Contenido de agua

En mecánica de suelos e ingeniería petrolera , la saturación de agua o grado de saturación ,${\displaystyle S_{w}}$, se define como

${\displaystyle S_{w}={\frac {V_{w}}{V_{v}}}={\frac {V_{w}}{V\phi }}={\frac {\theta }{\phi }}}$

dónde${\displaystyle \phi =V_{v}/V}$es la porosidad , en términos del volumen de espacio vacío o poroso.${\displaystyle V_{v}}$y el volumen total de la sustancia${\displaystyle V}$Los valores de S _w pueden variar de 0 (seco) a 1 (saturado). En realidad, S w _nunca alcanza 0 ni 1; estos son ideales para uso en ingeniería.

El contenido de agua normalizado ,${\displaystyle \Theta }$, (también llamada saturación efectiva o${\displaystyle S_{e}}$) es un valor adimensional definido por van Genuchten ^{[ 3 ]} como:

${\displaystyle \Theta ={\frac {\theta -\theta _{r}}{\theta _{s}-\theta _{r}}}}$

dónde${\displaystyle \theta }$es el contenido volumétrico de agua;${\displaystyle \theta _{r}}$es el contenido de agua residual, definido como el contenido de agua para el cual el gradiente${\displaystyle d\theta /dh}$se convierte en cero; y,${\displaystyle \theta _{s}}$es el contenido de agua saturada, que es equivalente a la porosidad,${\displaystyle \phi }$.

El contenido de agua se puede medir directamente utilizando un horno de secado . El método de secado en horno requiere secar una muestra (de tierra, madera, etc.) en un horno especial y comprobar su peso a intervalos regulares. Una vez finalizado el secado, se compara el peso de la muestra con su peso antes del secado, y la diferencia se utiliza para calcular su contenido de humedad original.

El contenido gravimétrico de agua, u , se calcula ^{[ 4 ]} a través de la masa de agua.${\displaystyle m_{w}}$:

${\displaystyle m_{w}=m_{\text{wet}}-m_{\text{dry}}}$

dónde${\displaystyle m_{\text{wet}}}$y${\displaystyle m_{\text{dry}}}$son las masas de la muestra antes y después del secado en el horno. Esto da el numerador de u ; el denominador es o${\displaystyle m_{\text{wet}}}$o${\displaystyle m_{\text{dry}}}$(dando como resultado u' o u" , respectivamente), dependiendo de la disciplina.

Por otro lado, el contenido volumétrico de agua, θ , se calcula ^{[ 5 ]} a través del volumen de agua.${\displaystyle V_{w}}$:

${\displaystyle V_{w}={\frac {m_{w}}{\rho _{w}}}}$

dónde${\displaystyle \rho _{w}}$es la densidad del agua . Esto da el numerador de θ ; el denominador,${\displaystyle V_{\text{wet}}}$es el volumen total del material húmedo, que se determina simplemente llenando un recipiente de volumen conocido (por ejemplo, una lata ) al tomar una muestra.

En el caso de la madera , la convención es informar el contenido de humedad sobre una base seca en estufa (es decir, generalmente se seca la muestra en un horno a 105 grados Celsius durante 24 horas o hasta que deje de perder peso). En el secado de la madera , este es un concepto importante.

Otros métodos para determinar el contenido de agua de una muestra incluyen titulaciones químicas (por ejemplo, la titulación de Karl Fischer ), la determinación de la pérdida de masa por calentamiento (posiblemente en presencia de un gas inerte) o después de la liofilización . En la industria alimentaria también se utiliza comúnmente el método Dean-Stark .

Según el Libro Anual de Normas ASTM (Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales), el contenido total de humedad evaporable en el agregado (C 566) se puede calcular con la fórmula:

${\displaystyle p=100{\frac {W-D}{D}}}$

dónde${\displaystyle p}$es la fracción del contenido total de humedad evaporable de la muestra,${\displaystyle W}$es la masa de la muestra original, y${\displaystyle D}$es la masa de la muestra seca.

Además de los métodos directos y de laboratorio mencionados anteriormente, están disponibles las siguientes opciones.

Además de los métodos principales mencionados anteriormente, existe otro método para medir el contenido de humedad de la madera: un medidor electrónico de humedad . Los dos tipos principales de medidores de humedad son los de clavija y los sin clavija.

