Ensayo Del Hidrometro

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LABORATORIO DE SUELOS I

2011

Ing. Civil

Ensayo del Hidrmetro

I.- OBJETIVO:

Realizar una distribucin granulomtrica de la muestra de suelo que pase por el tamiz N 200, esto basndonos en la relacin de la velocidad de una esfera que cae libremente a travs de un fluido y su dimetro.

Determinar la clasificacin de una muestra de suelo que pasa por el tamiz N 200.

Obtener el porcentaje de arcilla (porcentaje ms fino que 0.002 mm) ya que la curva de distribucin granulomtrica cuando ms del 12% del material pasa a travs del tamiz No.200 no se utiliza como criterio dentro de ningn sistema de clasificacin de suelos y no existe ningn tipo de conducta particular del material que dependa intrnsecamente de la forma de dicha curva. La conducta de la fraccin de suelo cohesivo del suelo dado depende principalmente del tipo y porcentaje de arcilla de suelo presente, de su historia geolgica y del contenido de humedad ms que de la distribucin misma de los tamaos de partcula.

II.- FUNDAMENTO TEORICO:

El anlisis hidromtrico se basa en la Ley de Stokes, la cual relaciona la velocidad de una esfera, cayendo libremente a travs de un fluido, con el dimetro de la esfera.

V= ((s f)/1800n) *D2

Donde:

v = Velocidad de la esfera (cm/s)

s = Densidad de la esfera (g/cm3)

f = Densidad del fluido (g/cm3)

n = Viscosidad del fluido (g.s/cm)

D = Dimetro de la esfera (mm)

Se asume que la ley de Stokes puede ser aplicada a una masa de suelo dispersado, con partculas de varias formas y tamaos. El hidrmetro se usa para determinar el porcentaje de partculas de suelos dispersados, que permanecen en suspensin en un determinado tiempo. Para ensayos de rutina con fines de clasificacin, el anlisis con hidrmetro se aplica a partculas de suelos que pasan el tamiz de 2.00 mm (No.10). Cuando se quiere ms precisin, el anlisis con hidrmetro se debe realizar a la fraccin de suelo que pase el tamiz de 75 m (No.200).

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El hidrmetro se encuentra graduado para leer, de acuerdo con la escala que tenga grabada, el peso especfico de la suspensin los gramos por litro de suspensin. En el primer caso, la escala tiene valores de peso especfico que van de 0.995 a 1.038 y estar calibrado para leer 1.00 en agua destilada a 20 C (68F). Este Hidrmetro se identifica como 151 H.

En el otro caso la escala tiene valores de gramos de suelo por litro (g/l) que van de -5 + 60. Se identifica como 152 H y est calibrado para el supuesto que el agua destilada tiene gravedad especfica de 1.00 a 20 C (68 F) y que el suelo en suspensin tiene un peso especfico de 2.65. Las dimensiones de estos hidrmetros son las mismas; slo varan las escalas.

El hidrmetro debe ser calibrado para determinar su profundidad efectiva en trminos de lecturas de hidrmetro. Si se dispone de un hidrmetro tipo 151-H 152-H la profundidad efectiva puede ser obtenida de las tablas. Si el hidrmetro disponible es de otro tipo, procdase a su calibracin de acuerdo a los pasos siguientes:

Determnese el volumen del bulbo del hidrmetro. (VB). Este puede ser determinado utilizando uno de los mtodos siguientes:

Midiendo el volumen de agua desplazada:

Llnese con agua destilada o desmineralizada un cilindro graduado de 1000 ml de capacidad hasta aproximadamente 900 ml. Obsrvese y antese la lectura del nivel del agua. El agua debe estar aproximadamente a 20 C. (68 F). Introdzcase el hidrmetro y antese la nueva lectura. La diferencia entre estas dos lecturas es igual al volumen del bulbo ms la parte del vstago que est sumergida. El error debido a la inclusin del volumen del vstago es tan pequeo que puede ser despreciado para efectos prcticos.

