En un informe de ensayo de áridos hay una sola página que determina el comportamiento del material en obra más que cualquier otro apartado: la distribución granulométrica. La demanda de agua del hormigón, el contenido de vacíos del asfalto, si una base se compactará o si la bomba se obstruirá dependen en gran medida de esta curva. Sin embargo, en la mayoría de las obras la curva granulométrica solo se revisa para comprobar si se encuentra dentro de la banda. Pero la curva describe tanto el producto como el ajuste de la línea de trituración-cribado que lo produjo ese día. Esta guía recorre el análisis granulométrico desde el banco de ensayo hasta la lectura de la curva y la decisión tomada en obra.
Por qué la distribución del tamaño de partícula es la identidad de un árido
Tanto el hormigón como el asfalto y el material estabilizado funcionan, en esencia, con la misma lógica: las partículas forman un esqueleto y un aglomerante o material fino rellena el hueco entre ellas. El volumen de ese hueco se deriva directamente de la distribución granulométrica. Si el hueco es grande, se necesita más pasta de cemento, más betún o más material fino; esto significa tanto mayor coste como mayor durabilidad. Si el hueco es pequeño, se alcanza el mismo rendimiento con menos aglomerante. Es decir, la granulometría es la única propiedad que determina a la vez el precio y el comportamiento del material.
El segundo punto es este: dos cargas procedentes de la misma cantera, de la misma roca y de la misma trituradora pueden resultar materiales completamente distintos porque ha cambiado el ajuste de cribado. El nombre de la roca que figura en la parte superior del informe de ensayo es caliza en ambos casos; sin embargo, uno funciona sin problemas en el hormigón mientras que el otro segrega, exuda agua y fuerza la bomba. Por eso, al comprar árido, la primera pregunta que debe hacerse no es qué roca es, sino cuál es su distribución granulométrica y con qué consistencia se mantiene.
Por ello, el análisis granulométrico es el primer ensayo, y el que se repite con más frecuencia, en un laboratorio de control de calidad. No solo controla el producto: también informa sobre el estado de la línea de producción, desde la abertura de la mandíbula de la trituradora hasta el atascamiento de las mallas del tamiz, pasando por la velocidad de alimentación y el caudal de lavado. Para conocer el marco general de qué fracción se utiliza en cada aplicación, puede consultar el artículo guía de selección de fracciones; aquí se explica cómo se miden e interpretan esas fracciones.
Cómo se realiza el análisis granulométrico: de la muestra al pesaje
El paso más crítico del ensayo no se da en el laboratorio, sino en el parque de acopio: la toma de muestras. Una pila de árido está segregada por naturaleza; las partículas gruesas ruedan hacia la base del cono, mientras que el material fino queda en la parte superior y en el centro. Una palada tomada de un solo punto no representa esa pila. El método correcto consiste en tomar un gran número de muestras parciales de distintas zonas y distintas alturas de la pila y combinarlas, o bien, cuando sea posible, tomar una muestra de sección completa de la cinta transportadora en movimiento. La muestra combinada se reduce a la cantidad necesaria para el ensayo mediante cuarteo cónico o con un divisor de muestras. Lo representativo es la muestra reducida al pasar por los canales del divisor, no la recogida con una pala del centro del montón.
La muestra se seca en estufa hasta masa constante y se pesa; esta primera pesada es el denominador de todos los cálculos porcentuales. A continuación, en los materiales que contienen finos se realiza un tamizado por vía húmeda: la muestra se lava con agua sobre el tamiz de 0,063 mm, el polvo fino se elimina junto con el agua, y el material restante se seca de nuevo y se pesa. Si se omite este paso, el resultado sale sistemáticamente erróneo, porque en el tamizado en seco el polvo fino se adhiere a la superficie húmeda de las partículas gruesas y nunca llega a pasar por el tamiz de 0,063 mm. Uno de los errores más frecuentes en obra es que una muestra tamizada en seco muestre un contenido de finos inferior al que realmente tiene el material.
El tamizado se realiza con un juego de tamices de malla cuadrada. Los tamices se apilan con la abertura más grande arriba y la más fina abajo, colocando una bandeja en la parte inferior. La serie habitual incluye aberturas de 63, 31,5, 16, 8, 4, 2, 1, 0,5, 0,25, 0,125 y 0,063 mm; según el tamaño del producto se añaden o se retiran tamices intermedios. El juego se coloca en un agitador o se agita a mano. La duración debe ser suficiente para que todo el material que pueda pasar por cada tamiz lo haga; un tamizado demasiado corto hace que el material parezca más grueso de lo que es. El material retenido en cada tamiz se pesa por separado y estas masas se expresan como proporción de la masa total de la muestra.
