Porosimetria de mercurio

La porosimetría de mercurio. Fundamentos físicos, estado del arte, normativa, descripción del equipo
y procedimiento experimental
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INDICE
1. ANTECEDENTES Y OBJETO................................................................................................. 1
2. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 2
3. FUNDAMENTOS FÍSICOS...................................................................................................... 4
3.1 EL MERCURIO....................................................................................................................... 4
3.2 TENSIÓN SUPERFICIAL DEL MERCURIO................................................................................... 4
3.3 ÁNGULO DE CONTACTO......................................................................................................... 5
3.4 MEDIDA DEL ÁNGULO DE CONTACTO O TENSIÓN SUPERFICIAL DEL MERCURIO ......................... 6
3.4.1 Métodos de gota pendiente......................................................................................... 6
3.4.2 Métodos de gota yacente ............................................................................................ 7
3.5 EL MERCURIO COMO FLUIDO NO HUMECTANTE....................................................................... 9
3.6 LA ECUACIÓN DE WASHBURN.............................................................................................. 10
4. ESTADO DEL ARTE Y APLICACIONES DE LA TÉCNICA ................................................. 12
4.1 ORIGEN DE LA TÉCNICA ...................................................................................................... 12
4.2 EVOLUCIÓN EN LA PREPARACIÓN DE MUESTRAS .................................................................. 12
4.2.1 Secado al aire o en estufa......................................................................................... 12
4.2.2 Secado mediante congelación o liofilización............................................................. 13
4.2.3 Secado mediante punto crítico.................................................................................. 13
4.3 POSIBLES APLICACIONES .................................................................................................... 14
4.3.1 Relación con otras técnicas....................................................................................... 14
4.3.2 Correlación con otras propiedades de los materiales ............................................... 15
5. NORMATIVA EXISTENTE SOBRE POROSIMETRÍA DE MERCURIO................................ 17
6. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO: AUTOPORE IV 9500 SERIES ............................................. 18
6.1 PUERTOS DE BAJA PRESIÓN................................................................................................ 18
6.2 PUERTOS DE ALTA PRESIÓN................................................................................................ 19
6.3 LOS PORTAMUESTRAS O PENETRÓMETROS ......................................................................... 19
6.4 LOS SISTEMAS DE SEGURIDAD DEL POROSÍMETRO DE MERCURIO ......................................... 20
6.5 PROCEDIMIENTOS DE CALIBRACIÓN..................................................................................... 21

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6.5.1 General ......................................................................................................................21
6.5.2 Calibración de la señal de presión.............................................................................21
6.5.3 Calibración de la medida de volumen........................................................................21
6.5.4 Calibración del transductor de vacío..........................................................................21
6.5.5 Verificación del análisis del porosímetro....................................................................21
7. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ....................................................................................22
7.1 TOMA DE MUESTRAS Y PORTAMUESTRAS .............................................................................22
7.2 PRETRATAMIENTO DE LA MUESTRA ......................................................................................23
7.3 EVACUACIÓN ......................................................................................................................24
7.4 LLENADO DEL PORTAMUESTRAS CON MERCURIO ..................................................................26
7.5 ANÁLISIS DE BAJA PRESIÓN .................................................................................................26
7.6 ANÁLISIS DE ALTA PRESIÓN .................................................................................................28
7.7 FASE DE EXTRUSIÓN ...........................................................................................................29
7.8 BLANCO Y CORRECCIÓN POR COMPRESIBILIDAD DE LA MUESTRA ..........................................29
7.9 EL FENÓMENO DE HISTÉRESIS .............................................................................................30
7.9.1 Histéresis debida a variación del ángulo de contacto................................................30
7.9.2 Histéresis debida al atrapamiento de mercurio en el interior de poros ......................30
8. PARÁMETROS DETERMINADOS MEDIANTE POROSIMETRÍA DE INTRUSIÓN DE
MERCURIO ................................................................................................................................33
8.1 PARÁMETROS GENERALES DE LA MUESTRA..........................................................................33
8.2 DESCRIPCIÓN DE LA ESTRUCTURA POROSA..........................................................................35
8.3 DIMENSIONES FRACTALES ...................................................................................................38
8.4 COMPRESIBILIDAD DEL MATERIAL.........................................................................................40
8.5 INTERPRETACIÓN DE LAS CURVAS DE TAMAÑO DE PORO .......................................................40
8.5.1 Clasificación de poros de Choquette & Pray (1970) ..................................................41
8.5.2 Clasificación de poros según la Norma ISO 15901-1:2005 .......................................41
8.5.3 Clasificación de poros de Russel (1927)....................................................................41
8.5.4 Clasificación de poros de Setzer................................................................................42
8.6 FUENTES DE ERROR EN LA POROSIMETRÍA DE MERCURIO .....................................................42
8.6.1 La preparación de muestras para eliminar el agua del interior de los poros .............42
8.6.2 El efecto de la presión generada durante el ensayo en la estructura de la muestra .42
8.6.3 Procedimiento de corrección de los datos experimentales considerando la
compresibilidad de la muestra ............................................................................................44
8.6.4 La influencia de la accesibilidad de los poros en la curva de distribución de poros ..46

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8.6.5 Los poros no son cilindros: el programa Pore-cor..................................................... 47
9. EL INFORME FINAL.............................................................................................................. 48
9.1 CONDICIONES DE ANÁLISIS ................................................................................................. 48
9.2 PRESENTACIÓN DE DATOS EXPERIMENTALES....................................................................... 48
9.3 RESUMEN DE LOS DATOS DE INTRUSIÓN .............................................................................. 49
9.4 GRÁFICOS DE REPRESENTACIÓN DE LOS RESULTADOS DEL ANÁLISIS.................................... 49
10. RESUMEN ........................................................................................................................... 53
ANEXO I: NOCIONES BÁSICAS SOBRE SEGURIDAD CON EL MERCURIO
ANEXO II: DEFINICIONES Y SÍMBOLOS
ANEXO III: BIBLIOGRAFÍA

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1. ANTECEDENTES Y OBJETO
El presente informe se redacta al amparo de la actuación denominada “Revisión y actualización
de procedimientos de ensayos geotécnicos”, con clave 81-308-0-001 que se viene realizando
en el Laboratorio de Geotecnia del CEDEX.
El objetivo básico de esta actuación es hacer una revisión de los procedimientos llevados a
cabo en el laboratorio durante la ejecución de los ensayos que se pueden desarrollar con los
equipos disponibles. Por una parte, en los ensayos más convencionales se trataría de
comprobar sistemáticamente la estricta aplicación de la normativa vigente y detectar posibles
deficiencias existentes tanto del procedimiento exigido en la normativa como en el seguimiento
de la misma durante la realización de los ensayos en el Laboratorio de Geotecnia. Por otra
parte, el Laboratorio de Geotecnia del CEDEX ha realizado en los últimos años un esfuerzo por
complementar los ensayos tradicionales de identificación de suelos con ensayos más
específicos de caracterización físico-química de los mismos, que, en muchos casos, carecen
de una normativa clara de ejecución de ensayos. En este caso, se trataría de compilar los
resultados obtenidos para revisarlos críticamente y establecer unas pautas claras de ejecución
de ensayo.
Dentro de este objetivo general de revisión de procedimientos el presente informe constituye
una introducción teórica a la técnica de la porosimetría de intrusión de mercurio, también
conocida simplemente como porosimetría de mercurio. El informe está estructurado de forma
que desarrolla seis grandes temas relacionados con la técnica. En primer lugar se resumen en
el capítulo 2 los fundamentos físicos de la técnica, cuyas aplicaciones dependen
fundamentalmente de las propiedades excepcionales de elemento mercurio como metal fluido
a temperatura ambiente. En segundo lugar, en el capítulo 3, se expone un estado del arte,
tanto de los avances teóricos y tecnológicos de desarrollo del equipo, como de sus
aplicaciones. En tercer lugar, en el capítulo 4, se enumeran las diferentes normas que afectan
al desarrollo del ensayo. Posteriormente, en el capítulo 5, se realiza una descripción general
del porosímetro de mercurio, detallando a continuación las partes en las que se estructura. A
continuación, en el capítulo 6, se describe el procedimiento experimental, obtenido a partir de la
normativa existente y de las recomendaciones encontradas en la literatura. En un séptimo
capítulo, se enumeran los parámetros determinados mediante porosimetria de intrusión de
mercurio, y por último, en el capítulo 8, se enumeran todos los datos que deben recogerse en
el informe final de un análisis de porosimetría de mercurio.
Acompañan a este informe tres anexos relativos a nociones básicas sobre seguridad con el
mercurio, definiciones y símbolos enunciados a lo largo del informe y bibliografía relacionada
con el tema.

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2. INTRODUCCIÓN
Desde un punto de vista físico, los materiales geológicos, suelos y rocas, pueden ser
considerados sistemas trifásicos, constituidos por una fase sólida (las partículas que definen la
fábrica), una fase líquida (generalmente agua, ya sea gravitacional, o asociada a las partículas
mediante adsorción) y una fase gaseosa (habitualmente aire con vapor de agua). Con el fin de
cuantificar las proporciones relativas de estas tres fases dentro de ellos, se han establecido
una serie de coeficientes:
e
e
VV
V
V
V
nPorosidad
sh
h
t
h
+
=
+
==
1
)( (1)
n
n
V
V
eporosdeIndice
s
h
−
==
1
)( (2)
El índice de huecos o índice de poros (e) es igual a la razón del espacio ocupado por los poros
(Vh) al espacio ocupado por las partículas sólidas (Vs). Este parámetro está íntimamente
relacionado con la porosidad (n): la fracción de volumen de muestra ocupada por los poros,
tanto si éstos están llenos de agua o de aire, o una mezcla de ambos, relativa al volumen total
de muestra (Vt).
La caracterización de los materiales porosos implica normalmente la determinación del
volumen total de poros o porosidad así como de la curva de distribución de tamaño de poro. En
ocasiones, también puede ser necesario estudiar la morfología de los poros y su
interconectividad o determinar su superficie específica interna y externa.
Los métodos más comúnmente utilizados son:
La porosimetría de mercurio, donde los poros son llenados con mercurio por efecto de una
presión aplicada. Este método es apropiado para numerosos materiales con poros en el rango
de tamaño entre 0,003 – 360 μm.
La adsorción de gases, mediante la cual los poros, en el rango de tamaños comprendido entre
0,1 μm y 4·10-4
μm (4 Å) son caracterizados mediante las isotermas de adsorción de un gas,
como el Nitrógeno, a temperatura de Nitrógeno líquido.
La porosimetría de mercurio es una técnica destructiva que permite estudiar la red porosa de
los materiales en un rango que oscila entre 0,003 – 360 μm, lo que implica valores que varían
en un rango de cinco ordenes de magnitud. Consiste en la penetración controlada de mercurio
como respuesta a una presión hidrostática aplicada, existiendo una relación matemática entre
el diámetro de poro intruído por el mercurio y la presión necesaria para que se produzca tal
intrusión. Esta técnica es adecuada para muestras sólidas que no se humedecen y amalgaman
en presencia de mercurio, como es el caso de la gran mayoría de suelos y rocas. Algunos
metales como el oro, la plata, níquel o cobre pueden requerir una pasivación previa antes de
ponerlos en contacto con mercurio.