Determinacin del volumen a partir del peso del hidrmetro:

Psese el hidrmetro con una aproximacin de 0.01 g. Debido a que el peso especfico del hidrmetro es aproximadamente igual a la unidad, el peso del hidrmetro en gramos, es equivalente a su volumen en centmetros cbicos. Este volumen incluye el volumen del bulbo y del vstago. El error debido a la inclusin del volumen del vstago es despreciable.

Determnese el rea "A" del cilindro graduado midiendo la distancia que existe entre dos marcas de graduacin. El rea "A" es igual al volumen incluido entre las dos graduaciones dividido entre la distancia medida.

Mdase y antese la distancia desde la marca de calibracin inferior en el vstago del hidrmetro hasta cada una de las marcas de calibracin principales (R).

Mdase y antese la distancia desde el cuello del bulbo hasta la marca de calibracin inferior. La distancia "H" correspondiente a cada lectura "R", es igual a la suma de las dos distancias medidas en los pasos anteriores.

Mdase la distancia desde el cuello hasta la punta inferior del bulbo. La distancia h/2 localiza el centro del volumen de un bulbo simtrico. Si el bulbo utilizado no es simtrico, el centro del volumen se puede determinar con suficiente aproximacin proyectando la forma del bulbo sobre una hoja de papel y localizando el centro de gravedad del rea proyectada.

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Determnense las profundidades efectivas "L", correspondientes a cada una de las marcas de calibracin principales "R" empleando la frmula:

L = HR + *(h - VB /A)

Donde:

L = Profundidades efectivas

HR = Distancias correspondientes a las lecturas R.

h = Distancia desde el cuello hasta la punta inferior del bulbo.

VB = Volumen del bulbo

A = rea del cilindro graduado.

Constryase una curva que exprese la relacin entre "R" y "L". Esta relacin es esencialmente una lnea recta para los hidrmetros simtricos.

Correccin de las lecturas del hidrmetro:

Antes de proceder con los clculos, las lecturas de hidrmetro debern ser corregidas por menisco, por temperatura, por defloculante y punto cero.

Correccin por menisco (Cm):

Los hidrmetros se calibran para leer correctamente a la altura de la superficie del lquido. La suspensin de suelo no es transparente y no es posible leer directamente a la superficie del lquido; por lo tanto, la lectura del hidrmetro se debe realizar en la parte superior del menisco.

La correccin por menisco es constante para un hidrmetro dado, y se determina introduciendo el hidrmetro en agua destilada o desmineralizada y observando la altura a la cual el menisco se levanta por encima de la superficie del agua. Valores corrientes de Cm son:

Hidrmetro tipo 151 H: Cm = 0,6 x 10-3 g/cm3

Hidrmetro tipo 152 H: Cm = 1,0 g/litro.

Correccin por temperatura (Ct):

A cada una de las lecturas de hidrmetro se debe aplicar tambin un factor de correccin por temperatura, el cual debe sumarse algebraicamente a cada lectura. Este factor puede ser positivo o negativo, dependiendo de la temperatura de la suspensin en el momento de realizar cada lectura. Obtngase el valor del factor de correccin por temperatura para cada lectura de hidrmetro empleando la tabla No.2 y antense estos valores en su planilla.

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Correccin por agente de dispersin y por desplazamiento del punto cero (Cd):

Los granos de suelos muy finos en suspensin tienden normalmente a flocular y se adhieren de tal forma que tienden a precipitarse juntos. Por lo tanto, es necesario aadir a las muestras un agente de disgregacin para evitar la floculacin durante el ensayo. Los agentes defloculantes siguientes han sido utilizados satisfactoriamente para la mayora de los suelos:

Agente Defloculante Frmula

Hexametafosfato de sodio

amortiguado con Carbonato de

sodio (Calgn) NaPO3 o (NaPO3)6

Polifosfato de sodio Na12P10O31

Tripolifosfato de sodio Na5P3O10

Tetrafosfato de sodio Na6P4O13

La adicin de un agente defloculante produce aumento en la densidad del lquido y obliga a realizar una correccin a la lectura del hidrmetro observado. As mismo, como la escala de cada hidrmetro ha sido graduada para registrar una lectura cero o lectura inicial a una temperatura base, que generalmente es 20 C (68 F), existir un desplazamiento del punto cero, y las lecturas de hidrmetro observadas tambin debern corregirse por este factor.