El cálculo consta de dos pasos. Primero se determina el porcentaje que representa la masa retenida en cada tamiz respecto al total. Después, estos porcentajes se suman de arriba abajo para obtener los porcentajes acumulados retenidos; al restarlos de cien se obtiene, para cada abertura de tamiz, el porcentaje acumulado que pasa. La curva granulométrica se traza precisamente con estos porcentajes de paso. Al final del ensayo se compara la suma de las masas recogidas en los tamices con la masa inicial; si la diferencia supera el límite admisible, significa que el material ha quedado atrapado en los tamices o se ha derramado, y el ensayo debe repetirse.
La curva granulométrica: cómo leer el gráfico semilogarítmico
La curva granulométrica es un gráfico que representa en el eje horizontal la abertura del tamiz y en el eje vertical el porcentaje acumulado que pasa por ese tamiz. El eje horizontal es logarítmico, y la razón es una necesidad práctica. En una mezcla de áridos existe un rango de tamaños de mil veces entre 0,063 mm y 63 mm. En un eje lineal, el extremo fino queda pegado al borde izquierdo del gráfico y se vuelve ilegible; en un eje logarítmico, cada década ocupa el mismo ancho y tanto el extremo fino como el grueso se observan con igual detalle.
Leer la forma de la curva aporta información más rápido que leer las cifras. Una curva de ascenso pronunciado muestra que el material se concentra en un rango de tamaños estrecho, es decir, que es prácticamente de un solo tamaño; esta es la imagen típica de un material de drenaje lavado o de una grava machacada de fracción única. Una curva más tendida y uniformemente extendida indica que hay granos de todos los tamaños, es decir, que se trata de una distribución continua y bien graduada. Un tramo que se aplana en el centro de la curva señala una carencia de granos en ese rango de tamaños, es decir, una granulometría discontinua.
Unos cuantos puntos característicos de la curva facilitan el trabajo. El tamaño por debajo del cual queda el diez por ciento del material se lee como D10, el tamaño por debajo del cual queda la mitad como D50, y el tamaño por debajo del cual queda el sesenta por ciento como D60. La relación entre D60 y D10 es el coeficiente de uniformidad: cuanto mayor es el valor, más amplia es la distribución y mejor el comportamiento de compactación; cuanto más se acerca a uno, más uniforme (de un solo tamaño) es el material. Estos indicadores, procedentes de la mecánica de suelos, se emplean directamente en la selección del material de drenaje y filtro; para más detalles, puede consultar el artículo selección de árido de drenaje y filtro.
Granulometría continua, discontinua y de tamaño único; índice de huecos
En la granulometría continua hay partículas en todos los rangos de tamaño. Las partículas pequeñas se alojan en los huecos entre las grandes, otras aún más pequeñas se colocan entre ellas, y la cadena desciende hasta 0,063 mm. El resultado es el menor índice de huecos posible y la mayor densidad de compactación. El hormigón estructural, la base de zahorra tratada (plent-mix) y las mezclas asfálticas densas se diseñan con esta lógica, porque el objetivo es lograr un cuerpo más denso y estable con la misma cantidad de aglomerante.
En cambio, en una granulometría discontinua se reduce deliberadamente, o se elimina por completo, un tamaño intermedio. El objetivo es que las partículas gruesas entren en contacto directo entre sí y formen un esqueleto de contacto piedra con piedra; al faltar el tamaño intermedio, las partículas gruesas se apoyan unas sobre otras y la carga se transmite directamente a través de ellas. Los huecos de este esqueleto se rellenan después con un mortero rico en material fino y conglomerante. El asfalto mástico de piedra es la aplicación más conocida de este principio. El precio de una granulometría discontinua es que la mezcla es más propensa a la segregación, por lo que la extensión y el transporte requieren especial cuidado.
La granulometría de tamaño único, como su nombre indica, se concentra en un único rango estrecho. El índice de huecos es alto y la permeabilidad es muy buena, pero la estabilidad que se obtiene mediante la compactación es baja y las partículas pueden desplazarse unas respecto a otras bajo carga. Por ello, el material de tamaño único no se utiliza como capa estructural, sino como cuerpo de drenaje, capa filtrante o relleno envolvente de tuberías.
El índice de huecos también se puede medir directamente. Al comparar la densidad aparente del material en estado suelto y compactado con la densidad de partícula, se obtiene el porcentaje del volumen que corresponde a aire. La diferencia entre los índices de huecos de dos materiales producidos a partir de la misma roca procede enteramente de su distribución granulométrica. Esta medición es una herramienta práctica para estimar la necesidad de conglomerante en el diseño de mezclas; convierte en un número la continuidad que se lee en la curva. Para saber cuántas toneladas equivalen a un mismo volumen y qué implica esto para el transporte, puede consultar el artículo sobre conversión m3-tonelada.