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Pero esta técnica no solo resulta de enorme interés por cubrir un rango de tamaño de poro tan
amplio, sino porque los datos que proporciona (volumen de mercurio intruído en función de la
presión aplicada) es indicativo de diversas características del espacio poroso y puede
correlacionarse con diferentes propiedades físicas del material.

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3. FUNDAMENTOS FÍSICOS
3.1 El mercurio
El mercurio es el único metal líquido a temperatura y presión ordinarias. De aspecto plateado
brillante, presenta una elevada movilidad a pesar de su elevada densidad (13,6 g/cm3
aproximadamente, dependiendo de la temperatura). El punto de fusión se sitúa a –38,9ºC y el
de ebullición a 356,6ºC. El mercurio es atacado fácilmente por el ácido nítrico concentrado o
diluido en caliente, pero no por los ácidos clorhídrico y sulfúrico. Se alea con la mayoría de los
metales (excepto con el hierro, el aluminio, el níquel, el platino y el cobalto) formando
amalgamas. El manejo del mercurio ha de ser cuidadoso debido a que a temperatura ambiente
emite vapores tóxicos (Ver Anexo I: Nociones básicas sobre seguridad con el Mercurio). El
mercurio utilizado en esta técnica debe ser de calidad analítica, con una pureza de 99,4%.
El principio de la técnica de porosimetría de mercurio se basa en el hecho de que el mercurio
se comporta como un líquido no humectante con la mayoría de los materiales geológicos como
suelos y rocas, así como otros materiales de construcción como el cemento, hormigón, ladrillos,
etc. Ello es debido a que el ángulo de contacto del mercurio con estos materiales es mayor de
90º y, en consecuencia, no penetra en los huecos y fisuras del material a menos que se aplique
una determinada presión.
Por el contrario, existe una serie de materiales que sí son mojados por el mercurio, es decir, el
ángulo de contacto es menor de 90º. Cuando el mercurio entra en contacto con dichos
materiales, generalmente metales como el cinc, el cobre o la plata, forma amalgamas con ellos.
En tales casos, la porosimetría por intrusión de mercurio sólo es posible tras recubrir la
superficie del material con un polímero o con ácido esteárico.
La justificación de este comportamiento del mercurio se basa fundamentalmente en dos
propiedades del mismo: su tensión superficial y su ángulo de contacto con los sólidos.
3.2 Tensión superficial del mercurio
Tanto los gases como los líquidos son fluidos, pero los líquidos tienen una propiedad de la que
carecen los gases: tienen una superficie "libre", es decir, una superficie cuya forma no está
determinada por la forma del recipiente que lo contiene. Esa superficie se forma por una
combinación de atracción gravitacional de la Tierra (peso) y de fuerzas entre las moléculas del
líquido. Una consecuencia directa de la existencia de esta superficie libre es que sobre ella
actúa una fuerza que no está presente en el interior de los líquidos, por eso llamada "tensión
superficial".
Las moléculas de un líquido se atraen entre sí, de ahí que el líquido esté "cohesionado". Sin
embargo, las moléculas que forman esta superficie libre son objeto de fuerzas en todas las
direcciones excepto en la dirección normal a dicha superficie, donde no existen moléculas
adyacentes. El resultado es que las moléculas que se encuentran en la superficie son atraídas
hacia el interior de éste. Para algunos efectos, esta película de moléculas superficiales se
comporta en forma similar a una membrana elástica tirante. La tensión superficial se define en
general como la fuerza que hace la superficie, membrana en tensión, dividida por la longitud
del borde de esa superficie.

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Cabe resaltar que no es fuerza dividida por el área de la superficie, sino dividida por la longitud
del perímetro de esa superficie.
La tensión superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que lo rodea y de la
temperatura, pero no depende del área de contacto existente entre el mercurio y el material.
Así, líquidos cuyas moléculas tengan fuerzas de atracción intermoleculares fuertes tendrán
tensión superficial elevada. Por otro lado, la composición química del material sólido en
contacto determina la magnitud de las fuerzas sólido-mercurio.
En general, la tensión superficial disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas de cohesión
disminuyen al aumentar la agitación térmica.
La tensión superficial tiene dimensión de fuerza por unidad de longitud y actúa tangencialmente
a la interfase. La tensión superficial del mercurio se encuentra entre 0,480 y 0,485 N/m a 25°C.
3.3 Ángulo de contacto
El ángulo de contacto se refiere al ángulo que forma la superficie de un líquido al entrar en
contacto con un sólido.
Suponiendo una gota de un líquido sobre una superficie sólida, el ángulo de contacto de la
superficie líquido-vapor con la superficie sólido-vapor en un punto de la línea de contacto
(interfase) líquido-sólido-vapor, caracteriza la tensión superficial existente entre líquido, sólido y
vapor (Figura 1).
Figura 1: Fuerzas existentes en el vértice de una gota de
líquido: aire-líquido, sólido-aire y líquido-sólido.
Fuente: http://citt.ufl.edu/Marcela/Sepulveda/html/angulos.htm
El valor del ángulo de contacto depende principalmente de la relación que existe entre las
fuerzas adhesivas entre el líquido y el sólido y las fuerzas cohesivas del líquido. Cuando las
fuerzas adhesivas con la superficie del sólido son muy grandes en relación a las fuerzas
cohesivas, el ángulo de contacto es menor de 90º, teniendo como resultado que el líquido moja
la superficie. Por el contrario, cuando las fuerzas de interacción líquido-material son menores
que las fuerzas líquido-líquido, la superficie de contacto tenderá a disminuir, obteniéndose un
menisco convexo.
El valor del ángulo de contacto (θ) está relacionado con el de la tensión superficial (γ), ya que
dicha tensión es una medida de la magnitud de las fuerzas de interacción líquido-líquido, en
este caso mercurio-mercurio. Cuando estas fuerzas son débiles (γ tiende a cero), el balance de
fuerzas favorecerá las fuerzas de interacción mercurio-material, y el mercurio mojará el material
(θ < 90º). Por el contrario, si las fuerzas mercurio-mercurio son mayores que las fuerzas
mercurio-material, el mercurio actuará como un fluido no humectante (θ > 90º).

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El ángulo de contacto depende de la naturaleza de la muestra y en todo momento se debe
considerar un valor medio. Se han realizado un gran número de ensayos para determinar el
valor del ángulo de contacto existente entre distintos materiales y el mercurio, obteniéndose
valores situados dentro del intervalo 115º-155º. Así, en estudios de materiales rocosos se
aceptan valores en torno a 141º. El ángulo de contacto con arcillas como la bentonita varía
entre 139º y 147º. En general es habitual considerar un valor entre 130º-140º. Se han
propuesto otros valores en la literatura, como Delage & Lefebvre (1984) que utilizan un ángulo
de contacto de 141º en arcillas naturales, o Griffiths & Joshi (1989) que usan 147° en illita y
caolinita.
3.4 Medida del ángulo de contacto o tensión superficial del mercurio
Existen diversas maneras de medir el ángulo de contacto o la tensión superficial de cualquier
fluido con respecto a un sólido. Todas ellas se clasifican en técnicas de medida sobre “gota
yacente” o sobre “gota pendiente”.
La gota que se encuentra sobre una superficie sólida se denomina “gota yacente”. La gota que
pende o cuelga de una punta se denomina “gota pendiente”. Estas gotas tienen una forma que
viene determinada por la tensión superficial y el balance de fuerzas de gravedad (Shaw, 1970).
La gravedad tiende a hacer las gotas yacentes planas y las gotas pendientes largas. La tensión
superficial hace que las gotas tiendan a ser esféricas. Cuanto menor sea la densidad del
líquido, su gota pendiente tenderá a ser esférica. Las gotas pequeñas están muy poco
afectadas por la gravedad y tienden a ser esféricas. Por el contrario, las gotas grandes están
muy poco afectadas por la tensión superficial. Sin embargo su grosor como gota yacente
depende del ángulo de contacto y la tensión superficial.
3.4.1 Métodos de gota pendiente
La gota pendiente (Figura 2) ayuda a determinar la tensión superficial del líquido, que puede
ser calculada con la siguiente ecuación:
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
e
s
e
d
d
fgd ·2
ργ (3)
donde g es la gravedad, ρ es la densidad y f es la presión hidrostática
sobre la gota colgante. Cuanto mayor es la presión hidrostática, la
gota pendiente se alarga y esto se puede apreciar en la curvatura de
su ápice (Adamson, 1976).
Figura 2: Gota pendiente
También se necesitan conocer dos diámetros de la gota colgante. de es el diámetro ecuatorial,
medido en la parte más ancha de la gota. ds es el diámetro que se mide en la parte de la gota a
una distancia del ápice igual a de (Figura 2).