La correccin por defloculante se determina generalmente en conjunto con la correccin por punto cero; por ello se les denomina "correccin por defloculante y punto cero".

El procedimiento para determinar la correccin por defloculante y punto cero consistir en los pasos siguientes:

Se selecciona un cilindro graduado de 1000 ml de capacidad y se llena con agua destilada o desmineralizada con una cantidad de defloculante igual a la que se emplear en el ensayo. Si en el ensayo no se va a utilizar defloculante, llnese el cilindro slo con agua destilada o desmineralizada.

En este caso la correccin ser solamente por punto cero. Realcese, en la parte superior del menisco, la lectura del hidrmetro e introdzcase a continuacin un termmetro para medir la temperatura de la solucin.

Calclese la correccin por defloculante y punto cero (Cd) mediante la frmula:

-Cd = ' + Cm Ct

Donde:

' = Lectura del hidrmetro, en agua con defloculante nicamente

Cm = Correccin por menisco

Ct = Correccin por temperatura, sumada algebraicamente.

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Manejo de hidrmetros:

El hidrmetro debe estar limpio antes de ser sumergido. Para limpiar el hidrmetro puede utilizar un papel que no suelte pelusas y etanol o acetona. Si el instrumento, en particular el vstago, est sucio no solamente variar su masa sino tambin el menisco no se formar correctamente.

Si quiere asegurar una lectura exacta, deje que tanto el instrumento como lquido cuya densidad va a medir alcancen el equilibrio trmico con el ambiente, o espere a que la diferencia de temperatura entre el hidrmetro y el lquido sea la menor posible.

Tome el hidrmetro por el extremo superior del vstago con las manos limpias de tal forma que quede vertical. No lo tome del bulbo y menos de de la seccin del vstago en que est la escala.

Introduzca verticalmente el hidrmetro en el lquido y sultelo cuando la lnea a la altura de la que supuestamente debe flotar quede a unos pocos milmetros de la superficie del lquido; luego djelo oscilar hasta el reposo.

Existe la costumbre de hacer girar rpidamente el hidrmetro en el lquido; no lo haga, el hidrmetro no es un trompo, no permitir que el menisco se forme bien.

Finalmente, una vez que el hidrmetro se quede quieto, presinelo suavemente hasta que baje unos pocos milmetros y sultelo; con esto oscilar nuevamente y cuando vuelva a estar esttico tome la lectura, ya sea a la altura de la superficie horizontal del lquido o en el borde superior del menisco.

Lectura del Hidrmetro:

Existen dos formas de leer la escala de los hidrmetros:

a) a la altura de la superficie horizontal del lquido o

b) en el borde superior del menisco:

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1) Si el instrumento se lee de la primera manera, es posible determinar la posicin del plano que pasa por la superficie horizontal mediante el uso de una pantalla inclinada 45 grados, cuya mitad superior sea negra y la inferior blanca. La pantalla se coloca detrs del recipiente que contiene al lquido en que se sumerge el hidrmetro, de tal forma que la mitad quede unos centmetros por debajo del plano de la superficie del lquido, como se puede ver en la fotografa.

Al quedar el plano de la mirada por debajo de la superficie del lquido podremos observar como se va formando una lnea cada vez ms estrecha y bien definida a medida que vamos subiendo la cabeza paralelamente a la direccin del vstago. La lnea que se forma es la que nos indica en que lugar de la escala debemos tomar lectura.

2) La lectura en el borde superior del menisco normalmente se realiza cuando los lquidos son opacos. Si la escala del instrumento ha sido calibrada para ser leda a la altura de la superficie del lquido eventualmente ser necesario aplicar una correccin para alcanzar el nivel de exactitud deseado.