El módulo de finura y los indicadores del tamaño de partícula
El módulo de finura es un indicador práctico que reduce la granulometría del árido fino a un único número. En una serie determinada de tamices, habitualmente los de 0,125, 0,25, 0,5, 1, 2 y 4 mm, se suman los porcentajes acumulados retenidos y el resultado se divide entre cien. El resultado indica, de forma aproximada, en qué rango de tamiz se sitúa el tamaño medio de partícula de la arena. Un valor bajo indica arena fina; un valor alto, arena gruesa. En las arenas para hormigón este valor suele oscilar entre dos y tres; las especificaciones suelen fijar un límite de desviación permitido respecto al valor objetivo.
Donde el módulo de finura resulta realmente útil es en el seguimiento de la producción. Aunque la curva granulométrica de la arena no se trace cada día, el módulo de finura puede calcularse rápidamente y compararse día a día. Si el valor baja, la arena se está afinando: aumentará la demanda de agua, la mezcla se volverá pegajosa y hará falta más aditivo para lograr el mismo asentamiento. Si el valor sube, la arena se está engrosando: la mezcla empieza a segregarse y a exudar, el acabado de la superficie se dificulta y aumenta el riesgo de atasco en la bomba. Siguiendo este único número, el operador de la planta puede corregir la mezcla a tiempo.
Sin embargo, el módulo de finura tiene una limitación importante: el mismo valor puede provenir de dos curvas muy distintas. Una arena equilibrada, rica en tamaños medios, y una arena con abundantes partículas muy finas y muy gruesas pero con un vacío en el centro pueden dar el mismo módulo. Por eso el módulo de finura no sustituye a la curva, sino que se lee junto a ella. El módulo también resulta útil al mezclar dos arenas distintas: el módulo de la mezcla se aproxima a la media ponderada de los módulos individuales, por lo que la proporción necesaria para alcanzar un valor objetivo puede estimarse rápidamente. Analizamos cuándo tiene sentido esta mezcla en el artículo arena triturada o arena natural.
¿Qué significa permanecer entre las curvas límite de la especificación?
Las especificaciones de hormigón, asfalto y carreteras no definen la distribución granulométrica con una única curva objetivo, sino con una curva de límite inferior y otra de límite superior. La banda comprendida entre estas dos curvas es el rango de comportamiento aceptable para ese uso. Un material cercano al límite inferior de la banda es más grueso, uno cercano al límite superior es más fino; ambos cumplen la especificación, pero se comportan de forma diferente en la mezcla. Por eso, mantenerse dentro de la banda es solo la mitad del trabajo.
La otra mitad del trabajo es la consistencia. Si la curva del producto se apoya en el límite superior una semana y se desliza hacia el límite inferior la siguiente, ambos informes parecen conformes; pero la planta produce dos hormigones distintos con la misma receta. El asentamiento no se mantiene, la resistencia fluctúa y la dosificación del aditivo tiene que cambiarse constantemente. En una buena producción, la curva se asienta en un punto concreto dentro de la banda y permanece allí; el verdadero criterio del control de calidad no es estar dentro de la banda, sino poder mantenerse en el mismo lugar.
Cuando se traspasa la banda, el tamiz en el que se produce la desviación aporta directamente un diagnóstico. Superar el límite superior en 0,063 mm indica exceso de finos: el lavado puede haber sido insuficiente o puede haberse mezclado arcilla con el material. Una desviación en torno a 4 mm muestra que se ha alterado el equilibrio entre arena y gravilla, y suele deberse al ajuste del cribado. Superar el límite superior en el extremo grueso significa un desgarro en la malla del tamiz o una fuga por ella; indica que una fracción superior se ha mezclado con el producto.
Una única fracción rara vez tiene que ajustarse a la banda por sí sola. En las mezclas de hormigón y asfalto se combinan varias fracciones en proporciones determinadas, y es la mezcla resultante la que debe caer dentro de la banda. El cálculo de la mezcla se realiza multiplicando el porcentaje que pasa por cada tamiz de cada fracción por su proporción y sumando los resultados. Este cálculo también muestra qué parte de la curva se desplazará, y cómo, al aumentar la proporción de una fracción determinada; es la herramienta más práctica en el diseño de mezclas.
