ai e. Figu a 1. Cu a de e apo ación de agua PH Bole ín23 43 θ2h Tg ––– = –––– 2 b Donde: θángulo de con ac o hal u a de la go a b anchu a de la base en con ac o con la supe icie El ensayo consis e en medi la al u a y la anchu a en la base que alcanza la go a, ealizándose cinco medidas como mínimo po p obe a. Se calcula el ángulo de con ac o de cada go a y la media pa a cada p obe a. MEDIDA DE LA DISTRIBUCIÓN DE TAMAÑOS DE POROS La po osidad de un ma e ial se de ine como el po - cen aje en olumen de espacios acíos espec o a su olumen o al. Los po os en gene al con olan la di- námica del anspo e de los luidos, sin emba go, si exis en y no hay in e comunicación en e ellos, es os no end án incidencia an e enómenos de al e ación. En el caso de que los po os es én pe ec amen e in- e conec ados, más que la can idad de po os in luye su o ma y amaño, que es a lo que se denomina po- ome ía. La po osidad es á elacionada con las siguien es pa- áme os: a) Densidad eal M o P= ––– (Kg/m 3 ) V m donde: M o masa seca V m olumen de masa seca. b) Densidad apa en e M o p= ––– (Kg/m 3 ) V Donde V olumen o al de la oca. c) Po osidad o al V h N o = ––– (%) V Donde: V h Volumen o al de huecos V Volumen o al de la oca seca. e) Po osidad accesible La po osidad accesible o abie a es la o mada po los po os que pueden se ocupados po un luido de e minado. Es la que se de e mina, po ejemplo, po el mé odo de abso ción de agua a acío (Bole ín PH, nº 22). V a = M s – M o Donde: V a Volumen de po os accesibles M s Masa de la p obe a sa u ada de agua M o Masa seca V h = V a + V c Donde: V h Volumen o al de huecos V a Volumen de po os accesibles V c Volumen de po os ce ados La po osidad de cualquie ma e ial p esen a dos p o- piedades que es impo an e de ini y que in luyen de mane a impo an e en el compo amien o del ma e- ial, que son su geome ía y amaño. • La geome ía de los po os. La clasi icación más u ili- zada en ocas sedimen a ias es la de Choque e & P ay (1970) (Figu a 3). • El amaño de los po os iene una incidencia impo - an ísima en el p oceso de deg adación de los ma e- iales en gene al. En la abla 2 apa ecen las clasi ica- ciones po amaños de po os más u ilizadas. A endiendo a la in e conexión en e ellos la po osi- dad puede se in e clás ica, e icaz o in e comunicada. IDEA Fig. 3. Tipos de po osidad según Choque e & P ay (1970). Tabla 2. Tamaño de po os TAMAÑO ( adio de po os) Clasi icación según: Mac opo os Mesopo os Mic opo os Choque e & P ay (1970) >4 nm 4nm> adio>60µm < 60µm IUPAC (1976) >50nm 2nm< adio<50nm <2nm As hu s & Dimes (1977) >2,5µm – <2,5µm Pelle ín, O daz & Esbe >7,5µm – <7,5µm (1985) 44 PH Bole ín23 TÉCNICAS DE MEDIDA Las écnicas de es udio de la po osidad de los ma e- iales son muy a iadas, las más ú iles son las de ipo indi ec o, que se basan en la imp egnación, succión capila de agua, adso ción de gases e inyección de me cu io. Como complemen o a es as écnicas se u ilizan o as llamadas di ec as que emplean como u ensilios la mic oscopia óp ica de luz pola izada y elec ónica de ba ido con o sin análisis digi al de imágenes. Median e es ás écnicas se puede de e mina el olu- men o al de po os exis en es en el ma e ial y algu- nas de ellas pe mi en cons ui lo que se denomina “espec o de po osidad” que e leja la dis ibución del amaño de los po os en %. Ninguna écnica po sí sola da una in o mación comple a, po lo que es in e esan e u iliza el máximo núme o de écnicas pa a ob ene una in o mación lo más amplia posible. A. Mé odos di ec os A.1. Mic oscopia óp ica Pe mi e, en una sección bidimensional, la obse a- ción del sis ema. Si se digi aliza la imagen omada en el mic oscopio pe og á ico, se puede disc imina en- e los po os y la ma iz o cualquie o o componen- e pe og á ico. Además es a écnica puede cuan i i- ca el á ea de cada ipo de po o, así como el ac o de o ma de cada uno, ob eniendose el ” espec o de po osidad “ de cada ma e ial. La limi ación de es a écnica es á en la imposibilidad de pode cuan i ica po os de adio meno de 2,5µm. A.2. Mic oscopia elec ónica Es una écnica que pe mi e la obse ación di ec a de la po osidad pa a amaños de po os meno de 2,5µm en o ma idimensional. Como en el caso an e io , con el análisis digi al de imágenes se puede cuan i ica y ca ac e iza el sis ema po oso del ma e ial. B. Mé odos indi ec os B.1. Mé odo de succión La po ome ía de succión pe mi e es ablece el diá- me o, olumen de po os y dis ibución de amaños. El p ocedimien o se basa en la de e minación del agua e enida po el ma e ial bajo la aplicación de di- e en es p esiones