INTRODUCCIÓN
La plasticidad de los suelos es una propiedad que incide en el comportamiento tanto mecánico como hidráulico de este material; por lo que es de importancia conocer la forma como es determinada en laboratorio, afianzando de este modo los aspectos conceptuales en los que se sustentan los ensayos para tal fin, regidos por la normativa ASTM D-4318 (ver imagen N°01), así como las principales aplicaciones en la ingeniería geotécnica que se resumen en poder clasificar la fracción fina de un suelo, bien sea como limo "M" o arcilla "C".
Imagen N°01: ilustración de las ideas a estudiar
Fuente: Braja (2001), ASTM D-4318 (2005), adaptada por Santana (2018)
Vale destacar que las arcillas por lo general son consideradas un material idealmente plástico, mientras que los limos son carentes de plasticidad, exhibiendo en su mayoría un comportamiento similar al de la arena de médanos, de allí, el por qué seleccionar este material para ilustrar de mejor manera los conceptos a estudiar. Al mismo tiempo, este trabajo sirve de preparación para adentrarnos en temas de mayor complejidad en el mundo de la ingeniería geotécnica, como es lo referente al estudio de los suelos de naturaleza expansiva.
NOCIONES GENERALES DE LA TEMÁTICA A ESTUDIAR
Típicamente en los estudios de plasticidad partimos del contraste de dos grupos de suelos que marcan polos opuestos en cuanto a plasticidad se refiere; de allí a que las arenas sean consideradas un suelo idealmente no plástico y las arcillas un suelo idealmente plástico. En la imagen N°02 presento imágenes de estos dos grupos de suelos, representados por la arena de los médanos de Coro y una arcilla ubicada al oeste de la ciudad de Coro donde actualmente resido, que es posible identificar gracias a que el comportamiento típico de este suelo cuando se seca, está caracterizado por contraerse y formar grietas.
Imagen N°02: arenas de médanos y arcillas
Fuente: Santana (2018)
Al tomar muestras de estos suelos y combinarlos con una cierta cantidad de agua, el suelo arenoso tiende a desmoronarse y no dejar manchas en la palma de la mano, totalmente opuesto al comportamiento que presenta la arcilla, que no se desmorona y si deja manchas en la palma de la mano (ver imagen N°03).
Imagen N°03: comportamiento de la arena y arcilla en presencia de agua
Fuente: Santana (2018)
Al visualizar estos comportamientos se infiere el grado de plasticidad de cada uno de estos grupos de suelo, donde destaca la arcilla como un material idealmente plástico; lo cual se sustenta con esta definición señalada por Juarez y Rico (2007):
La plasticidad es la propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin variación volumétrica apreciable, sin desmoronarse ni agrietarse.
La arcilla cumple con estos requisitos, de allí a que se le considera un suelo idealmente plástico, y es el suelo que tomaremos como referencia al momento de profundizar en los ensayos de laboratorio regidos por la norma ASTM D-4318, cuyo proceso de comprensión inicia con el planteamiento de la siguiente interrogante:
¿Qué cantidad de agua habrá que añadir para garantizar un comportamiento idealmente plástico?
La respuesta a esta interrogante se encuentra en el año de 1900, cuando el científico sueco Albert Mauritz Atterberg definió los estados de consistencia de un suelo fino para distintos rangos de humedades, estados de consistencia que se ilustran en la imagen N°04, tomando como referencia el suelo de interés en este artículo, correspondiente a una “Arcilla”.
Imagen N°04: representación didáctica de los estados de consistencia de un suelo
Fuente: Braja (2001), adaptada por Santana (2018)
Apreciamos que el límite líquido representa una frontera del material entre el comportamiento plástico y el comportamiento viscoso a líquido; por su parte el límite plástico constituye una frontera del material entre el comportamiento plástico y el comportamiento semisólido a sólido, donde se comienza a evidenciar un agrietamiento del suelo. Estos límites mencionados son humedades que definen una consistencia en las arcillas; humedades superiores al límite líquido e inferiores al límite plástico, alejan al suelo de un comportamiento idealmente plástico. Al ser los límites humedades, vale profundizar en el significado físico de humedad.
¿CÓMO INTERPRETAR EL CONCEPTO DE HUMEDAD?