Interpretar la curva en obra: hacia dónde apunta una desviación
La curva granulométrica es tanto un certificado de producto como un informe de producción. Una depresión en la zona central de la curva, es decir, una carencia de partículas en un rango de tamaño determinado, suele indicar que ha quedado un hueco entre las aberturas de las etapas de cribado o que ese tamaño se está devolviendo continuamente en el circuito cerrado. Una protuberancia en la misma zona indica que una etapa de trituración está produciendo ese tamaño en exceso; debe revisarse la abertura de ajuste de la trituradora cónica o el grado de llenado de su alimentación.
Hay varias causas típicas de que el extremo fino aumente más de lo esperado: la sobrealimentación de la trituradora, que hace que las partículas se muelan entre sí, la obstrucción de las aberturas de la criba con material fino húmedo, o que la unidad de lavado quede fuera de servicio o su caudal disminuya. El aumento en el extremo grueso suele deberse a una fuga mecánica; un desgarro en la malla de la criba, una junta suelta o una bandeja de criba mal montada permite que una fracción de tamaño superior se mezcle con el producto. En ambos casos, la curva indica dónde mirar antes de recorrer la línea.
Los síntomas del producto en obra también coinciden con la curva. La segregación y la exudación al verter el hormigón indican un engrosamiento de la arena y una carencia de tamaños intermedios. Un aumento de la presión de la bomba y las obstrucciones anuncian una mezcla demasiado gruesa o con exceso de finos. Que la capa de zahorra no cierre bajo el rodillo, con partículas gruesas que se mueven en la superficie, significa que la fracción fina es insuficiente. Una capa que se enloda y se hincha muestra un exceso de finos. Detallamos la relación entre estos síntomas y las propiedades medidas del material en el artículo cómo afecta la calidad del árido al hormigón.
Cuando se detecta una desviación, lo primero que hay que hacer no es cambiar el ajuste de producción, sino tomar una segunda muestra siguiendo el método correcto y repetir el ensayo. Un error de muestreo y un error de producción se ven exactamente igual en el mismo gráfico; la única forma de distinguirlos es repitiendo el ensayo. Una vez confirmada una desviación, el orden de intervención suele ser el siguiente: primero el cribado, es decir, las aberturas, la malla, la inclinación y la vibración; después el ajuste de la trituradora; y solo al final la alimentación y el frente de cantera.
Errores habituales que invalidan el ensayo y los hábitos correctos
La mayoría de los errores en el análisis granulométrico no comienzan en el laboratorio, sino en el lugar donde se toma la muestra. El material tomado de la base del cono de acopio tiende a ser más grueso, y el tomado de la cima, más fino. Una muestra tomada de la parte superior de la caja de un camión representa las partículas gruesas que han emergido a la superficie durante el transporte. Lo correcto es combinar incrementos tomados de varios puntos y reducirlos con un divisor de muestras. Si se omite este paso, todo el cuidado posterior se pierde.
El segundo error habitual es no secar suficientemente la muestra. El material fino húmedo se aglomera, se adhiere a la superficie de las partículas gruesas y no pasa por el tamiz; el resultado es que la fracción fina aparece más baja de lo que realmente es. El tercero es la sobrecarga del tamiz. Cuando el material acumulado sobre un tamiz se vuelve demasiado grueso, las partículas de debajo nunca llegan a la malla; el ensayo contabiliza como retenido un material que debería haber pasado por ese tamiz. En ese caso, la muestra debe dividirse y tamizarse en dos lotes.
El cuarto es el tiempo de tamizado; una agitación demasiado corta termina el ensayo antes de que las partículas finas hayan completado su paso. El quinto es el mantenimiento de los tamices: los hilos del tamiz se estiran con el tiempo, las aberturas se agrandan y se deforman en las esquinas. Un tamiz desgastado deja pasar sistemáticamente material más grueso y, como la diferencia es pequeña, pasa desapercibido durante mucho tiempo. Los tamices deben revisarse periódicamente y sustituirse si presentan una deformación visible. Por último, el balance de masas debe comprobarse en cada ensayo; si la diferencia entre la suma de las masas recogidas y la masa inicial supera el límite de aceptación, el resultado no debe utilizarse.
Todos estos hábitos sirven a un único propósito: que la curva muestre el estado real del material. İTS Maden, en su cantera de caliza en Milas, trata la distribución granulométrica de las fracciones que produce no como un resultado aleatorio de la línea de producción, sino como un parámetro controlado. Para elegir la fracción y la mezcla que se ajusten a las curvas límite de las especificaciones de su proyecto, puede consultar nuestros productos, revisar nuestro enfoque de control de calidad y ponerse en contacto con nosotros.