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Figura 3: Método de Blaisdell para
medir la tensión superficial
3.4.2 Métodos de gota yacente
El método de Blaisdell
Este método (Figura 3) consiste en medir el radio del ecuador (re) de la gota yacente sobre la
superficie de un sólido y su distancia al ápice de la gota (h). La relación entre ambos
parámetros permite calcular la tensión superficial (Blaisdell, 1940).
(4)
donde
γ es la tensión superficial
g es la gravedad
ρ es la densidad
El método de Dorsey
Según el método propuesto por Dorsey (Figura 4), tras definir el máximo radio de la gota en su
ecuador, se dibuja una tangente a 45º a ambos lados de la gota. En el punto de contacto de
ambas tangentes a la gota, se define un segundo radio (r45). La tensión superficial se determina
mediante la siguiente ecuación (Dorsey, 1928):
41421,0
·0481,012268,0
052,0
4545
2
−
−
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⋅+−=
e
e
r
hr
f
grf
f
ργ
(5)
Figura 4: Método de Dorsey para
medir la tensión superficial
El método de Padday
Padday (1953) propone medir el ángulo de contacto a partir de la medida de la máxima altura
(h) de una gota yacente sobre una superficie horizontal (Figura 5). Si se trata de medir el
ángulo de contacto con un material granular, Webb (1997) propone fabricar una pastilla o
probeta y depositar una gota de mercurio sobre su superficie lisa.
Aunque el ángulo de contacto se define como el ángulo de la tangente de la interfase aire-
líquido-sólido en el límite de contacto, ubicar esta tangente con precisión es muy complicado.
ργ ·2
gr
r
h
e
e
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=

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Resulta mucho más exacto y sencillo determinar la altura de la gota (h) sobre la superficie
sólida. La relación entre el ángulo de contacto (θ) y esta altura de gota (h):
Si θ < 90º
(6)
Si θ > 90º
( )
2
1
2
2
13
24
1cos ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
−
+−=
Bh
Bh
ε
θ (7)
Figura 5: Método de Padday para
medir el ángulo de contacto
En ambas ecuaciones
γ
ρ
2
·
g
B =
Donde ρ es la densidad del líquido
g es la aceleración de la gravedad
γ es la tensión superficial
ε es la porosidad de la pastilla o probeta
La porosidad de una pastilla o probeta de material machacado en polvo se determina a partir
de sus dimensiones, su masa y su peso específico:
donde d es el diámetro de la pastilla o probeta
t es el espesor o altura de la probeta
W es la masa
ρs es el peso específico
Es importante destacar que la rugosidad de la superficie sobre la que se deposita la gota puede
modificar el ángulo de contacto (Hazlett, 1990). Así, un aumento de la rugosidad favorece la
humectabilidad disminuyendo el ángulo de contacto en fluidos que mojan, mientras que en
fluidos que no mojan, como el mercurio, el mismo aumento de rugosidad aumenta el ángulo de
contacto.
En los últimos años, se han desarrollado instrumentos precisos de medida del ángulo de
contacto (goniómetros), basados fundamentalmente en la captura y análisis digital de la imagen
de la gota, yacente o pendiente (Menéndez y col., 2004).
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−=
4
1 2
td
W
s
π
ρ
ε (8)
( )
2
1
2
113
1cos 2
2
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−−
−=
Bh
Bh
ε
θ

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3.5 El mercurio como fluido no humectante
En la figura 6 se observa el ángulo de contacto de una gota de fluido sobre una superficie
sólida. Cuando este ángulo de contacto es menor de 90º, el fluido es humectante para el sólido
con el que se encuentra en contacto. Esto quiere decir que tenderá a penetrar mojando el
material. Por el contrario, cuando el ángulo de contacto es mayor de 90º, el fluido es no
humectante y no penetrará en el sólido a no ser que se le aplique una presión.
Figura 6: Ángulo de contacto de una gota de
mercurio sobre una superficie sólida
(Webb, P.A., 2001a)
La superficie líquido-vapor que se produce en la superficie externa de la gota asume una
curvatura con dos radios: r1 en el plano xz, y r2 en el plano yz, estando la superficie de contacto
con el sólido en el plano xy. La tensión superficial contrae la superficie y el volumen de la gota
hasta que las fuerzas internas Fi por unidad de superficie A están en equilibrio con las fuerzas
externas, también por unidad de superficie; es decir, se llega a un equilibrio de presiones. Esta
situación queda definida perfectamente por la ecuación de Young y Laplace para superficies
esféricas:
rrr
PP γγ 211
´´´
21
=⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+⋅=− (9)
Donde: P´´: Presión en el lado cóncavo de la superficie esférica
P´: Presión en el lado convexo de la superficie esférica
γ: Tensión superficial
r1: Radio de la superficie esférica en el plano xz
r2: Radio de la superficie esférica en el plano yz
NOTA: Dado que es una superficie esférica r1 = r2
La tensión superficial también provoca que los fluidos presenten capilaridad: si se introduce un
extremo de un capilar en un fluido, pueden ocurrir dos cosas (Figura 7):
Si se trata de un fluido humectante entrará espontáneamente en el capilar y ascenderá por el
mismo por encima del nivel de la superficie líquido-vapor.
Si se trata de un fluido no humectante se resistirá a entrar en el capilar y el nivel descenderá
por debajo del nivel de la superficie líquido-vapor. Será necesario aplicar una presión para que
el fluido se introduzca en el capilar.

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El ángulo de contacto puede observarse también
en el interior del capilar. La superficie de contacto
líquido-vapor del mercurio como fluido no
humectante es convexa, mientras que en el caso
de un fluido humectante como el agua sería
cóncava.
Figura 7: Tipos de meniscos y
capilaridad en fluido humectante (agua)
y no humectante (mercurio)
En ambos casos, el líquido en el tubo subirá o bajará una distancia igual a l:
rg
l
ρ
γ2
=
Donde γ es la tensión superficial, r es el radio del tubo capilar, g es la constante gravitacional y
ρ es la densidad.
En resumen: Existen tres parámetros físicos que definen y determinan la intrusión de un líquido
en el interior de un capilar:
1. La tensión superficial de la superficie líquido-vapor
2. El ángulo de contacto
3. La geometría de la línea de contacto sólido-líquido-vapor
3.6 La ecuación de Washburn
Washburn en 1921 dedujo una ecuación para describir el equilibrio entre fuerzas internas y
externas en un sistema trifásico sólido-líquido-vapor, en función de estos tres parámetros:
tensión superficial, ángulo de contacto y geometría de la línea de contacto sólido-líquido-vapor.
La ecuación de Washburn parte de la premisa de que los poros son cilíndricos y, por tanto, los
tamaños de poro se describen como radio o diámetro de la sección circular de los mismos. En
estas condiciones, la presión requerida para forzar a un fluido no humectante a entrar en un
capilar de sección circular es inversamente proporcional al diámetro del capilar y directamente
proporcional a la tensión superficial y al ángulo de contacto del fluido con la superficie sólida.
Dado que el mercurio, como fluido no humectante, no tiende a penetrar en los poros de los
materiales a no ser que se le aplique una presión (Figura 8), se analizan las fuerzas a favor y
en contra de la penetración del Hg en el poro:

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Magnitud de la fuerza “interna” que se opone a que el Hg penetre en el poro:
θγπ cos·2 rFI = (10)
Donde: r: Radio de la sección circular del poro cilíndrico
γ: Tensión superficial
θ: Ángulo de contacto
Magnitud de la fuerza externa requerida para que el Hg penetre en el poro:
PrFE
2
π= (11)
Donde: πr2
: Área de la sección circular del poro cilíndrico
P: Presión exterior necesaria
Igualando fuerzas internas y externas (Ecuaciones 10 y 11) se llega a las relaciones:
Prr 2
cos2 πθγπ =− Expresado en función del radio de poro (12)
4
cos
2
PD
D
π
θγπ =− Expresado en función del diámetro de poro (13)
De donde se deduce la relación entre el mínimo tamaño de poro en el que puede penetrar el
mercurio y la presión requerida para ello:
Ecuación de Washburn
P
D
θγ cos·4
−= (14)
Figura 8: Inyección de mercurio en un capilar mediante aplicación de presión externa
Para cada fluido el numerador es constante. Como en esta técnica el fluido utilizado es el
mercurio debido a que se comporta como fluido no humectante con la mayoría de los sólidos,
sus constantes más admitidas son:
γ: Tensión superficial: 480-485 dinas/cm = 0,480 - 0,485 N/m
θ: Ángulo de contacto: entre 130-140º

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4. ESTADO DEL ARTE Y APLICACIONES DE LA TÉCNICA
4.1 Origen de la técnica
Ya en 1842, se mencionó la posibilidad de forzar la entrada de mercurio, como líquido que no
moja, en la madera para así demostrar su estructura porosa. Sin embargo esta idea no fue
tenida en cuenta hasta que en 1921 Washburn sugirió que se podía obtener la distribución de
tamaño de poros de un sólido a partir de la penetración a presión creciente del mercurio en su
seno, asumiendo como premisa que los poros son cilíndricos.
La primera vez que se aplicó esta técnica fue en 1940, gracias a Henderson que determinó la
distribución del tamaño de poro en la bauxita, de acuerdo con las sugerencias de Washburn,
empleando presiones de hasta 6 MPa.
El primer artículo dedicado completamente a esta técnica fue publicado por Ritter & Drake
(1945) y describía la construcción y manejo de un equipo de porosimetría, presentando los
primeros datos experimentales conseguidos. Así nace el primer aparato de porosimetría de
inyección de mercurio, que constituyó el prototipo a partir del cual se han desarrollado todos los
actuales porosímetros.
Posteriormente, Diamond (1970) ofrece una excelente descripción de la operación en el
porosímetro de mercurio.
4.2 Evolución en la preparación de muestras
Una de las fases más críticas de cualquier análisis de una muestra con un cierto contenido de
agua es la eliminación de ésta del interior del material. Si el secado del material no se realiza
con cuidado, puede destruir la fábrica inicial, no siendo representativos los resultados de la
muestra original.
4.2.1 Secado al aire o en estufa
En principio, salvo muestras con una cierta rigidez y estabilidad volumétrica, se parte de la
base de que la microestructura de las muestras se distorsiona y colapsa al secarse en el
interior de una estufa.
Ya Diamond (1970) habla de los grandes cambios microestructurales producidos por el secado
en estufa antes de introducir las muestras en el porosímetro. Este problema resulta de especial
importancia en caso de arcillas u otros materiales volumétricamente sensibles a su contenido
en agua. En estos casos, durante el proceso de secado se produce un reordenamiento de las
partículas reduciéndose a la vez el volumen de poros por colapso parcial o total de los mismos.
El secado al aire provoca una distorsión menor, dado que la velocidad de secado es inferior,
pero todavía este método puede inducir cambios en la fábrica que hagan que los resultados
experimentales no sean representativos de la muestra original.
La causa por la cual las muestras se dañan cuando se secan con aire se basa en las fuerzas
de tensión que se crean en cavidades de pequeñas dimensiones donde hay una interfase
líquido/gas. En la medida que el tejido se seca, la interfase líquido/gas viaja a través de la
superficie del material colapsando las cavidades entre estructuras.