Es comn que las calibraciones se realicen leyendo la escala de la primera manera, pues las lecturas son ms exactas. Dadas las diferencias que se producen entre ambas formas de realizar las lecturas, es importante que esa informacin se consigne en los certificados.

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III .- MATERIALES UTILIZADOS:

Hidrmetro tipo 152 H

Termmetro de 0 a 100C

Probeta graduada de vidrio de 100ml.

Silicato de sodio (defloculante)

Tamiz No. 200.

IV.- MUESTRA:

Se requiere el peso en su estado seco pudiendo haber variantes de acuerdo a las caractersticas del suelo ensayado, as por ejemplo:

Suelos para clasificacin (arenosos, pasa tamiz No. 10) 75 a 100 gramos

Limos y arcillas (pasan el tamiz No. 200) 50 a 60 gramos

Hay dos opciones para obtener el peso de la muestra, que se seque antes del ensayo o despus del ensayo. Si la muestra se seca antes del ensayo, entonces se anota el valor de peso de suelo seco en la planilla. Si la muestra se seca despus del ensayo, hay que transportar toda la suspensin a un recipiente para luego introducirlo al horno. Luego hay que restar el peso del defloculante, este punto se explicar con ms detalle en el procedimiento.

V.- PROCEDIMIENTO DE LA PRCTICA:

1.- Preparar 125 ml. de solucin (agua con defloculante), el porcentaje del defloculante es aproximado en un 4% en peso de lo que pesa 1000 ml. de agua.

Silicato de Sodio

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2.- La muestra se coloca en un recipiente y mezclarlo con los 125 ml. de solucin al 4% de defloculante.

3.- Dejar a la muestra sedimentar durante 24 horas, luego transferir a un vaso donde se pueda batir el material, en este vaso se puede aumentar agua hasta 2/3 del volumen total del vaso, comenzar el batido durante un periodo de 1 minuto (cuando el tiempo de sedimentacin es una hora hay que batir durante 5 minutos).

4.- Vaciar el contenido del vaso de mezclado, a una probeta graduada (que se llamar probeta de sedimentacin), y aumentar agua comn hasta llegar a los 1000 ml.

5.- Se preparara una probeta patrn de control de 1000 ml. que contenga 125 ml. de solucin dispersante al 4%, (se puede usar

- par

-te de la solucin descrita en el paso1). Verificar que las

temperaturas sean iguales en ambas probetas.

6.- La probeta de sedimentacin se tapar con un tapn (utilizar la palma de la mano si es necesario), para evitar que durante la agitacin de la misma tenga prdidas, la agitacin tiene que ser alrededor de 1 minuto.

7.- Luego de sacudir la probeta, poner sobre la mesa e introducir el hidrmetro tomando lecturas en los siguientes intervalos de tiempo l, 2, 3, 4 minutos, realizando igualmente lecturas del termmetro.

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8.- Colocar el hidrmetro y el termmetro en el recipiente de control (el cual debe encontrarse a una temperatura que no difiera en ms de 1 c. del suelo}. Tomar una lectura para correccin de menisco en el hidrmetro dentro del cilindro de control.

Hidrmetro

9.- Es necesario que en cada medicin se evite la agitacin en la introduccin del hidrrnetro, colocndolo tan suavemente como para requerir alrededor de 10seg en realizar dicha operacin.

10.- El proceso se vuelve a repetir, comparando los resultados de las mediciones anteriores, si existe concordancia hay que seguir incrementando los tiempos de mediciones de tiempo de 8, 15, 30, 60 minutos.

VI. ILUSTRACION DE LA PRCTICA.-

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VII.- CALCULOS:

Aplicar la correccin de meniscos a las lecturas de hidrmetro y encontrar en la tabla 6-5 para obtener el valor de L.

Si el grupo realiz el ensayo del peso especifico de los suelos, entonces adoptar su valor, caso contrario adoptar el valor de Gs = 2.70 (g/cm).

Con Gs y la temperatura de ensayo para cualquier lectura del hidrmetro, entrar el la tabla 6-4 para obtener el valor correspondientes de K.