de succión (pF). La succión se mi- de como al u a y ep esen a la p esión nega i a que e iene el agua en los po os. A medida que la oca se seca el agua se con ina po succión capila en po- os cada ez de meno amaño, po con enio se ex- p esa en escala loga í mica. pF= – log h 2σcosθ h= –––––––– ρ.g. Donde ρdensidad del luido σ ensión supe icial c ángulo de con ac o. gg a edad adio de po o gacele ación de la g a edad Es deci , exis e una elación en e el amaño de los po os donde queda e enida el agua pa a cada alo de la p esión de succión. Las no ma i as No mal I.4 y Rilem 25 PEM es able- cen es mé odos de succión : Mé odo de la placa. Es e mé odo pe mi e de e mi- na la elación en e la succión y el con enido en agua de un ma e ial po oso pa a alo es de p esión de succión (pF) comp endidos en e 0 y 3 y de e - mina angos de amaños de po o comp endido en- e 2979 µm y 2,95 µm. Mé odo de la memb ana de p esión. Es e mé odo mide los mismos pa áme os que el an e io , pe o los alo es de pF es án en e 3 y 4, 5, lo que pe mi e de e mina amaños de po o comp endidos en e 2,95 y 0,19 µm. Mé odo del desecado al acío. Pe mi e de e mi- na la elación en e la succión y el con enido en agua de una pied a po osa pa a alo es de pF com- p endidos en e 4, 5 y 7, lo que pe mi e calcula la dis ibución del olumen de po os de diáme o me- no a 0,052. IDEA Po osime ía de Hg SEM Mic oscop. óp ica Obse . Di ec a Volumen (%) 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 Figu a 4. Lími es de medida del amaño de po os de las écnicas más u ilizadas. Adso ción de gases Radio (10-3 mm PH Bole ín23 45 Todos los mé odos se basan en medi el con enido de agua de la mues a pa a cada alo de la succión, lo que pe mi e calcula el olumen de po os de cada amaño. B.2. Abso ción de ni ógeno Es a écnica pe mi e de e mina el olumen de po- os de un ango de amaños que oscila en e 2nm y 500nm (mic opo os o mesopo os). El p ocedimien o se basa en medi la can idad de gas o apo abso bida po un sólido po oso en unción de la p esión, a empe a u a cons an e; a es o se le denomina iso e ma de abso ción. Exis e una elación en e la p esión eje cida po el gas y el amaño de los po os en los que és e pene a. Conociendo el olumen de gas que es abso bido pa a cada p esión se puede calcula el olumen de po os del amaño co espondien e a esa p esión. Con es a écnica se pueden emplea un núme o im- po an e de gases como adso ba o; sin emba go es con el ni ógeno con el que se ob ienen esul ados más sa is ac o ios. B.3. Picnome ía de Helio El helio es un gas con un amaño molecula muy pe- queño y esul a muy ú il pa a de e mina el olumen o al de po os exis en es en un ma e ial, debido a que al pone se en con ac o con un sólido po oso ocupa odos los huecos del mismo. Se u iliza pa a de e mina la po osidad o al de la mues a, siguien- do un p ocedimien o semejan e al de abso ción de agua a acío (Bole ín PH, nº 22). B.4. Di acción de ayos X de bajo ángulo El mé odo consis e en some e el ma e ial a una a- diación X de bajo ángulo de incidencia (<2º). Es e haz de ayos X p oduce una di acción en de e mina- das di ecciones, cuya in ensidad pe mi e ob ene con- clusiones sob e el ni el de compac ación y po osidad del ma e ial. Es e mé odo pe mi e medi po os con un ango de amaño comp endido en e 0,5-50 nm. B.5. Po osime ía de Hg. Es a écnica pe mi e es udia el sis ema po oso me- dian e la inyección iso é mica o isobá ica de me cu- io, g acias a la ele ada ensión supe icial de és e, que impide que el líquido moje. Cuando se iene un ubo capila de adio en con- ac o con un líquido que no moja, exis e una elación en e la p esión que es necesa io eje ce pa a que el líquido en e en él. El ensayo consis e en de e mina el olumen de me - cu io que se in oduce en la mues a pa a cada alo de la p esión eje cida, con lo cual se conoce el olu- men de los po os de cada amaño. De es a o ma se pueden ob ene las cu as de dis ibución de ama- ños de po os (Figu a 5). Figu a 5. Cu a de dis ibución de amaño de acceso de po o a pa i de la cu a de in usión de me cu io. ALONSO RODRÍGUEZ. F, J.(1986). “Ca ac e ización pe o ísica y al e eación de calizas y dolomias”. Tesis Doc o al Dp o. de Pe- ología Uni e sidad de O iedo. 209 pp. BOUCHER, E A. (1976). “Po ous ma e ials. S uc u e p opie ies and capila y. Phenomeno. Jou nal o ma e ial s Science, 11. Pp. 1734-1750. CHOQUETTE, PW AND PRAY LC. (1970). Geologic nomen- cla u e and clasi ica ion o po osi y in sedimen a y ca bona es. Jou nal o Ma e ials Science MONTOTO, M. 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