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Muestras con una rigidez inherente como los metales, rocas o suelos preconsolidados, se
pueden secar al aire o en un desecador de vacío sin que su estructura sufra alteración alguna.
Sin embargo, las estructuras blandas con un alto contenido en agua se deformarán si se dejan
secar al aire ya que las fuerzas de tensión superficial asociadas a la salida del agua causarán
daños estructurales.
Dado que la técnica de la porosimetría de mercurio requiere que los poros se encuentren
vacíos de fluidos para ser penetrados por el mercurio, es necesario recurrir a técnicas como la
liofilización (freeze drying) o el secado por punto crítico (critical point drying) que no permiten
que se forme la interfase líquido/gas; de esta forma el material no se expone a las fuerzas de
tensión en la superficie y se evitan los efectos dañinos que las fuerzas anteriormente
mencionadas tienen en la estructura durante el proceso de secado.
4.2.2 Secado mediante congelación o liofilización
Se entiende por liofilización o secado por congelación el proceso utilizado para la eliminación
del agua por sublimación, mediante desecación al vacío y a muy bajas temperaturas.
Consiste en dos procesos en serie1
: en primer lugar una congelación del material, seguido de
su introducción en una cámara de vacío en la que se separa el agua por sublimación. Mediante
diversos ciclos de congelación-evaporación se consigue eliminar prácticamente la totalidad del
agua libre contenida en el producto original.
Es una técnica bastante costosa y lenta si se compara con los métodos tradicionales de
secado, pero resulta en productos de una mayor calidad, ya que al no emplear calor, evita los
cambios microestructurales.
4.2.3 Secado mediante punto crítico
El punto crítico es aquel límite para el cual el volumen de un líquido es igual al de una masa
igual de vapor o, dicho de otro modo, en el cual las densidades del líquido y del vapor son
iguales. Este estado viene determinado por la presión crítica y la temperatura crítica, que
definen el punto crítico de la sustancia. El líquido pasa a la fase gas sin pasar por el límite de
fases “líquido-gas”, y la muestra se seca sin los efectos dañinos del secado en aire.
El secado de punto crítico es un método para secar muestras sin que colapsen o deformen su
estructura original. Las fuerzas de deformación se evitan debido a que el proceso de secado
tiene lugar por encima del punto crítico del líquido, donde el límite entre la fase líquida y la fase
gas no existe, y el líquido que moja la muestra pasa directamente a fase gaseosa.
Según los valores de presión y temperatura crítica del agua, 228,5 bar y 374 ºC (Figura 9), si
un espécimen contiene agua no puede ser secado mediante el método del punto crítico ya que
los valores tan altos de presión y temperatura podrían destruirlo. Por ello, es habitual
reemplazar el agua, que tiene un punto crítico muy alto, por otro líquido antes de efectuarse el
secado. Si el líquido final no es miscible en agua será necesaria más de una sustitución; por
ejemplo, si el líquido final es dióxido de carbono líquido, el agua es primeramente sustituido por
1
http://www.dantechnique.cl/Nuevos%20Articulos/liofilizacion.pdf

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acetona y posteriormente, la acetona se sustituye por CO2 líquido, cuyos valores de punto
crítico son considerablemente más ventajosos, 73,8 bar y 31 ºC.
Figura 9: Punto triple y punto crítico del agua
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Punto_triple
4.3 Posibles aplicaciones
La porosimetría de mercurio ha resultado ser una potente herramienta de descripción de la red
porosa de diferentes materiales de construcción.
Así, Winslow and Diamond (1970) analizaron la variación de la curva de distribución de poros
en muestras de cemento en función de la edad y de la relación agua-cemento. Su trabajo
constituye un interesante estudio de cómo disminuye la porosidad y el tamaño medio de poro a
medida que evoluciona la hidratación de las fases cristalinas del cemento.
En 1971, Sridharan et al. publican un completo estudio mediante porosimetría de mercurio de
diferentes tipos de suelos y arcillas, comparando la porosidad resultante de diferentes métodos
de preparación: sedimentación artificial, consolidación de lodos y compactación estática.
Rodríguez y Sebastián (1994) utilizan esta técnica para describir el sistema poroso de
materiales pétreos ornamentales, como las calizas biomicríticas de la Catedral de Jaen.
Rodríguez y García (1995) aplican la porosimetría a la caracterización microestructural de
hormigones.
4.3.1 Relación con otras técnicas
Dentro de las técnicas de caracterización de suelos y rocas, la microscopía electrónica de
barrido es fundamental para la observación y descripción cualitativa de la fábrica y red porosa.
En este sentido, llama la atención la posibilidad de observar directamente al microscopio los
poros que son medidos mediante porosimetría. Por esta razón, se han realizado numerosos

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estudios correlacionando el tamaño de poros determinado por la porosimetría de mercurio y la
fábrica observada mediante microscopía electrónica de barrido. Aunque resulta muy
complicado medir el tamaño de los poros al microscopio debido a que no suelen aparecer
aislados sino entrelazados formando una red tridimensional, los estudios hablan en general de
una buena concordancia entre ambas técnicas, mostrando los resultados de la porosimetría un
tamaño medio de poro ligeramente inferior al diámetro medio observado mediante microscopía
(Bartoli et al. 1999).
Otra técnica frecuentemente asociada a los estudios de porosimetría es la picnometría de
Helio. Faust & Beck (1999) utilizan conjuntamente ambas técnicas para determinar, mediante
su densidad aparente, su peso específico y su peso específico aparente, la porosidad abierta,
cerrada y total de áridos ligeros del hormigón.
4.3.2 Correlación con otras propiedades de los materiales
La curva de distribución de tamaños de poro resultante de la aplicación de la porosimetría de
mercurio ha sido utilizado en numerosas ocasiones para interpretar el comportamiento
geotécnico de suelos y rocas.
Como ya se ha mencionado anteriormente, la porosidad puede ser estudiada mediante
diversas técnicas. Todas ellas se diferencian en el punto de vista desde el cual se considera la
porosidad: visualmente, mediante microscopía, o físico-químicamente, mediante isotermas de
adsorción de nitrógeno o porosimetría de mercurio. Estas dos últimas se distinguen en el rango
de tamaños susceptibles de ser medidos. Los resultados de ambas técnicas, combinados,
pueden ser útiles en la deducción matemática de fenómenos como la percolación o la
conductividad hidráulica a través de medios porosos.
Elzeftawy & Cartwright (1981) compararon valores experimentales con predicciones de la
conductividad hidráulica saturada y no saturada a partir de los datos de porosimetría de
mercurio.
García-Bengochea & Lovell (1981) analizaron la variación de la curva de distribución de
tamaños de poro en función del contenido en agua y del grado de compactación de diferentes
materiales arcillosos, deduciendo a continuación la permeabilidad resultante según los modelos
capilar, de Marshall y del radio hidráulico. Estos autores aplican y comparan dos modelos
diferentes: el modelo del capilar equivalente y el modelo del radio hidráulico equivalente,
ambos derivados de la ecuación de Hagen-Poiseuille para flujo laminar a través de un capilar
cilíndrico: 4
·
8
r
S
q
μ
γπ
= (15)
Donde q es el volumen de flujo por unidad de tiempo
r es el radio del capilar
S es el gradiente hidráulico
γ es el peso específico del fluido
μ es la viscosidad absoluta del fluido
Otro modelo para calcular la permeabilidad a través de capilares a partir de la distribución de
tamaño de poro de medios porosos y saturados es el modelo de radio hidráulico de Kozeny-
Carman. La ecuación de Kozeny-Carman fue propuesta inicialmente por Kozeny en 1927 y
posteriormente modificada por Carman (1937 y 1956). Actualmente es la más aceptada de
entre las que correlacionan propiedades de un medio poroso y la permeabilidad resultante (k):

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e
e
Sk
k
+
=
1
··
·
1 3
2
0 μ
γ
(16)
donde k0 es una constante que depende de la forma del poro y de la tortuosidad (Coeficiente
empírico de Kozeny-Carman),
S es la superficie específica (cm2
/cm3
= 1/cm),
γ es el peso específico del fluido,
μ es la viscosidad del fluido,
e es el índice de poros
Otros trabajos interesantes correlacionando la fábrica y estructura porosa deducida de la
porosimetría de mercurio con su permeabilidad saturada son los debidos a: García-
Bengoechea et al. (1979), Juang & Holtz (1986) y Lapierre et al. (1990).
La porosimetría de intrusión de mercurio puede resultar útil en el estudio de los cambios
volumétricos únicamente si estos cambios tienen lugar como resultado de deformaciones en
poros dentro del rango de medida de esta técnica. Así, Qi et al (1996) y Al-Mukhtar et al.
(1996) demostraron en sus respectivos trabajos que los cambios de volumen producidos por la
acción de esfuerzos comprendidos entre 1 y 10 MPa podrían ser atribuidos a la deformación de
poros dentro del rango susceptible de ser detectado por la porosimetría de mercurio.
Cabe la posibilidad de que existan poros de tamaños superiores, cuyo porcentaje dependerá
fundamentalmente del grado de compactación del suelo y del porcentaje y tipo de arcillas
presentes en el mismo. Sin embargo estos poros, en determinaciones de la curva succión-
humedad, se secan a succiones muy bajas y por lo tanto no contribuyen a los cambios de
volumen asociados a cambios de succión.
Por otro lado, en los ensayos de compactación, estos poros de mayor tamaño se cierran
inmediatamente por acción de la propia energía de compactación, mientras los poros de menor
tamaño permanecen. Este mismo fenómeno, estudiado por autores como Juang & Holtz (1986)
en suelos compactados mediante el ensayo Proctor normal y modificado, ocurre también
durante la consolidación, donde los poros por encima de 300 μm se cierran a presiones
relativamente bajas.
Otros trabajos recomendables sobre la fábrica y distribución de poros de materiales arcillosos,
como consecuencia de fenómenos de consolidación o compactación pueden ser Griffiths &
Joshi (1989), Al-Mukhtar et al. (1996).
En los últimos años los estudios se han centrado en correlacionar las curvas de intrusión de
mercurio con las curvas succión-humedad de materiales arcillosos (Prapaharan et al.,1985).
Por su parte, Romero et al. (1998) publican la permeabilidad, la curva succión-humedad y la
microestructura de la Boom Clay no saturada.
Actualmente se están abordando trabajos de correlación con la curva succión-humedad
considerando cambios en la distribución de tamaño de poros durante el ensayo succión-
humedad. También se correlacionan con conductividad hidráulica de suelos no saturados,
considerando los cambios de tamaño en los poros (Simms, 2002, Simms & Yanful, 2001, 2002,
2003, 2004).