Los medidores de pines requieren clavar dos pines en la superficie de la madera, asegurándose de que estén alineados con la veta y no perpendiculares a ella. Estos medidores proporcionan lecturas del contenido de humedad midiendo la resistencia de la corriente eléctrica entre los dos pines. Cuanto más seca esté la madera, mayor será la resistencia a la corriente eléctrica, al medir por debajo del punto de saturación de la fibra de la madera. Los medidores de pines se prefieren generalmente cuando no se dispone de una superficie plana de la madera para medir.

Los medidores sin pines emiten una señal electromagnética que penetra en la madera para proporcionar lecturas sobre su contenido de humedad y, por lo general, se prefieren cuando no se acepta dañar la superficie de la madera o cuando se requiere un gran volumen de lecturas o una mayor facilidad de uso.

En la ciencia del suelo , la hidrología y las ciencias agrícolas , el contenido de agua desempeña un papel importante en la recarga de aguas subterráneas , la agricultura y la química del suelo . Numerosos esfuerzos recientes de investigación científica se han centrado en la comprensión predictiva del contenido de agua en el espacio y el tiempo. Las observaciones han revelado, en general, que la variación espacial del contenido de agua tiende a aumentar a medida que aumenta la humedad general en las regiones semiáridas, a disminuir a medida que aumenta la humedad general en las regiones húmedas y a alcanzar su máximo en condiciones de humedad intermedia en las regiones templadas. ^{[ 9 ]}

Existen cuatro contenidos de agua estándar que se miden y utilizan de forma rutinaria, los cuales se describen en la siguiente tabla:

Y por último el contenido de agua disponible , θ _a , que es equivalente a:

θ _a ≡ θ _fc − θ _pwp

que puede variar entre 0,1 en grava y 0,3 en turba .

• El estado seco en horno (OD) se define como la condición de un agregado en la que no hay humedad en ninguna parte del mismo. Esta condición se puede lograr en un laboratorio calentando el agregado a 220  °F (105  °C) durante un período de tiempo. ^{[ 11 ]}
• El estado seco al aire (AD) se define como la condición de un agregado en la que hay algo de agua o humedad en sus poros, mientras que sus superficies externas están secas. Esta es una condición natural de los agregados en verano o en regiones secas. En esta condición, un agregado absorberá agua de otros materiales añadidos a su superficie, lo que podría tener algún impacto en algunas de sus propiedades. ^{[ 11 ]}
• La sequedad superficial saturada (SSD, por sus siglas en inglés) se define como la condición de un agregado en la que las superficies de las partículas están "secas" ( es decir , no absorben el agua de mezcla añadida ni aportan agua a la mezcla ^{[ 11 ]} ), pero los espacios entre partículas están saturados de agua. En esta condición, los agregados no afectan el contenido de agua libre de un material compuesto . ^{[ 12 ] [ 13 ]}

La adsorción de agua por masa (A _m ) se define en términos de la masa de la muestra saturada superficialmente seca (M _ssd ) y la masa de la muestra de prueba secada en horno (M _dry ) mediante la fórmula:

${\displaystyle A={\frac {M_{ssd}-M_{dry}}{M_{dry}}}}$

• Húmedo (o mojado) se define como la condición de un agregado en la que el agua ha permeado completamente el agregado a través de sus poros, y hay agua libre en exceso de la condición SSD en sus superficies que pasará a formar parte del agua de mezcla. ^{[ 11 ]}

Entre estas cuatro condiciones de humedad de los agregados, la condición de saturación superficial seca es la que tiene más aplicaciones en experimentos de laboratorio, investigaciones y estudios, especialmente aquellos relacionados con la absorción de agua, la relación de composición o las pruebas de retracción en materiales como el hormigón. Para muchos experimentos relacionados, la condición de saturación superficial seca es una premisa que debe cumplirse antes del experimento. En condiciones de saturación superficial seca, el contenido de agua del agregado se encuentra en una situación relativamente estable y estática donde su entorno no lo afecta. Por lo tanto, en experimentos y pruebas donde los agregados se encuentran en condición de saturación superficial seca, habrá menos factores perturbadores que en las otras tres condiciones. ^{[ 14 ] [ 15 ]}