INTRODUCCIÓN
A continuación vamos a iniciarnos en el estudio de las arcillas expansivas, un suelo que se caracteriza porque ante las variaciones de su humedad sufre cambios de volumen, ya sea de forma de expansión o de contracción, lo que hace sufrir a las edificaciones que se encuentran fundadas en este suelo consecuencias visibles; por ejemplo a través de fisuras y agrietamientos de las paredes y muros (ver imagen N°01). Este hecho se incrementará en relación directa proporcional con el contenido de coloides presentes en ese suelo, es decir, de aquellas partículas menores al diámetro de “0.002 mm”. En la imagen N°01 se ilustra didácticamente los cuatro grupos principales de suelos, y se aprecia, que el estudio de tamaño de partículas más pequeñas que el tamiz N°200, requiere de técnicas de hidrometría para lograrlo.
Imagen N°01: ideas generales a estudiar
Fuente: Beltrán (2009); Ayala, Sánchez y Ojeda (2012); adaptada por Santana (2018)
En este artículo nos centraremos en comprender la data proveniente de un ensayo de hidrometría, para la determinación del porcentaje de partículas menores a “0.002 mm”. Revisemos algunos aspectos conceptuales de importancia.
NOCIONES GENERALES SOBRE EL ENSAYO DE HIDROMETRÍA
El estudio de la distribución de tamaño de partículas menores al tamiz N°200 se realiza a través del ensayo de hidrometría regido por la norma “ASTM D-422”, utilizando en esta oportunidad el hidrómetro modelo “152H” cuya escala de medición se ilustra en la imagen N°02, en la que se aprecia claramente que los hidrómetros miden densidades, de allí a que también se le conozcan como “densímetros”. Estas densidades son medidas en una solución contentiva de la mezcla de “agua destilada + suelo + agente desfloculante” y en otra solución contentiva de “agua destilada + agente desfloculante”; y se simbolizan con las letras “R” y “r” respectivamente.
Imagen N°02: ideas generales del ensayo de hidrometría
Fuente: Santana (2018)
La norma “ASTM D-422” exige que las lecturas “R” y “r” sean realizadas en los periodos de tiempo de: 2, 5, 15, 30, 60, 250 y 1440 minutos; por experiencia se prefiere tomar la temperatura en la solución “agua destilada + agente desfloculante”, a los fines de no perturbar la solución “agua destilada + suelo + agente desfloculante”, y por consiguiente el proceso de sedimentación de las partículas. Se recomienda realizar este ensayo en espacios con temperatura controlada.
¿POR QUÉ AÑADIR UN AGENTE DESFLOCULANTE? ¿CUAL ES LA LECTURA DE MAYOR IMPORTANCIA?
La adición del agente desfloculante obedece al hecho de que el ensayo de hidrometría se basa en un principio de sedimentación de las partículas, donde las de mayor tamaño sedimentarán en los primeros minutos, y las de diámetro menor a “0.002mm” incluso habiendo pasado los 1440 minutos permanecen en suspensión, lo que significa que las fuerzas gravitatorias no ejercen efecto sobre ellas, sino las fuerzas de carácter superficial. En este orden de ideas, la lectura de mayor importancia para los fines de este artículo, es aquella correspondiente a un tiempo de 1440 minutos, la cual nos va a permitir estimar la cantidad de coloides presentes en la muestra de suelo estudiada. Realicemos a continuación, algunas aplicaciones prácticas.
PROCESAMIENTO DE DATA ARROJADA POR EL ENSAYO DE HIDROMETRÍA
La data obtenida en el desarrollo del ensayo de hidrometría, se resume en:
• Lecturas “R (gr/lt)”, tomadas en la muestra “agua destilada + suelo + agente desfloculante”.
• Lecturas “r (gr/lt)”, tomadas de la muestra “agua destilada+ agente desfloculante”.
• Temperatura (°C) y tiempo (min) en el que se tomó cada lectura.
En el proceso de cálculo del diámetro y del porcentaje de partículas en suspensión, es de importancia conocer constantes del suelo, referidas a su peso seco “Ws” y la gravedad específica del mismo “Gs”. A continuación estudiaremos los cálculos típicos que se derivan del ensayo de hidrometría.
CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE PARTÍCULAS MENORES A LA ABERTURA DE 0.075 MM
Las constantes del suelo a considerar en los cálculos son las siguientes:
Y la data que estaremos utilizando contentiva de lecturas “R”, “r”, temperatura para cada lectura “T (°C)”, y el tiempo expresado en minutos en el cuál se tomaron, se presentan en la tabla N°01:
Tabla N°01: data para el cálculo de hidrometría. Modelo de Hidrómetro: 152H
Fuente: Santana (2016)
El diámetro de las partículas de suelo se calcula con la ecuación N°01, en la cual hay que introducir las variables en las unidades especificadas en la leyenda, para que arroje el valor de diámetro en milímetros (mm).
Dónde:
k= constante que depende de la temperatura del ensayo “T (°C)” y la gravedad específica del suelo “Gs”, obtenida por medio de la tabla N°03.
L= profundidad efectiva en centímetros, obtenida por medio de la tabla N°02.
t= tiempo en el cual se tomó la lectura, expresado en minutos.
El modelo de hidrómetro utilizado para obtener la data de la tabla N°01 es el “152 H” (ver imagen N°02), para el cual la normativa “ASTM D-422”, señala el siguiente factor de corrección:
En base a lo explicado en el tópico anterior, realizaremos los cálculos de diámetro para el tiempo correspondiente a 1440 minutos (24 horas). Para ingresar a la tabla N°02 y obtener el valor de profundidad efectiva “L”, es necesario obtener “ R’ ” de la siguiente manera:
Tabla N°02: extracto de valores de “L” en función de R’
Fuente: ASTM-D422 (2002), adaptada por Santana (2018)
Tomando como referencia la lectura en el tiempo de 1440 minutos, sustituimos en la ecuación N°02, y haciendo uso de la tabla N°02, obtenemos lo siguiente:
En lo que respecta a la obtención del valor de “k”, se necesita conocer la temperatura “T (°C)” y la gravedad específica del suelo “Gs”; para así poder hacer uso de la tabla N°03. Para el caso en estudio, se tiene un valor de “k” igual a “0.01208”.