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5. NORMATIVA EXISTENTE SOBRE POROSIMETRÍA DE MERCURIO
Norma ASTM D 4404-84 (reapproved 1992): "Standard Test Method for Determination of Pore
Volume and Pore Volume Distribution of Soil and Rock by Mercury Intrusion Porosimetry"
ISO 15901-1:2005: “Pore size distribution and porosity of solid materials by mercury
porosimetry and gas adsorption - Part 1: Mercury porosimetry”
Norma ASTM D 4284-03: “Standard Test Meted for Determining Pore Volume Distribution of
Catalysts by Mercury Intrusion Porosimetry”

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6. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO: AUTOPORE IV 9500 SERIES
El porosímetro de mercurio disponible en el
Laboratorio de Geotecnia del CEDEX es el modelo
AUTOPORE IV 9500 de la casa MICROMERITICS
(www.micromeritics.com/), cuya fotografía puede
verse en la figura 10.
Como ya se desarrollará posteriormente, el análisis
mediante porosimetría de mercurio consiste en dos
medidas secuenciales: análisis en baja presión y
análisis en alta presión, hasta la máxima presión
posible del equipo.
Este modelo cuenta con dos puertos de baja presión,
con posibilidad de ampliar a cuatro, así como un
puerto de alta presión, con posibilidad de ampliar a
dos.
Figura 10: Vista general del porosímetro de mercurio
del Laboratorio de Geotecnia del CEDEX
6.1 Puertos de baja presión
En la figura 11 se puede observar una imagen de detalle de los puertos de baja presión, cuyas
especificaciones se detallan a continuación:
Figura 11: Vista de detalle de los dos puertos
de baja presión del porosímetro
Especificaciones
Rango de presión: 0 a 50 psia (345 kPa)
Rango de diámetro de poro: 360 - 3,6 µm

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6.2 Puertos de alta presión
En la Figura 12 se ofrece una vista de detalle del puerto de
alta presión del porosímetro, cuyas especificaciones se
detallan a continuación:
Figura 12: Vista de detalle del puerto de
alta presión del porosímetro de mercurio
6.3 Los portamuestras o penetrómetros
Los penetrómetros (Figura 13) son recipientes portamuestras de vidrio con un extremo en
forma de pocillo, donde se introduce la muestra y otro extremo en forma de capilar recubierto
de una pintura metálica conductora. A través de este tubo capilar la muestra es sometida a un
proceso previo de evacuación, para eliminar los fluidos existentes en sus poros y
posteriormente, como respuesta a un aumento escalonado de la presión, el mercurio entra en
la muestra a través de este capilar.
Para que el ensayo sea lo más preciso posible, la
porosidad de la muestra estudiada debe
encontrarse entre el 20% y el 90% de la capacidad
del capilar. Dado que existe una amplia variedad
de porosidades en los diferentes tipos de
muestras, será necesario tener diversos
penetrómetros con diferentes diámetros y
volúmenes de capilar y bulbo.
Figura 13: Vista de detalle de un penetrómetro
o portamuestras
El diseño de los penetrómetros para muestras pulverulentas es diferente de los penetrómetros
de muestras sólidas. Cuando la muestra está en forma de polvo, el capilar se alarga en el
interior del bulbo para evitar que el polvo entre en el capilar durante la fase de evacuación, por
acción de la bomba de vacío.
La estructura de los penetrómetros permite medir en todo momento el volumen de mercurio
existente en el capilar y el volumen que va penetrando en la muestra por acción de la presión
aplicada. El tubo capilar adjunto al bulbo portamuestras es de vidrio, aislante eléctrico. Antes
de empezar el análisis, se llena de mercurio, conductor eléctrico. Por último, este tubo capilar
está recubierto con una pintura metálica conductora. La combinación de dos materiales
Especificaciones
Rango de presión:
Desde presión atmosférica hasta 33.000 psia (228 MPa)
Rango de diámetro de poro: 6 a 0,0055 µm
Precisión de los transductores:
+/-0,10% del rango de escala
Histéresis de los transductores:
0,05% del rango de escala

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conductores separados por una material aislante eléctrico genera un condensador, cuya
capacitancia es función de las áreas de los conductores, la constante dieléctrica del material
aislante y otros parámetros físicos, tal como indica la siguiente expresión:
sconductoreentreSeparación
sconductoreÁreaXaislantematerialdeladPermitivid
Capacidad = (17)
La unidad de medida de la capacitancia es el faradio.
En este condensador la única variable es el área del conductor interior, el mercurio. El mercurio
durante la curva de intrusión va introduciéndose en el bulbo portamuestras y en la red porosa
de la muestra por efecto de la presión, y abandona el tubo capilar, disminuyendo el área del
conductor y la capacitancia resultante. La capacitancia del tubo capilar es detectada por un
transductor colocado en la tapa, que transforma las señales en señales eléctricas
proporcionales. Estos detectores de capacitancia son extremadamente sensibles, permitiendo
detectar variaciones de volumen de mercurio en el capilar de hasta 0,1 μL (10-6
Litros).
Las medidas de capacitancia son transformadas a su vez en medidas de volumen de mercurio
conociendo con precisión las dimensiones del tubo capilar y las ecuaciones que gobiernan los
condensadores coaxiales. De hecho, cada penetrómetro adquirido, viene de fábrica con una
constante de calibración (μL/pF) para transformar las variaciones de capacitancia (pF) en
variaciones de volumen de mercurio (mL).
Existen diversos tipos de penetrómetros en función de su volúmen de intrusión, según el
tamaño de su capilar y del tamaño del bulbo donde se aloja la muestra, permitiendo estudiar
diferentes tamaños de muestra. La precisión en la medida del volumen de intrusión es de ± 1%
del rango de escala
Posibles volúmenes de intrusión (capilares): 0,38; 1,1; 1,7; 3,1 y 3,9 cm3
Tamaño de muestra máximo: Cilindro de 2,5 cm de diámetro y 2,5 cm de longitud
6.4 Los sistemas de seguridad del porosímetro de mercurio
Este tipo de aparatos que alcanzan tan elevadas presiones deben ir necesariamente equipados
con sistemas mecánicos o electromecánicos de seguridad con el fin de evitar sobrepresiones
inesperadas que generen incidentes no deseados. Los sistemas existentes en el equipo del
Laboratorio de Geotecnia son:
• El programa de ordenador que controla el porosímetro no admite que se le ordenen
presiones por encima de los límites establecidos por el fabricante.
• El propio porosímetro es incapaz de generar presiones por encima de las establecidas.
• El circuito se paraliza en el momento en que se produce un fallo en el ordenador.
• Como medida final de seguridad, los porosímetros contienen un disco de rotura que, en
caso de sobrepresión, proceden a romperse liberando el exceso de presión.

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6.5 Procedimientos de calibración
6.5.1 General
Tanto la evacuación de los fluidos de la muestra como el llenado del portamuestras al inicio del
ensayo precisan de un vacío, medido en todo momento por un transductor de vacío.
Para la evaluación de la porosidad a lo largo del ensayo se requiere la medida de dos señales:
la presión aplicada y el correspondiente cambio de volumen de Hg intruído a medida que
penetra en los poros de la muestra. La presión se detecta mediante un transductor de
presiones y el volumen de Hg mediante los cambios de capacitancia eléctrica en el
portamuestras o penetrómetro.
6.5.2 Calibración de la señal de presión
La presión se mide normalmente mediante transductores de presión electrónicos que vienen
calibrados de fábrica. La precisión de la medida de presión debería ser la menor de los
siguientes dos valores: ±1% de la escala total o ±2% de la lectura real. Se recomienda hacer
verificar periódicamente la calibración de los transductores por una organización acreditada.
6.5.3 Calibración de la medida de volumen
La precisión de la medida de volumen debe ser ±1% de la escala total de volumen medido. Se
recomienda hacer verificar periódicamente la calibración por una organización acreditada.
6.5.4 Calibración del transductor de vacío
La precisión de la medida de vacío normalmente no es tan crítica como la de los demás
parámetros. El sistema de vacío, sin muestra, debería ser capaz de llegar al menos a 3 Pa
(0,023 torr = 0,023 mm Hg = 23 μm Hg) y, en caso de ser posible, debería ser calibrado con un
margen de 1 Pa a este nivel.
6.5.5 Verificación del análisis del porosímetro
Se recomienda analizar regularmente una muestra de material certificado de referencia, para
verificar el buen funcionamiento del equipo y su calibración.

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7. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
7.1 Toma de muestras y portamuestras
La muestra debe ser representativa del conjunto del material y debe constituir una cantidad
apropiada. Cuando alguna de sus propiedades muestran una orientación preferente es
necesario tenerlo en cuenta y tener precauciones particulares. Se recomienda tomar cada
muestra por duplicado para usarla en caso de ser necesario repetir el análisis.
La forma de tomar muestras es diferente en función de la naturaleza física de la misma:
De un bloque o roca: Se pueden tomar diversas piezas representativas de tamaño
aproximadamente 1 cm3
de diferentes zonas del bloque o roca. Las muestras pueden cortarse
con una sierra, una broca o mediante fragmentación del bloque. Debe tenerse en cuenta que
las marcas generadas durante el corte con sierra o la fragmentación pueden ser interpretadas
como poros durante el análisis. Si existen macroporos de interés, se debe pulir la superficie con
un tamaño de grano máximo de 10 mm. Si existen poros pequeños de interés, deben ignorarse
los datos correspondientes a tamaños de poros superiores a 125 μm (0,125 mm). Las muestras
que hayan sido pulidas deben ser posteriormente lavadas para eliminar las partículas
adheridas, que pueden afectar al peso de la muestra y bloquear la entrada a poros. A
continuación las muestras deben ser secadas hasta pesada constante. En caso de muestras
susceptibles de hidratación, se pueden lavar con un líquido diferente del agua.
De un polvo: Las muestras de material granular o pulverulento pueden separarse mediante un
muestreador rotatorio o mediante cuarteo. Para ayudar a distinguir entre poros interpartícula e
intrapartícula, puede ser beneficioso tamizar la muestra por un tamiz que permita aclarar esta
distinción, asegurándose de que ello no hace perder representatividad a la muestra.
De una lámina o capa: De una lámina o capa se puede cortar una escama o recortar un
fragmento que quepa en el portamuestras. La lámina puede enrollarse en el bulbo,
manteniendo espacio entre las diferentes capas.
Como ya se ha descrito, las muestras pueden estudiarse en estado sólido inalterado (rocoso),
o pulverizadas. Para tener estas posibilidades debe disponerse de penetrómetros específicos
para muestra inalterada o rocosa y para muestra pulverizada. De cualquier forma, debe
estudiarse a priori la cantidad de muestra que puede introducirse en el penetrómetro o
portamuestras en función de las propiedades de ambos.
La cantidad de muestra requerida depende de su naturaleza. Se recomienda tomar la mayor
cantidad de muestra posible que quepa en el bulbo portamuestras. Sin embargo el volumen
total de poros debe estar comprendido dentro de los límites de medida del capilar especificados
anteriormente, es decir, entre el 25 y el 90% del volumen del capilar. En el caso de muestras
de las que se desconozca la porosidad, se realizará un ensayo preliminar para calcular la
cantidad óptima de muestra.
En la figura 14 se muestra un esquema de un penetrómetro con las dimensiones básicas que
se utilizan para el cálculo del máximo volumen de poros que puede ser medido.

