Equivalente de arena: ensayo, fórmula y procedimiento

El ensayo de equivalente de arena permite evaluar rápidamente la presencia relativa de finos de comportamiento arcilloso o plástico y polvo en suelos granulares y agregados finos. Es especialmente útil en el control de materiales para pavimentos, bases, subbases y mezclas asfálticas, donde una fracción fina inadecuada puede afectar el comportamiento del material frente al agua y las cargas.

El resultado se expresa mediante un índice porcentual obtenido a partir de dos lecturas en una probeta graduada: la altura correspondiente al sedimento de arena y la altura superior de la suspensión de finos. Un valor de equivalente de arena más alto representa, en términos generales, una mayor proporción de partículas de comportamiento arenoso respecto de los finos suspendidos.

El equivalente de arena no es un análisis granulométrico y tampoco indica directamente qué porcentaje de la muestra es arcilla. Es un índice empírico de limpieza y calidad relativa de la fracción ensayada.

¿Qué es el equivalente de arena?

El equivalente de arena, normalmente identificado como EA o SE por su denominación en inglés Sand Equivalent, es un valor que relaciona la altura del material arenoso sedimentado con la altura alcanzada por la suspensión de partículas finas después de aplicar un procedimiento normalizado.

Normas como ASTM D2419 utilizan el ensayo como una prueba rápida de correlación para estimar la cantidad relativa, finura y carácter de materiales semejantes a la arcilla presentes en suelos granulares y agregados finos que pasan el tamiz de 4.75 mm, No. 4.

La prueba resulta especialmente útil para detectar cambios en la calidad de un agregado durante su producción, acopio o colocación. No determina por sí sola si un material es aceptable: el valor obtenido debe compararse con la especificación técnica correspondiente a la obra.

¿Qué mide realmente el ensayo?

Durante la prueba, la muestra se mezcla con una solución de trabajo que ayuda a separar de la superficie de los granos las partículas finas y favorece su suspensión. Después de la agitación, irrigación y sedimentación se forman dos zonas que permiten efectuar las lecturas.

• Lectura de arena: representa el nivel del sedimento arenoso determinado mediante el dispositivo de lectura especificado.
• Lectura de arcilla: corresponde al nivel superior de la suspensión de material fino después del periodo de sedimentación.

El nombre tradicional de “lectura de arcilla” puede resultar engañoso. La zona suspendida no contiene necesariamente arcilla pura. Puede incluir partículas de tamaño arcilla, limo, polvo mineral y otros finos cuyo comportamiento depende de su naturaleza mineralógica y de las condiciones del ensayo.

Por esa razón, el equivalente de arena debe interpretarse como un indicador empírico de la limpieza del material, no como un análisis mineralógico ni como una medición directa del porcentaje de arcilla.

Qué no determina el equivalente de arena

Conviene separar este ensayo de otras pruebas que responden preguntas diferentes.

• No determina la distribución granulométrica completa del suelo o agregado.
• No calcula directamente el porcentaje que pasa el tamiz No. 200.
• No separa cuantitativamente limo y arcilla.
• No identifica los minerales presentes en los finos.
• No determina límites líquido y plástico.
• No mide por sí solo capacidad de soporte, CBR, compactación o resistencia.
• No detecta específicamente impurezas orgánicas.

Si se necesita conocer la distribución de tamaños, deben realizarse los ensayos granulométricos correspondientes. Si interesa la plasticidad, son necesarios los límites de Atterberg cuando sean aplicables. Para caracterizar determinados finos de trituración también pueden requerirse pruebas complementarias, según la especificación utilizada.

¿Para qué sirve la prueba de equivalente de arena?

Su principal aplicación es el control de materiales granulares y agregados en los que una presencia excesiva de finos de comportamiento arcilloso puede ser perjudicial.

• Control de agregados finos para obras viales.
• Evaluación de materiales para bases y subbases cuando la especificación lo exige.
• Control de materiales pétreos destinados a mezclas asfálticas.
• Seguimiento de la uniformidad de un banco, cantera o planta de trituración.
• Comparación de lotes de un mismo material bajo un procedimiento normalizado.
• Verificación de requisitos establecidos en especificaciones de construcción.

En pavimentos, este ensayo forma parte del conjunto de controles que permiten evaluar los materiales utilizados en las distintas capas. Para ampliar ese contexto puede consultarse el artículo sobre tipos y estructura de pavimentos.