Tabla N°03: obtención de la variable “k”, con los datos de temperatura y gravedad específica
Fuente: ASTM D-422 (2002), adaptada por Santana (2018)
Conocidas las variables de la ecuación N°01, y respetando la lógica de unidades explicadas anteriormente, procedemos a sustituir:
De acuerdo a los resultados obtenidos, una vez pasadas las 24 horas del proceso de sedimentación del ensayo de hidrometría, los diámetros de las partículas que se encuentran en suspensión, entran en el grupo de coloides dado que son menores a “0.002 mm”. A continuación determinaremos su porcentaje de presencia.
ESTIMACIÓN DE LA CANTIDAD DE COLOIDES
Para el cálculo del porcentaje de partículas en suspensión, se aplica la ecuación N°03, la cual está preparada para que al momento de sustituir “Ws” en “gr”, “R*” en “gr/lt”, y el factor de corrección “a” que es adimensional, se obtenga el porcentaje en cuestión:
La obtención de “R*”, es a través de:
Donde el parámetro de corrección por temperatura “Ct”, se obtiene en la tabla N°04, y la corrección por desfloculante “Cd” a través de la siguiente ecuación:
Para el caso en estudio:
T=28 °C
r = 4gr/lt
Cm = 1gr/lt
Ct =2.9 gr/lt (ver tabla N°04)
Tabla N°04: extracto de factores de corrección de temperatura “Ct” para hidrómetro modelo: 152 H
Fuente: ASTM D-422 (2002), adaptada por Santana (2018)
Por lo tanto al sustituir en la ecuación N°05, obtenemos la corrección por desfloculante “Cd” de la siguiente manera:
Los valores obtenidos de “Cd” y “Ct”, serán los mismos para las lecturas hidrométricas en estudio, puesto que la temperatura no varía. Así que sustituyendo en la ecuación N°04, se tiene que:
Por su parte el valor del factor de corrección “a”, depende de la gravedad específica del suelo, y se obtiene con el uso de la tabla N°05:
Tabla N°05: obtención del factor de corrección “a”
Fuente: ASTM D-422 (2002), adaptada por Santana (2018)
Conocidos los factores constituyentes de la ecuación N°03, procedemos a obtener el porcentaje de partículas en suspensión de la forma:
CONCLUSIONES
En este artículo comenzamos con el estudio de las arcillas expansivas enfocándonos en la estimación del porcentaje de coloides presente; las conclusiones de mayor relevancia son las siguientes:
1.- Los coloides son partículas con un diámetro menor a “0.002 mm”, cuya determinación en la práctica de Mecánica de Suelos, es a través de ensayos de hidrometría.
2.- Para el caso en estudio, se determinó una presencia de 54.66% de partículas tipo coloides, lo cual contribuye a fenómenos de contracción y expansión en los suelos arcillosos, en la medida que su porcentaje aumente.
3.- Los suelos arcillosos, constituidos principalmente por coloides, caracterizados por ser partículas influenciadas por fuerzas de carácter superficial, al interactuar con el agua, exhiben diversos comportamientos donde uno de los que más inquieta es el relativo a la expansión; lo cual puede causar daño en las construcciones que sobre este tipo de suelos se realiza.
4.- El nivel de expansión de un suelo, puede ser estimado de manera indirecta, tomando como referencia el porcentaje de coloides presente (obtenido del ensayo de hidrometría), y el índice de plasticidad que posea el suelo. Suelos con alta plasticidad y alta presencia de coloides, manifiestan por lo general una alta expansión.
5.- Los estudios relativos a la plasticidad de los suelos cobran mucha importancia cuando se sospecha la presencia de arcillas; por lo que en un próximo post profundizaré en las labores de laboratorio y campo que permiten estimar la plasticidad de un suelo; aspecto de importancia para conocer la naturaleza de las arcillas expansivas.
FUENTES CONSULTADAS
1.- STANDARD TEST METHOD FOR PARTICLE-SIZE ANALYSIS OF SOILS. ASTM D-422:2002.
2.- BADILLO J. Y RICO A. FUNDAMENTOS DE LA MECÁNICA DE SUELOS. EDITORIAL LIMUSA, S.A. 2007.
3.-BELTRÁN M. RAÚL. DISEÑO GEOTÉCNICO Y ESTRUCTURAL DE UNA CIMENTACIÓN EN ARCILLA EXPANSIVA. UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MEXICO. TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE MAESTRO EN INGENIERIA CIVIL, MENCIÓN GEOTECNIA. 2009.
4.-AYALA T; SÁNCHEZ S Y OJEDA W. DIAGNÓSTICO DEL AGRIETAMIENTO DE LA BIBLIOTECA DE LA UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA DE LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE GUERRERO. XXVI REUNIÓN NACIONAL DE MECÁNICA DE SUELOS E INGENIERÍA GEOTÉCNICA. MEXICO. 2012.
5.-SANTANA ELÍAS. COMPRENDIENDO LA NATURALEZA DE LAS ARCILLAS EXPANSIVAS DESDE EL ENFOQUE DE SUS PROPIEDADES INDICES. TRABAJO PRESENTADO PARA OPTAR A LA CATEGORÍA DE PROFESOR ASISTENTE EN LA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA. 2016.