Con los valores de L, K y el tiempo transcurrido (1 min.), calcular el valor de D, con la siguiente ecuacin:

( ) ( )

D = Dimetro de la partcula

L = Profundidad efectiva de cada de las partculas en un tiempo dado

K = Constante de las caractersticas del suelo

Calcular la lectura corregida del hidrmetro a travs de la siguiente frmula

Rc = R real correccin de cero + Ct (1-2)

Rc = Lectura corregida del Hidrmetro

Real = Lectura directa del Hidrmetro

Ct = Correccin por temperatura (tabla 6-3)

La correccin de cero se presenta cuando existan lecturas negativas en el Hidrmetro.

Utilizando el resultado de la ecuacin (1-2), se calcula el porcentaje mas fino correspondiente al dimetro de la partcula D.

Porcentaje mas fino =(Rc*a*100)/Ws (1-3)

Ws = Peso original de suelo colocado en la suspensin g.

a = Factor de correccin para el peso unitario de slidos (tabla 6-2).

Rc = Correccin por cero + (Ct de la tabla 6-3 a 22c).

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Tabla de datos recogidos en laboratorio:

Tiempo

transcurrido

en min.

Temperatura

en C

1 21

3 21

6 21

10 21

15 21

25 21

40 21

70 21

812 17

877 17

960 19

1137 19

7167 18

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Para el desarrollo practico de los clculos, se los realizo en una hoja de clculo de Excel con el siguiente formato:

Colu

mn

a

Procedimiento

1 Es el valor del tiempo en minutos en que se deja la solucin de arcilla con silicato de sodio 2 Es la temperatura en un tiempo indicado en la columna 1 en C 3 Este es el valor extrado de tabla para la correccin de temperatura solucin con arcilla 4 Sera la temperatura corregida en grados centgrados (Temperatura Ct)

5 Es la lectura realizada con el hidrmetro 6 Es la resultante de la columna 5 ms/menos la columna 3 7 Porcentaje ms fino es igual a la lectura corregida *0.99*100/entre el peso total de la muestra 8 Es la correccin por menisco para el tipo de hidrmetro que es el 152 H que es 1,0 g/litro 9 Valor obtenido de la tabla, el cual se encuentra con el valor del hidrmetro corregido por menisco 10 Valor obtenido de la relacin del valor L de la columna 9 entre el tiempo de la columna 1 11 Valor obtenido de la tabla 6.4 a la cual entramos con los pesos unitarios y al temperatura corregida 12 Dimetros de tamices obtenidos con la ecuacin 1.1 "D=K*(L/t)^0.5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Tie

mp

o t

ra

nsc

urrid

o e

n

min

.

Tem

pera

tura

en

C

Ct

Tem

pera

tura

en

C

Co

rreg

ida

Lectu

ra

Rea

l R

rea

l.

Lectu

ra

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ida

Rc.

Po

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taje

m

s fi

no

Co

rrecci

n p

or m

en

isco

L t

ab

la

L/t

K t

ab

la

Di

metr

o e

n m

m.