La humedad puede considerarse como una medida que indica la presencia de agua en el suelo, en términos de peso. Para comprender mejor esta idea, visualicemos al suelo constituido por tres fases como se aprecian en la imagen N°05:
Imagen N°05: diagrama de fases para un suelo
Fuente: Juarez y Rico (2007), adaptada por Santana (2018)
La humedad de un suelo es por consiguiente el cociente que resulta de dividir el peso del agua “Ww” con respecto al peso de los sólidos “Ws” y multiplicarlo por cien:
Este ensayo se rige por la norma ASTM D-2216 (ver referencia N°02), donde en líneas generales se obtiene el peso de la muestra húmeda “Wm”, y esta es sometida a un proceso de secado a una temperatura de 110 ±5 °C, por un período comprendido entre 18 y 24 horas. Finalizado ese período de tiempo la muestra se encuentra seca, por lo que al pesarla se obtiene el peso seco “Ws”. Partiendo de la imagen N°05, se tiene que:
Dado que el peso del aire se considera igual a cero, entonces:
Conocidos el peso seco “Ws” y el peso de la muestra húmeda “Wm”, podemos obtener el peso del agua “Ww” de la forma:
Por lo tanto al sustituir la ecuación N°02 en la ecuación N°01, se obtiene lo siguiente:
Teniendo clara la metodología de cálculo de la humedad de los suelos, procedamos a profundizar en los cálculos concernientes a la estimación del límite líquido “LL” y límite plástico “LP”.
ASPECTOS CONCEPTUALES EN LOS QUE SE FUNDAMENTA LA ESTIMACIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO
En la imagen N°06, se ilustran las actividades que caracterizan el ensayo para la determinación del límite líquido en el laboratorio donde se aprecia el equipo usado por excelencia para estos fines, como lo constituye la copa de Casagrande.
Imagen N°06: ideas generales para la estimación del límite líquido en laboratorio
Fuente: ASTM D-4318 (2005), Juarez y Rico (2007), adaptada por Santana (2018)
Este ensayo se rige por la norma ASTM D-4318 (ver referencia N°01), donde el límite líquido es la humedad del suelo en el instante en el cual se produce el cierre de la ranura una vez transmitidos 25 golpes exactos con la manivela. La unión de las dos extremos de la ranura ha de tener una extensión de 1.3 cm (13 mm). Ahora bien, la experiencia demuestra que lograr esta condición de cierre de la ranura para este número exacto de golpes resulta un poco complicado, por lo que se recurre mejor al uso de procesos estadísticos en los que se obtienen diversos puntos representativos de varias humedades y número de golpes, para posteriormente trazar la línea de tendencia que mejor se ajuste. Para que estos puntos sean representativos, la norma ASTM D-4318 indica unos rangos de número de golpes de referencia, por punto:
Tabla N°01: rango de golpes por punto
Fuente: ASTM D-4318 (2005), adaptada por Santana (2018)
A cada uno de estos puntos corresponde una determinada humedad, calculada en la muestra del suelo que fue sometida al proceso de agitación en la copa de Casagrande hasta provocar el cierre de la ranura (ver imagen N°06); esta humedad es calculada de conformidad con los principios expuestos en el tópico concerniente a “¿CÓMO INTERPRETAR EL CONCEPTO DE HUMEDAD?”. De este modo, conocido el número de golpes y las humedades asociadas se procede a graficar en formato semilogaritmico, obteniendo un gráfico como el presentado en la imagen N°06.
ASPECTOS CONCEPTUALES EN LOS QUE SE FUNDAMENTA LA ESTIMACIÓN DEL LÍMITE PLÁSTICO
La estimación del límite plástico en laboratorio me remonta a la época en la cual jugaba con barro, para hacer una que otra figura. En efecto, este ensayo regido por la norma ASTM D-4318 consiste en hacer rollitos por medio de amasado al suelo en cuestión, con un diámetro aproximado de 3 mm, hasta observar la aparición de ciertas grietas indicativas de que el suelo está abandonando el estado de plasticidad para pasar a un estado semisólido, tal como se aprecia en la imagen N°07.
Imagen N°07: determinación del límite plástico en laboratorio
Fuente: Braja (2001), adaptada por Santana (2018)
Todos estos rollitos una vez que se resquebrajan se van almacenando en una cápsula como la mostrada en la imagen N°07, hasta completar un peso de muestra “Wm” de por lo menos 10 gramos, haciendo posteriormente los cálculos de rutina para la estimación de la humedad, correspondiente en este caso al límite plástico “LP”. Procedamos al desarrollo de aplicaciones prácticas para afianzar mejor los conceptos expuestos.