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Figura 14: Esquema de un penetrómetro
Dimensiones del penetrómetro: I, H, y D
Máximo volumen que puede ser medido ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ ⋅
= I
D
·
4
2
π
(17)
Volumen total del capilar ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ ⋅
= H
D
·
4
2
π
(18)
El volumen de poros de la muestra no debe ser de menos del 25% del volumen del capilar del
penetrómetro y no debe exceder el 90% del mismo. Conociendo a priori algunas propiedades
del material a estudiar se puede seleccionar el penetrómetro que mejor se ajusta a sus
características.
Por ejemplo, una muestra que pesa 29 g, tiene una densidad de 8,9 g/cm3
y una porosidad
aproximada del 20%:
Volumen de muestra 3
26,3
9,8
29
3
cm
g
Densidad
Masa
cm
g
===
Volumen poros aprox. = porosidad · volumen muestra = 3,26 cm3
·20% = 0,652 cm3
Por lo tanto el penetrómetro más indicado será aquel que presenta un capilar de 1,131 cm3
. El
porcentaje de capilar que se vaciará en el análisis será %58
131,1
652,0
3
3
==
cm
cm
7.2 Pretratamiento de la muestra
En general, las muestras no precisan un pretratamiento antes de ser analizadas mediante
porosimetría de Hg. Sin embargo, en ocasiones es necesario, sobre todo si la muestra es
especialmente porosa o hidrofílica.
En general, antes de iniciar el análisis se realiza un tratamiento previo de evacuación de los
gases y vapores que se encuentran en el interior de los poros. Esta evacuación se puede llevar
a cabo más rápidamente en muestras que previamente hayan sido secadas en estufa. En el
apartado 3.2 de este informe se desarrollan las diferentes técnicas de secado de muestras.
Además, dado que las muestras son pesadas antes de introducirlas en el penetrómetro o
portamuestras, si éstas están secas (sin humedad higroscópica), la medida de la masa será

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mucho más exacta que las que se introduzcan con un cierto grado de humedad. El
pretratamiento también puede eliminar el material adsorbido (agua, moléculas orgánicas, etc.)
que pueden obstaculizar la entrada a poros accesibles.
Según la norma ISO 15901-1:2005, para optimizar el pretratamiento, se recomienda estudiar el
comportamiento térmico del material mediante algún método de análisis térmico
(termogravimetría, calorimetría de barrido diferencial, etc.) para determinar las temperaturas a
las que las diferentes sustancias se evaporan de la muestra, así como los posibles cambios de
fase que pueden afectar a la misma. En la mayoría de los casos, es suficiente con calentar la
muestra a 110ºC en un horno al vacío a 3 Pa durante 4 horas. De cualquier forma, es
fundamental asegurarse de que el pretratamiento de la muestra no afecta a la porosidad del
material (ISO 15901-1:2005).
Tras realizar un pretratamiento adecuado, la muestra puede ser desgasificada mediante
calentamiento y/o evacuación o mediante flujo de un gas inerte. Si la muestra presenta una
fuerte tendencia a apelmazarse con el mercurio, será necesario pasivar la superficie generando
en la misma una fina capa de óxido o cubriéndola con un polímero. Este no es el caso de los
suelos y rocas.
De cualquier forma, antes de comenzar un análisis es imprescindible registrar el peso de la
muestra.
7.3 Evacuación
Antes de empezar a introducir el mercurio en el interior de la red porosa de los materiales,
estos deben ser sometidos a un proceso de evacuación con el fin de eliminar de los poros los
gases y vapores contaminantes (generalmente de agua).
La evacuación puede programarse en función de la naturaleza de la muestra, para asegurarse
de que la estructura porosa no cambia. Si las muestras han sido previamente secadas en
estufa, el tiempo de evacuación se puede reducir drásticamente.
Es fundamental realizar esta fase con cuidado y a una velocidad adecuada, ya que una
velocidad de evacuación demasiado rápida podría destruir la estructura del material o no
extraer correctamente los vapores de la muestra. Por el contrario, una velocidad de evacuación
demasiado lenta alargaría considerablemente el tiempo de análisis, pero aseguraría su
eficacia.
El proceso de evacuación se realiza mediante cuatro fases (Ver figura 15). Cabe destacar la
necesidad de cambio de unidades de MPa, para describir presiones en el rango comprendido
entre la presión atmosférica y la máxima presión obtenida en el ensayo (228 MPa), a μm de Hg
para describir presiones de vacío, donde la unidad de MPa no es adecuada.

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1.- Evacuación controlada: Hasta obtener la presión-objetivo 0,0043 MPa
Velocidad de variación: 0,034 MPa/min
Válvulas abiertas (1) y (3) + Servoválvula
2.- Evacuación en dos fases: 0,0043 MPa - 900 μm Hg
Válvulas abiertas (3) y (8)
Cambio de transductor de presión (MPa) a transductor de vacío (μm Hg)
3.- Evacuación sin límites: Hasta obtener la presión-objetivo de 50 μm Hg
Válvulas abiertas (2), (3) y (8)
4.- Evacuación por un tiempo especificado: (5 minutos)
Válvulas abiertas (2), (3) y (8)
Figura 15: Esquema del sistema de baja presión del porosímetro

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7.4 Llenado del portamuestras con mercurio
Tras la fase de evacuación, es necesario mantener la baja presión programada, para transferir
el mercurio del contenedor al penetrómetro. Si el mercurio es desaireado durante el llenado, se
mantiene el vacío de la muestra y evita el atrapamiento de burbujas de aire.
Será necesario registrar la presión hidrostática del mercurio sobre la muestra en condiciones de
vacío para corregir la presión aplicada. Cuando el penetrómetro se encuentra en posición
vertical, la presión real de llenado será la presión aplicada más la presión hidrostática ejercida
por el mercurio. Esta presión hidrostática puede ser minimizada si el llenado se realiza en
posición horizontal, pero debe ser tenida en cuenta cuando posteriormente el penetrómetro se
coloca en posición vertical. Un valor típico de presión de llenado sería inferior a 5 kPa.
7.5 Análisis de baja presión
El análisis de baja presión se realiza:
En el intervalo comprendido entre (0-345 kPa (50 psia))
Resolución: 69 Pa (0,01 psi)
Diámetro de Poro: 360 - 36 μm
Estando aún la muestra sometida a vacío, se procede a introducir mercurio en el
portamuestras. En principio, dado que la presión existente (“Presión de llenado”) en el sistema
es muy baja, el Hg no debería entrar en la red porosa del material, y se limitaría a rodear la
muestra envolviéndola. Sin embargo, los poros muy grandes no son considerados poros para
el mercurio, sino superficie externa. Una presión de llenado de 0,5 psia (3,45 kPa) llenaría
cavidades de 360 μm mientras que una presión de llenado de 1,5 psia (10,35 kPa) llenaría
cavidades de 120 μm aproximadamente.
El volumen de mercurio que entra en el bulbo del portamuestras durante la presión de llenado,
permite calcular el volumen aparente de la muestra (volumen del bulbo – volumen de mercurio
correspondiente a la presión de llenado). A partir de estos datos, se puede calcular la densidad
aparente del fragmento introducido.
A continuación, se realiza el análisis de baja presión que consiste en aplicar de una forma
continua o escalonada las presiones mediante un gas seco e inerte (aire, nitrógeno o helio),
para forzar al mercurio a penetrar en los poros (Figura 16), de acuerdo a las condiciones de
equilibrio y de precisión requeridas. Tanto la presión como el volumen de mercurio intruido
quedan registrados. Al llegar a la máxima presión programada, se reduce a la presión
atmosférica y se transfiere el portamuestras al puerto de alta presión, no sin antes pesar el
conjunto “penetrómetro + muestra + Hg”.
En la figura 15 se pueden observar las válvulas que participan en el sistema de presión del
porosímetro de mercurio:
La válvula (4) se abre permitiendo aplicar la presión desde la bomba de N2 hasta el sistema.
La Servoválvula controla que efectivamente se produzca la presión deseada en el sistema
La válvula (1) comunica la presión controlada por la servoválvula a los puertos de baja presión.

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El volumen de poros en cada punto de la rampa de presiones se calcula determinando el
volumen de mercurio que continua en el capilar del penetrómetro, que a su vez se determina
mediante la capacitancia eléctrica de dicho penetrómetro.
El control de presión real en los puertos se lleva a cabo mediante un transductor de presión
(MPa) o un transductor de vacío, cuando la presión es inferior a 1000 μm Hg.
Figura 16: Relación entre la presión aplicada al mercurio y la porosidad ocupada.
(Webb, 2001b)

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7.6 Análisis de alta presión
El análisis de alta presión se realiza:
Entre la presión atmosférica y 228 MPa (33.000 psia)
Resolución: 689 Pa (0,1 psi) de 0 a 21 MPa (3000 psia)
1400 Pa (0,2 psi) de 21 MPa a 228 MPa (33000 psia)
Diámetro de Poro: 6 – 0,005 μm
Para realizar el análisis de alta presión, se introduce el portamuestras en un pozo, rodeado de
aceite que es el medio por el que se le comunican las altas presiones al penetrómetro.
Tras instalar el penetrómetro en el puerto de alta presión, se puede añadir mercurio si se
considera necesario, rellenando de nuevo la totalidad del capilar. Entonces se debe subir la
presión hasta el último valor alcanzado en el puerto de baja presión y registrar el volumen
intruido a esta presión, dado que las siguientes medidas de intrusión se calcularán a partir de
este volumen inicial.
En el puerto de alta presión, ésta se va incrementando de forma continua o escalonadamente
mediante un fluido hidráulico (aceite). De igual forma que en el puerto de baja presión, a
medida que el mercurio entra en la red porosa del material, la longitud del mismo en el capilar
disminuye. La variación proporcional de la capacitancia medida por el capacímetro permite
medir el volumen de mercurio que penetra en la roca correspondiente a cada escalón de
presión. También es posible registrar el volumen de mercurio a medida que disminuye la
presión, durante la curva de extrusión.
Al final del análisis, los datos de volumen de mercurio, tanto en baja como en alta presión, se
pueden representar en una gráfica correlacionándolos con los valores de presiones o sus
correspondientes tamaños de poro, en diámetro o radio de poro, calculados mediante la
ecuación de Washburn, indicado en el apartado 2.6.
La curva de volumen de intrusión acumulado de mercurio en función de la presión, que puede
transformarse en tamaño de poro mediante la ecuación de Washburn, suele presentar una
morfología similar a la que se muestra en la figura 17.
En el rango de bajas presiones, correspondiente a los tamaños de poro mayores, el mercurio
entra llenando los huecos interagregado e interpartícula . A continuación, el mercurio penetra
en poros de tamaño menor, intrapartícula, debido a la creciente presión aplicada. Finalmente,
en el rango de máximas presiones (100-200 MPa), la muestra se comprime de acuerdo a la
compresibilidad del material. En este último tramo, el volumen de mercurio medido no
corresponde únicamente al volumen de poros sino a la disminución de volumen de la muestra
por efecto de las altas presiones a las que se encuentra sometida.
Por esta razón, es recomendable corregir las curvas de intrusión de mercurio, como se
explicará más adelante en el apartado 8.4.