Equipo utilizado en el ensayo

El equipo exacto depende de la norma aplicada, pero en métodos derivados de ASTM D2419 es habitual utilizar los siguientes elementos:

• Cilindro o probeta graduada transparente para equivalente de arena.
• Tapón compatible con la probeta.
• Dispositivo de sifón.
• Tubo irrigador.
• Recipiente para la solución de trabajo.
• Embudo.
• Recipiente volumétrico normalizado para preparar el espécimen.
• Dispositivo lastrado o conjunto de pie y varilla para determinar la lectura de arena.
• Agitador mecánico, agitador manual normalizado o método manual cuando la norma lo permita.
• Cronómetro.
• Tamiz No. 4 de 4.75 mm cuando corresponda al método empleado.
• Utensilios para reducción, mezcla y preparación representativa de la muestra.

No es correcto describir esta prueba como una serie de tamizados en los que se pesa el material retenido en diferentes mallas. Ese procedimiento corresponde al análisis granulométrico y persigue un objetivo distinto.

Preparación de la muestra

La muestra debe ser representativa del material que se pretende evaluar. La reducción y preparación deben realizarse según el método normativo adoptado para evitar segregación o pérdida de finos.

En ASTM D2419, el ensayo se aplica al material que pasa el tamiz de 4.75 mm, No. 4. Sin embargo, no debe suponerse que todas las normas internacionales trabajan exactamente con la misma fracción. La EN 933-8, por ejemplo, utiliza como referencia la fracción 0/2 mm y contempla condiciones específicas para otras fracciones.

Por ese motivo, no conviene tomar una masa fija como “120 g” y aplicarla a cualquier procedimiento. Algunas normas preparan el espécimen mediante un recipiente de volumen normalizado y establecen condiciones particulares de humedad, secado y acondicionamiento.

Solución utilizada para el equivalente de arena

Los métodos ASTM y otros procedimientos relacionados utilizan una solución de trabajo a base de cloruro de calcio, preparada a partir de una solución concentrada conforme a las proporciones y reactivos indicados por la norma.

No debe sustituirse por agua sola ni prepararse mediante proporciones de cemento, arena y grava. La solución forma parte integral del método y cualquier modificación puede alterar el resultado.

Algunas formulaciones normalizadas emplean sustancias que requieren precauciones específicas de manipulación. Por ello, cuando el laboratorio prepare sus propios reactivos debe utilizar la versión vigente de la norma, las fichas de datos de seguridad de los productos y los controles de seguridad correspondientes. También pueden utilizarse soluciones comerciales preparadas para el ensayo cuando cumplan el método aplicado.

Procedimiento del ensayo de equivalente de arena

Los tiempos, dimensiones y equipos cambian ligeramente entre normas. El siguiente procedimiento explica el principio utilizado en ASTM D2419 y métodos relacionados, pero para un ensayo contractual deben respetarse literalmente los requisitos de la norma indicada en las especificaciones del proyecto.

1. Preparar la muestra. Se obtiene una porción representativa de la fracción requerida por la norma y se acondiciona según el procedimiento aplicable.
2. Agregar la solución de trabajo. Se introduce en la probeta graduada la cantidad especificada de solución.
3. Introducir el espécimen. El material se vierte cuidadosamente mediante un embudo para evitar pérdidas.
4. Eliminar aire atrapado y humedecer. Se golpea o manipula la probeta de la forma establecida para favorecer el contacto de la solución con toda la muestra.
5. Dejar en remojo. En ASTM D2419 el espécimen humedecido permanece sin perturbación durante aproximadamente 10 minutos antes de la agitación.
6. Agitar la probeta. ASTM D2419 permite métodos normalizados de agitación. El agitador mecánico trabaja durante aproximadamente 45 segundos. En el método manual directo, la norma establece 90 ciclos en aproximadamente 30 segundos y un recorrido controlado.
7. Irrigar la muestra. Se introduce el tubo irrigador mientras circula la solución, desprendiendo y elevando los finos hasta dejarlos en suspensión sobre las partículas más gruesas.
8. Ajustar el nivel de líquido. La probeta se llena hasta la graduación indicada por el método.
9. Dejar sedimentar. En ASTM D2419 el cilindro permanece inmóvil durante 20 minutos, con la tolerancia establecida por la norma.
10. Tomar la lectura de arcilla. Se registra la altura superior de la suspensión de finos.
11. Tomar la lectura de arena. Se introduce suavemente el dispositivo lastrado hasta apoyarlo sobre el sedimento arenoso y se obtiene la lectura conforme al diseño del equipo.
12. Calcular el equivalente de arena. Ambas lecturas se relacionan mediante la fórmula correspondiente.