INTERPRETACIÓN DE DATA DE LABORATORIO PROVENIENTE DEL ENSAYO DE PLASTICIDAD REGIDO POR LA NORMA ASTM D-4318. OBTENCIÓN DEL LÍMITE LÍQUIDO
En la tabla N°02 y N°03 se presenta una data que utilizo para fines académicos en pro de la obtención del límite líquido y límite plástico de un suelo arcilloso. La fila resaltada en color gris, presenta los valores definitivos de peso de muestra “Wm”, peso sólido “Ws” y peso del agua “Ww”, esenciales para los cálculos del porcentaje de humedad. A continuación un cálculo tipo haciendo uso de la ecuación N°03:
Tabla N°02: resumen de datos para la obtención del límite líquido “LL”
Fuente: Santana (2018)
Al graficar el número de golpes en el eje de las abscisas (escala logarítmica) y el porcentaje de humedad en el eje de las ordenadas (escala natural) y estableciendo la línea de tendencia que mejor se ajuste con ayuda de la herramienta computacional Microsoft Excel Versión 2013, obtenemos lo siguiente:
Imagen N°08: línea de tendencia correspondiente a una función lineal y polinómica de orden 2
Fuente: Microsoft Excel (2013), adaptada por Santana (2018)
El límite líquido será tomado en base a la línea de tendencia que mejor se ajusta, representada en este caso por una función cuadrática. Por lo tanto:
En lo que respecta al límite plástico “LP” se tiene lo siguiente:
Tabla N°03: resumen de datos para la obtención del límite plástico “LP”
Fuente: Santana (2018)
Al promediar las humedades se obtiene que:
CÁLCULO DEL ÍNDICE DE PLASTICIDAD “IP” Y APLICACIONES DE IMPORTANCIA
Haciendo un resumen de los resultados obtenidos se tiene lo siguiente:
El índice de plasticidad “IP” viene dado por:
Una de las aplicaciones prácticas de estos resultados obtenidos, es clasificar la fracción fina de un suelo haciendo uso de la carta de plasticidad de Casagrande, como se ilustra en la siguiente imagen:
Imagen N°09: uso de la carta de plasticidad de Casagrande
Fuente: Braja (2001), adaptada por Santana (2018)
CONCLUSIONES
El alcance de la ingeniería geotécnica abarca los retos que se presenten al momento de proyectar el sistema de fundación de una estructura, donde el conocimiento del suelo de fundación es trascendental; en este trabajo hemos realizado el abordaje de una propiedad de mucho interés como lo es la “Plasticidad”, y las conclusiones de mayor importancia son:
1.- Las arcillas identificadas con la letra “C” en la carta de plasticidad de Casagrande exhiben una mayor plasticidad que los limos simbolizados con la letra “M”.
2.- En la mayoría de los casos, el comportamiento de los limos es similar al de la arena, en lo referente a una plasticidad baja, arrojando valores de límite líquido y límite plástico con tendencia a cero.
3.- La carta de plasticidad de Casagrande es una excelente herramienta para clasificar la fracción fina de un suelo.
4.- En el estudio de las arcillas potencialmente expansivas, el estudio de plasticidad es un dato de importancia al momento de predecir el potencial de expansión de estos suelos; por lo que en un próximo post, profundizaré en este tema, apoyándome de mi anterior artículo, que consistía en la estimación del porcentaje de coloides, el cual aparece citado como referencia N°05.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1.- STANDARD TEST METHODS FOR LIQUID LIMIT, PLASTIC LIMIT, AND PLASTICY INDEX OF SOILS. ASTM D 4318-05.
2.- STANDARD TEST METHODS FOR LABORATORY DETERMINATION OF WATER (MOISTURE) CONTENT OF SOIL AND ROCK BY MASS. ASTM D 2216-05.
3.- BRAJA M DAS. 2001. PRINCIPIO DE INGENIERÍA DE CIMENTACIONES. INTERNATIONAL THOMSON EDITORES, S.A.
4.- BADILLO J. Y RICO A. 2007. FUNDAMENTOS DE LA MECÁNICA DE SUELOS. EDITORIAL LIMUSA, S.A.
5.- SANTANA ELÍAS. 2018. INICIACIÓN AL ESTUDIO DE LAS ARCILLAS EXPANSIVAS, POR MEDIO DE LA ESTIMACIÓN DE LA CANTIDAD DE COLOIDES. DISPONIBLE EN: https://steemit.com/stem-espanol/@eliaschess333/iniciacion-al-estudio-de-las-arcillas-expansivas-por-medio-de-la-estimacion-de-la-cantidad-de-coloides