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Figura 17: Curva de intrusión de mercurio. En el eje X presión o tamaño de poro.
(Webb, 2001b)
7.7 Fase de extrusión
Después de llegar a la máxima presión definida en el ensayo, comienza una reducción
paulatina de la misma, permitiendo al mercurio salir de la red porosa del material. Debido a la
morfología de los poros y otros fenómenos físicos, la curva de extrusión no sigue generalmente
la misma trayectoria que la curva de intrusión2
. De hecho, la curva de intrusión y la curva de
extrusión contienen información diferente sobre la red porosa.
Antes de sacar la muestra del equipo, es importante asegurarse de que la presión en el interior
del puerto de alta presión ha vuelto a la presión atmosférica.
7.8 Blanco y corrección por compresibilidad de la muestra
El mercurio, la muestra y el portamuestras, así como otros componentes del sistema, sufren
una compresión de mayor o menor magnitud a elevadas presiones. La corrección de la
compresibilidad es justificable cuando la porosidad es baja, la muestra es relativamente
compresible o cuando se requieren resultados fiables a altas presiones. El mercurio sufre
expansión térmica debido al aumento de temperatura originado por el incremento de la presión.
Por otro lado, la muestra también tiende a sufrir una expansión térmica por este aumento de la
temperatura, pero este efecto queda anulado por la compresión de la muestra.
Para corregir todos los efectos debidos a las altas presiones, se realiza un blanco, usando el
mismo penetrómetro y las mismas condiciones de análisis, pero sin muestra. En realidad, lo
ideal sería analizar una muestra de las mismas características físico-químicas y tamaño pero
no-porosa. Lamentablemente este tipo de muestras de referencia no existen en suelos y rocas.
Los procesos de transferencia de calor, que tienen lugar en el sistema durante el blanco debido
a la presurización y despresurización, dan lugar a cambios de volumen y densidad. Cuando
2
Ver comentarios sobre la histéresis en apartado 7.9

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posteriormente se realiza un análisis en una muestra porosa, es conveniente realizar una
corrección por blanco, restándole así los efectos del mercurio, aceite, portamuestras y el
propio puerto de alta presión.
Un blanco consiste en realizar un análisis con el portamuestras o penetrómetro vacío, sin
muestra, en las mismas condiciones y la misma rampa de presiones que luego se usarán para
analizar la muestra. De hecho, debe existir un blanco por cada portamuestras y por cada tipo
de condiciones de análisis. Posteriormente es posible restar a la curva de intrusión de una
muestra analizada, la curva del blanco del penetrómetro utilizado. De esta forma es posible
corregir todos los artefactos introducidos en la curva por efecto de las altas presiones que se
alcanzan durante el análisis.
7.9 El fenómeno de histéresis
Como ya se ha mencionado anteriormente, la curva de extrusión del mercurio no coincide con
la curva de intrusión, dando lugar a una histéresis que tiene fundamentalmente dos causas:
• Variaciones del ángulo de contacto
• Atrapamiento del mercurio durante la extrusión
7.9.1 Histéresis debida a variación del ángulo de contacto
El ángulo de contacto de avance (θA) del mercurio es generalmente superior al ángulo de
contacto de retroceso (θR). Esta es razón suficiente para justificar el hecho de que la curva de
extrusión sea diferente de la curva de intrusión.
Una de las limitaciones de esta técnica consiste en que el ángulo de contacto del mercurio
varía a medida que el mercurio penetra en el interior del sólido por efecto de la presión. Este
problema se pone más claramente de manifiesto al salir el mercurio de los poros durante la
rama de extrusión, al producirse la disminución de la presión. Diversos autores (Lowell &
Schield, 1981; Kloubek, 1983; Huisman, 1983) estudian la variación existente entre el valor del
ángulo de contacto entre una superficie fresca y otra previamente cubierta con mercurio. Estas
variaciones de ángulo de contacto pueden llegar a ser tan grandes que si se corrigieran, no
existiría ciclo de histéresis.
Si se realizan sucesivos ciclos de intrusión-extrusión, la primera curva de intrusión será
diferente del resto de las curvas de penetración, debido a la diferencia existente entre el ángulo
de contacto de una superficie no ensayada y el de una superficie que ha estado en contacto
con el mercurio previamente.
7.9.2 Histéresis debida al atrapamiento de mercurio en el interior de poros
Durante la retirada del mercurio debido a la reducción de la presión aplicada puede producirse
un atrapamiento de éste en los poros de gran tamaño si los poros que le rodean son de menor
tamaño y drenan antes. En tal caso, el mercurio queda rodeado de gas y no drenará
(Androutsopoulos & Mann, 1979). Al finalizar el ensayo y alcanzarse de nuevo la presión
atmosférica, un porcentaje de mercurio queda atrapado en el interior de los poros de la muestra
(Figura 18).

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Figura 18: Atrapamiento de mercurio en los poros
El atrapamiento del mercurio en el interior de los poros se justifica por la presencia de grandes
cavidades conectadas por conexiones de menor tamaño, conocidos como poros con cuello de
botella. Aunque los poros grandes se deberían llenar a presiones relativamente bajas según la
ecuación de Washburn, un poro de gran tamaño conectado por una entrada de tamaño menor
no se llenará hasta que la presión sea suficiente para pasar la conexión.
En la figura 19, la presión requerida para forzar a entrar al
mercurio en un poro en forma de cuello de botella de radio
R1 se expresa mediante la ecuación:
1
1
cos2
R
P
θσ
−=
Posteriormente, durante la extrusión, la conexión de
tamaño pequeño se vacía a la misma presión que se llenó,
pero el poro de gran tamaño permanece lleno. El mercurio
no puede abandonar el poro de radio R2 hasta que la
presión no haya descendido por debajo de un valor P2,
cuya expresión es:
2
2
cos2
R
P
θσ
−= .
Figura 19: Atrapamiento de mercurio en los poros
Por definición R1 es inferior a R2 y, por tanto, la presión P1 necesaria durante la intrusión será
superior a la presión P2 necesaria durante la extrusión (Figura 19).
De esta forma el mercurio deja de ser una fase continua en el interior de la red porosa, y deja
volúmenes de mercurio aislados en el interior de poros de conexión menor (“Poros cuello de
botella”)
En resumen: el tamaño de la conexión determina la presión a la que entra el mercurio en el
interior del poro durante el proceso de intrusión, pero la conectividad y el tamaño de poro
determina la extrusión del mercurio cuando la presión baja.

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A efectos prácticos, la existencia de histéresis en la curva resultante de intrusión de mercurio
implica que para un mismo valor de presión, existe una diferencia entre el volumen de poros
ocupado durante la intrusión de mercurio y el ocupado durante la extrusión, que puede llegar a
ser considerablemente mayor.
En la figura 20 se puede observar una histéresis típica de una bentonita.
Figura 20: Histéresis típica de una bentonita
Si durante la extrusión, parte del mercurio es retenido en el interior del sistema poroso, las
curvas obtenidas durante la extrusión no deben ser usadas para establecer la curva de
distribución de tamaños de poros. La proporción de mercurio retenido solamente puede ser
usada para un control de calidad de la cantidad de poros con cuello de botella existentes en el
sistema.
PoresizeD iameter (µm)
CumulativeIntrusion(mL/g)
Intrusi on for Cycle1 Extrusionfor Cycle 1
Cumulative Intrusion vsPore size

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8. PARÁMETROS DETERMINADOS MEDIANTE POROSIMETRÍA DE INTRUSIÓN DE
MERCURIO
La porosimetría de mercurio es una técnica que permite estudiar la red porosa de los
materiales en un rango que oscila entre 0,003 y 360 μm, lo que implica poder estudiar tamaños
en un rango de cinco ordenes de magnitud.
Pero esta técnica no sólo resulta de enorme interés por cubrir un rango de tamaño de poro tan
amplio, sino porque los datos que proporciona (volumen de mercurio intruído en función de la
presión aplicada) son indicativos de diversas características del espacio poroso y pueden
correlacionarse con diferentes propiedades físicas del material.
8.1 Parámetros generales de la muestra
Volumen total de intrusión: Volumen total de mercurio introducido en la muestra durante el
ensayo, medido en mL/g muestra. El volumen total introducido de mercurio incluye el llenado
interpartícula y los efectos de la compresibilidad del material. Esto implica una sobre-estimación
del volumen total de poros y del área total de poros, por lo que son necesarias algunas
correcciones con blancos y sustracción del volumen interpartículas.
Área total de poros: La técnica de la porosimetría de mercurio se basa en el modelo de
Washburn, que supone que la geometría de los poros es cilíndrica. Partiendo de estas
premisas, es posible calcular el área de los poros (A) correspondiente a cada incremento de
volumen de poros mediante la ecuación:
D
V
A
4
= (19)
donde:
D es el diámetro de poro correspondiente a la presión aplicada y
V es el volumen de poros deducido del volumen de Hg introducido a dicha presión.
Existe un modelo más moderno de cálculo del área de poros (A) que parte de la expresión del
trabajo reversible (W) requerido para introducir una unidad de área de la superficie de un sólido
en mercurio. Este es:
dAdW
AW
L
Llsvs
⋅⋅=
⋅⋅=−= −−
θγ
θγγγ
cos
cos
(20)
Donde γs-v es la tensión superficial de la superficie sólido-vacío
γs-l es la tensión superficial de la superficie sólido-mercurio
γL es la tensión superficial del mercurio
θ es el ángulo de contacto entre la superficie del sólido y el mercurio
Como en el porosímetro de mercurio el trabajo es debido a la aplicación de una presión (P) que
fuerza a un volumen de mercurio a introducirse en la muestra, se puede sustituir W por P·dV y
deducir el área de poros mediante la relación:

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∫ ⋅
=
⋅
=
⋅⋅=
θγ
θγ
θγ
cos
cos
cos
L
L
L
PdV
A
PdV
dA
dAPdV
(21)
Volumen de poros específico: Es el volumen total de poros por gramo de muestra (mL/g). Es
el máximo volumen de mercurio que penetra como respuesta a la aplicación de la máxima
presión del ensayo.
Diámetro medio de poro (en función del volumen): El diámetro medio de poro (μm) se
define como el correspondiente al percentil del 50% del volumen de poros en la curva
acumulada, esto es, el diámetro para el cual el 50% del volumen de poros es mayor y el 50%
restante es menor. Es el diámetro de poro que corresponde al valor medio del volumen
específico de intrusión.
Diámetro medio de poro (en función del área): Es el diámetro de poro que corresponde al
valor medio del área total.
Valor medio de diámetro de poro (4V/A): Se calcula a partir del volumen total introducido y
del área total de poros:
porosdetotalArea
porosdetotalVolumen·4
(22)
Densidad aparente del clasto o fragmento de muestra a 0,0029 MPa: La densidad de
conjunto se calcula con el volumen de la muestra más los poros no penetrados a la presión de
interés. Generalmente se calcula al inicio del análisis, cuando se llena el penetrómetro con Hg.
El equipo reduce la presión del sistema hasta 0,0029 MPa e introduce mercurio en el
portamuestras junto con la muestra. Dado que el mercurio es un fluido no humectante, no
penetrará en la muestra a no ser que se le aplique una presión. Por ello, se considera que a
una presión tan baja, el mercurio no ha penetrado en ningún poro y se ha limitado a rodear la
muestra envolviéndola. Entonces es posible determinar el volumen del fragmento introducido a
partir del volumen del portamuestras vacío y el volumen de mercurio que ha penetrado:
c
c
Hgropenetrómet
c
V
W
VV
W
clastoDensidad =
−
= (23)
donde:
Wc: es el peso del clasto o fragmento introducido en el penetrómetro
Vpenetrómetro: es el volumen del penetrómetro calculado anteriormente
VHg: es el volumen de mercurio introducido en el penetrómetro a 0,0029 MPa
Vc: es el volumen aparente del clasto o fragmento introducido en el penetrómetro
Densidad aparente del esqueleto: La densidad aparente es la calculada a la presión máxima
del ensayo, con el volumen del sólido más los poros que no han sido penetrados a esta presión
máxima. También denominada “Peso específico aparente” por algunos autores, este peso
específico aparente surge de la premisa de que cuando la curva de intrusión de mercurio ha
llegado a su máxima presión (228 MPa) y el mercurio ha penetrado en el mínimo tamaño
posible de poro (0,005 μm), el volumen restante de clasto es sólido. Dado que esta premisa

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rara vez es cierta (siempre existen poros de tamaño inferior al tamaño mínimo de intrusión del
mercurio o poros aislados, no conectados), el peso específico calculado por el porosímetro es
siempre menor al real:
totc
c
aps
VV
W
aparenteespecíficoPeso
−
=.γ (24)
donde:
Wc: es el peso del clasto o fragmento introducido en el penetrómetro
Vc: es el volumen aparente del clasto o fragmento introducido en el penetrómetro
Vtot es el volumen total de poros
Porosidad referida al volumen de clasto:. La porosidad total (n) se define como la relación
entre el volumen total de poros y el volumen total de la muestra, incluyendo todos los poros.
100×=
c
tot
V
V
n
Porcentaje de capilar usado del penetrómetro: Al principio del ensayo, este capilar se llena
de Hg y a medida que va transcurriendo el análisis, el mercurio abandona este capilar
empujado por la presión aplicada y penetra en los poros de la muestra. La variación de
volumen de Hg en el interior del capilar provoca una variación de capacitancia del sistema.
Esta propiedad es muy sensible y permite una resolución de menos de 0,1 mL. Se considera
un ensayo correcto, con un resultado fiable cuando este porcentaje se encuentra entre 25 y
90%.
8.2 Descripción de la estructura porosa
Presión umbral (Pt): Es la presión a la cual el fluido empieza a percolar atravesando el medio
poroso. Se considera que el punto de inflexión de la curva de intrusión acumulada corresponde
a la presión a la cual el mercurio comienza a atravesar la muestra, comenzando el proceso de
precolación (Katz & Thompson, 1986, 1987).
Longitud característica (Lc): Es el diámetro de poro correspondiente a la presión umbral
definida anteriormente (Pt). Se encuentra descrita por Katz & Thompson (1986, 1987).
Distribución de tamaño de partícula: Independientemente de la morfología real de las
partículas, esta distribución de tamaño de partículas corresponde a esferas. Aplicando el
modelo matemático de Pospech & Schneider (1989) a partículas esféricas, se busca la curva
de distribución de tamaño de partículas esféricas que mejor reproduce la curva experimental de
intrusión de mercurio. La unidad de tamaño será por tanto un “tamaño de esfera equivalente”.
Relación entre tamaño de poro y tamaño de conexión: En ocasiones huecos o canales de
pequeño tamaño pueden conectar poros de mayor tamaño en el interior del material. A los
primeros se les llama “conexiones” y a los segundos “poros”.
En la figura 21 se puede observar una histéresis típica en la curva de extrusión de una
bentonita. Durante el proceso de intrusión, cuando se llega a la presión Px, correspondiente al
tamaño de poro Dx, ha penetrado un volumen de Hg Vx, correspondiente a la suma de todos
los poros llenados hasta el momento. Posteriormente, se llega a una presión superior Pz,
(diámetro de poro Dz) y ha entrado un volumen de mercurio Vz. Durante la extrusión, debido a

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la histéresis producida por los efectos “cuello de botella” cuando se pasa por la presión Px, hay
mucho más volumen de Hg en el interior de los poros que durante la intrusión. Es necesario
reducir hasta una presión muy inferior para llegar al mismo volumen de mercurio (Pw
equivalente a un diámetro Dw). La relación entre tamaño de conexión y tamaño de poro se
expresa matemáticamente como la relación entre los tamaños de poro en las curvas de
intrusión y extrusión correspondientes a un mismo volumen de mercurio: Dx/Dw
Es importante resaltar que este cálculo no relaciona el tamaño de cada tamaño de poro con el
de la conexión que accede a él y por el que le ha entrado el mercurio, más bien relaciona la
fracción de porosidad que se ha llenado con el tamaño que controla este estado durante la
intrusión y la extrusión.
Figura 21: Histéresis en la curva de extrusión del mercurio
Factor de formación de la conductividad (σ / σ0): Relación entra la conductancia de la
muestra objeto de estudio para una longitud característica (σ) y la conductancia de la salmuera
en el espacio poroso (σ0), según lo establecido por Katz & Thompson (1986, 1987).
Constante de permeabilidad C: Según el modelo de Katz y Thompson (1986), esta constante
equivale a 1/226 = 0,00442.
Permeabilidad: Existen dos opciones de cálculo de la permeabilidad:
a) Conociendo el factor (σ/σ0): ( )
0
2
0
2
226
1
··
σ
σσσ ⋅== cc LLCk (25)
donde k es la permeabilidad absoluta en términos de conductividad de la roca
PoresizeD iameter (µm)
CumulativeIntrusion(mL/g)
Intrusi on for Cycle1 Extrusionfor Cycle 1
Cumulative Intrusion vsPore size

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MINISTERIO
DE FOMENTO
MINISTERIO
DE MEDIO AMBIENTE
Y MEDIO RURAL
Y MARINO
CENTRO DE ESTUDIOS
Y EXPERIMENTACIÓN
DE OBRAS PÚBLICAS
Lc es la longitud característica definida anteriormente
C es la constante de permeabilidad, que por defecto es 1/226 = 0,00442 pero puede ser
modificada por el usuario
(σ/σ0): El factor de formación de la conductividad es la relación entra la conductancia de la
muestra objeto de estudio para una longitud característica (σ) y la conductancia de la salmuera
en el espacio poroso(σ0).
b) No conociendo el factor (σ/σ0):
( ) ( ) ( ) max
max2
maxmax
max ·····891
89
1 SLV
L
L
LLS
L
L
k cHg
cc
γ=Φ⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛⋅= (26)
max
2
0 ·LC
k
=
σ
σ
Es necesario conocer:
La longitud característica Lc.
La longitud (tamaño de poro) Lmax para la cual la conductancia hidráulica es máxima.
La fracción de la porosidad total (φ) llena de mercurio en las condiciones determinadas por Lmax
(φ·S(Lmax)).
VHg: Volumen total específico de mercurio penetrado: Es el volumen total de poros por gramo
de muestra, calculado dividiendo el volumen total de Hg introducido entre el peso de la
muestra.
γc: Densidad seca aparente del fragmento de muestra estudiado.
Factor de tortuosidad (TF): Definida mediante la ecuación de Carniglia (1986):
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ Δ
= ∑ SD
I
TF
i
i 4
·92.0 (27)
Donde:
ΔIi Es la diferencia de volumen específico de intrusión de dos puntos adyacentes Ii – Ii-1
D es el tamaño medio de poro entre dos puntos adyacentes:
2
1−+
= ii DD
D
S es la superficie específica del material determinada mediante el método BET3
Ii es el volumen de intrusión específico correspondiente al punto i
Di es el diámetro de poro correspondiente al punto i
Itot es el volumen específico total de intrusión
Tortuosidad: Según la ecuación propuesta por Hager et al. (1997) y Hager (1998):
3
Método de cálculo de superficie específica a partir de las isotermas de adsorción, denominado BET por las
iniciales de sus autores que lo publicaron por primera vez en 1938: S. Brunauer, P. H. Emmett and E. Teller (1938):
“Adsorption of gases in multimolecular layers” J. Am. Chem. Soc., 60, 309

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