No debe mezclarse un tiempo de agitación tomado de ASTM con una fracción granulométrica de EN 933-8 y luego aplicar un límite de aceptación procedente de otra especificación. El resultado solo es comparable cuando preparación, reactivos, equipo, ejecución y criterio de reporte pertenecen al mismo método.

Fórmula del equivalente de arena

La relación básica se expresa como:

EA (%) = (Lectura de arena / Lectura de arcilla) × 100

Donde:

• EA: equivalente de arena.
• Lectura de arena: nivel correspondiente al sedimento de arena determinado con el dispositivo de lectura.
• Lectura de arcilla: altura del nivel superior de la suspensión de finos después del tiempo normalizado de sedimentación.

Las dos lecturas deben utilizar la misma unidad. Si ambas están en milímetros, centímetros o pulgadas, la relación es adimensional y el resultado porcentual será el mismo.

Ejemplo de cálculo

Supóngase un ensayo con las siguientes lecturas:

Aplicando la fórmula:

EA = (58 / 82) × 100 = 70.7 %

El cálculo sin redondear produce aproximadamente 70.7 %. La forma definitiva de reportarlo depende de la norma utilizada. ASTM D2419-22 establece que, cuando el resultado calculado no sea entero, se reporte el siguiente número entero superior; en ese caso sería EA = 71.

Este resultado no significa que la muestra contenga 29 % de arcilla. El índice únicamente expresa la relación obtenida mediante el procedimiento normalizado.

Cómo interpretar un equivalente de arena alto o bajo

La interpretación es relativa y depende del material. Un agregado triturado puede contener polvo mineral de tamaño muy pequeño que no sea mineral de arcilla y aun así afectar el resultado del ensayo. Cuando esto sea importante para la decisión técnica, deben utilizarse pruebas complementarias adecuadas.

¿Cuál es el equivalente de arena mínimo permitido?

No existe un valor mínimo universal. El requisito depende del país, organismo, tipo de material, capa del pavimento, mezcla y especificación contractual.

Una base granular, un agregado para concreto, una mezcla asfáltica y un material de relleno no deben evaluarse automáticamente con el mismo límite. Tampoco es correcto concluir que cualquier muestra con un valor inferior a 40, 50 o 60 es inservible sin identificar primero la especificación aplicable.

La forma correcta de evaluar el resultado consiste en:

• Identificar el uso previsto del material.
• Determinar la norma con la que se efectuó el ensayo.
• Consultar la especificación técnica que fija el valor mínimo para ese uso.
• Comprobar que el procedimiento de laboratorio sea compatible con dicha especificación.

Diferencia entre equivalente de arena y tamiz No. 200

Ambos ensayos aportan información relacionada con los finos, pero no miden lo mismo.

Dos agregados con un porcentaje similar pasando el tamiz No. 200 pueden mostrar comportamientos diferentes en equivalente de arena debido a la naturaleza y actividad de esos finos. Por esa razón ambos resultados pueden ser complementarios.

¿El equivalente de arena separa limo y arcilla?

No. La prueba no proporciona porcentajes independientes de limo y arcilla. La denominada “lectura de arcilla” corresponde al nivel superior de una suspensión de partículas finas generado por el propio procedimiento.

Para diferenciar tamaños de partículas más pequeñas que las que pueden resolverse mediante tamizado se requieren otros métodos de caracterización, y para identificar minerales arcillosos pueden ser necesarios ensayos mineralógicos específicos.

Equivalente de arena SCT y SICT en México

La expresión “equivalente de arena SCT” aparece con frecuencia en búsquedas, informes y documentos mexicanos. En este contexto, SCT no significa Standard Calibration Test.

SCT era la abreviatura de la antigua Secretaría de Comunicaciones y Transportes. Desde 2021 la dependencia se denomina Secretaría de Infraestructura, Comunicaciones y Transportes, SICT.

La normativa mexicana de la SICT incluye métodos de muestreo y prueba para materiales de pavimentos. Dentro del apartado de materiales pétreos para mezclas asfálticas existe específicamente el capítulo dedicado al Equivalente de Arena de Materiales Pétreos para Mezclas Asfálticas. Debido a que las versiones normativas pueden actualizarse, debe consultarse el documento vigente en el repositorio oficial antes de utilizarlo contractualmente.