1 21 0,2 21,2 48 48,2 63,624 49 8,3 8,3 0,0133 0,0383

3 21 0,2 21,2 36 36,2 47,784 37 10,2 3,4 0,0133 0,0245

6 21 0,2 21,2 30 30,2 39,864 31 11,2 1,8667 0,0133 0,0182

10 21 0,2 21,2 20 20,2 26,664 21 12,9 1,29 0,0133 0,0151

15 21 0,2 21,2 11 11,2 14,784 12 14,3 0,9533 0,0133 0,0130

25 21 0,2 21,2 3,5 3,7 4,884 4,5 15,6 0,622 0,0133 0,0105

40 21 0,2 21,2 2 2,2 2,904 3 15,8 0,395 0,0133 0,0084

70 21 0,2 21,2 1 1,2 1,584 2 16 0,2286 0,0133 0,0064

812 17 -0,7 16,3 2,5 1,8 2,376 3,5 15,7 0,0193 0,014 0,0019

877 17 -0,7 16,3 2,5 1,8 2,376 3,5 15,7 0,0179 0,014 0,0019

960 19 -0,3 18,7 1,5 1,2 1,584 2,5 15,9 0,0166 0,0136 0,0018

1137 19 -0,3 18,7 1,5 1,2 1,584 2,5 15,9 0,0140 0,0136 0,0016

7167 18 -0,5 17,5 1,5 1 1,32 2,5 15,9 0,0022 0,0138 0,0006

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Con los resultados anteriores podemos graficar finalmente la curva relacionando el porcentaje que es ms fino y el dimetro de las partculas:

0

10

20

30

40

50

60

70

0,00050,0050,05

Diametro (mm)

CURVA GRANULOMETRICA REALIZADA CON HIDROMETRO

% M

as

fin

o

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Con los resultados obtenidos en esta prctica y los de la prctica N 2 de granulometra de la arcilla se puede realizar una grafica de la distribucin granulomtrica, en funcin del porcentaje ms fino que pasa y el dimetro de las partculas, como sigue:

DIAMETRO

mm.

PORCENTAJE

MAS FINO

2,0000 100,0000

0,4600 79,4300

0,0750 2,6900

0,0383 1,7115

0,0245 1,2854

0,0182 1,0723

0,0151 0,7173

0,0130 0,3977

0,0105 0,1314

0,0084 0,0781

0,0064 0,0426

0,0019 0,0639

0,0019 0,0639

0,0018 0,0426

0,0016 0,0426

0,0006 0,0355

Ntese que se agrego los

resultados de la practica

N 2 y que el ultimo

valor de porcentaje ms

fino de esa prctica es:

2,6900% y este

porcentaje fue tomado

como un 100% y en

funcin a los

resultados de esta

prctica (hidrmetro)

se saco los porcentajes

que se muestran en la

tabla, este proceso se

lo realizo con fines

hacer un empalme en la

grafica.

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Con los resultados anteriores podemos graficar finalmente la curva relacionando el porcentaje que es ms fino y el dimetro de las partculas:

VIII.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES:

En este tipo de ensayo o prueba del hidrmetro existe un margen de error que fueron ocasionados por las siguientes causas: el uso de una cantidad o un tipo adecuado de defloculante, la seccin conveniente no responde a reglas fijas y varan para diferentes tipos de suelos.

Como defloculante natural tambin se puede usar sal, tambin limn, la leche, etc.

La falta de cuidado en la introduccin y extraccin del hidrmetro puede causar pequeos lapsos de tiempo no medidos con exactitud en los tiempos solicitados.

Para trabajar con la muestra de suelo este debe estar seca aunque se podra obtener el peso de la muestra secndola antes o bien despus del ensayo teniendo en cuenta la cantidad y el peso con la que trabajaremos en la prctica.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,0010,0010,0020,0040,0080,0160,0320,0640,1280,2560,5121,024

Diametro (mm)

CURVA GRANULOMETRICA

% M

as

fin

o

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Si se presenta alguna falla en los datos y resultados puede haber sido que no se dejo reposar la muestra las 24 horas recomendadas, al contrario se realizo el ensayo en el mismo instante de mezclado de esta con la solucin de 125 ml.

Al realizar la transferencia de la muestra mezclada con la solucin de 125 ml a la probeta se debe intentar que no se pierda material como por ejemplo lavando el recipiente si es que en este quedan residuos y echando estos en la probeta.

La agitacin del recipiente en donde se encontraba la muestra puede haber sido insuficiente al comienzo del ensayo.

La perdida de la solucin cuando se introduce o se remueve el hidrmetro, esta perdida se presenta comnmente cuando se extrae rpido el hidrmetro.

Si es que el hidrmetro no se encuentra limpio se producirn errores en las mediciones. La presencia de polvo o grasa en el vstago del hidrmetro puede impedir el desarrollo de un menisco uniforme.

VI.- BIBLIOGRAFIA:

Mecnica de Suelos. I........................Jurez Badillo - Rico Rodrguez

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