Normas utilizadas para el equivalente de arena

La designación que debe utilizarse depende del país y de las especificaciones de la obra. Entre las referencias más habituales se encuentran:

Las normas no deben considerarse automáticamente intercambiables. Aunque todas parten de un principio semejante, pueden variar la fracción ensayada, preparación, solución, equipos, agitación, forma de lectura, redondeo y criterio de aceptación.

Errores que pueden alterar el resultado

• Tomar una muestra que no represente adecuadamente el lote.
• Perder partículas finas durante la preparación.
• Utilizar una solución de trabajo incorrecta, contaminada o preparada fuera de especificación.
• Aplicar tiempos de remojo, agitación o sedimentación diferentes a los establecidos.
• Agitar con una amplitud o frecuencia inadecuada.
• No desprender correctamente los finos adheridos durante la irrigación.
• Mover o someter a vibraciones la probeta durante la sedimentación.
• Confundir la lectura aparente del dispositivo con la lectura real de arena.
• Presionar excesivamente el conjunto lastrado sobre el sedimento.
• Mezclar criterios de cálculo o redondeo pertenecientes a normas diferentes.
• Comparar el resultado con un valor mínimo que corresponde a otro material o aplicación.

Qué hacer cuando el equivalente de arena es bajo

Un resultado inferior al límite especificado no debe corregirse cambiando arbitrariamente el procedimiento del ensayo. Primero debe comprobarse la representatividad de la muestra y que el laboratorio haya aplicado correctamente la norma.

Si el resultado se confirma, la solución depende del origen del problema. Entre las alternativas que pueden estudiarse están mejorar el procesamiento y lavado del agregado, modificar la fuente de suministro, controlar la contaminación durante el acopio o combinar materiales cuando la especificación y el diseño lo permitan.

La decisión debe tomarse sobre el material real y su uso previsto. El equivalente de arena es una herramienta de control, no un método para justificar automáticamente la aceptación o rechazo de cualquier suelo.

Preguntas frecuentes

¿Qué significa un equivalente de arena de 60?

Significa que, mediante el procedimiento utilizado, la lectura de arena representa aproximadamente el 60 % de la lectura superior de la suspensión de finos. No significa que la muestra contenga 60 % de arena y 40 % de arcilla en masa.

¿Mientras mayor sea el equivalente de arena, mejor es el agregado?

Dentro de un mismo tipo de material y método, un valor mayor generalmente indica menor influencia relativa de finos de comportamiento arcilloso. Sin embargo, la aceptación depende de la especificación y otros ensayos de calidad del agregado.

¿Todo lo que pasa el tamiz No. 200 se considera arcilla?

No. El material menor de 75 µm puede incluir limo, minerales arcillosos, polvo de trituración y otras partículas. El tamaño de una partícula no determina por sí solo su mineralogía ni su plasticidad.

¿El equivalente de arena sirve para concreto?

Puede formar parte de determinadas especificaciones de calidad del agregado fino, pero no sustituye los ensayos granulométricos, contenido de finos, impurezas orgánicas y demás requisitos exigidos para agregados de concreto. Debe aplicarse únicamente cuando la norma o especificación correspondiente lo requiera.

¿Se puede hacer la prueba solamente con agua?

No si el método especificado exige la solución de trabajo normalizada. La composición de la solución influye en la separación y suspensión de los finos y, por tanto, en el resultado.

¿Por qué dos laboratorios pueden obtener resultados distintos?

Las diferencias pueden proceder del muestreo, preparación, pérdida de finos, solución empleada, equipo, técnica de agitación, temperatura, vibraciones, tiempo de sedimentación o forma de efectuar las lecturas. Por eso la ejecución normalizada y el control del equipo son esenciales.

Referencias técnicas

• ASTM D2419-22: Standard Test Method for Sand Equivalent Value of Soils and Fine Aggregate.
• AASHTO T 176: Plastic Fines in Graded Aggregates and Soils by Use of the Sand Equivalent Test.
• BS EN 933-8:2012+A1:2015: Assessment of fines. Sand equivalent test.
• INVIAS: INV E-133-13, Equivalente de arena de suelos y agregados finos.
• Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú: MTC E 114.
• NIT-SICT México: Métodos de Muestreo y Prueba de Materiales.

En trabajos sujetos a especificaciones contractuales debe utilizarse la edición de la norma indicada expresamente en los documentos del proyecto y verificar su vigencia antes de ejecutar o aceptar resultados de laboratorio.