Leonardo.docx

CAPILARIDAD DEFINICION La capilaridad es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial (la cual, a su vez, depende de la cohesión o fuerza intermolecular del líquido), que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. Para entenderlo, veamos un experimento clásico: En un recipiente se vierte agua (coloreada de un cierto tinte para ver con mayor claridad el efecto que se produce).

Entre más delgado el capilar, más sube la columna de líquido.

Se introduce en el recipiente un tubo de cristal alargado y estrecho. Inmediatamente parte de agua del recipiente ascenderá por el tubo hasta alcanzar una altura determinada, esta altura será tal que el peso del líquido que quede dentro del tubo sea igual a la tensión superficial de dicho líquido. Si cogemos un tubo con un mayor diámetro el agua que ascenderá por él llegará a menor altura pero el peso del líquido que queda dentro del tubo también es igual a la tensión superficial de dicho líquido. Si se tuviese un tubo tan fino como el de un cabello, la cantidad de líquido ascendería mucho más en altura pero el peso del líquido que queda dentro del tubo también es igual a la tensión superficial de dicho líquido. A este fenómeno se le conoce como Capilaridad líquida.

Agua

Mercurio

Efectos de capilaridad.

Si tomamos un tubo de cristal grueso comunicado con uno fino y echamos agua en él se verá cómo en el tubo grueso el agua alcanza menos altura que en el fino, como se ilustra en la figura a la izquierda. Si hacemos la misma prueba con mercurio en vez de con agua (tal como se compara en la misma figura) resultará que en el tubo grueso el mercurio alcanza más altura que en el fino. Además, en el primer caso, se puede ver que el agua se une con la pared del tubo (menisco) de forma cóncava, mientras que con el mercurio lo hace de forma convexa. Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular (o cohesión intermolecular) entre sus moléculas es menor a la adhesión del líquido con el material del tubo (es decir, es un líquido que moja). En palabras más sencillas, cuando se introduce un capilar en un recipiente con agua, ésta asciende por el capilar como si trepase agarrándose por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente.

La atracción adhesiva hacia el vidrio es mayor que la adhesión intermolecular del agua.

El líquido sube hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y ésta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad. Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente que la adhesión a las paredes del capilar (como el caso del mercurio), la tensión superficial hace que el líquido llegue a un nivel inferior, y su superficie es convexa.

I.

OBJETIVOS Describir el fenómeno de capilaridad en suelos fino y granulares

II.

MATERIALES

III.

 Manguera  Arena fina  Arena grueso  Arena media  Limo y arcilla  Otros (tamices, baldes, agua, cinta métrica). PROCEDIMIENTO 1. Se tamiza la arena para obtener arena gruesa, media y fina, limo y arcilla.

2. Se llena las 4 mangueras con los diferentes especímenes

3. Se mide y determina la ascensión final

IV.

CALCULOS ESPECIMEN Arena gruesa Arena Media Arena Fina Limo

V.

H (ALTURA DE ASCENCION cm) 3.5 4.3 24.3 61

H (ASCENCION TEORICO) <5 5-12 12-35 > 35

CONCLUSIONES 

Concluimos que el agua puede ascender de acuerdo al tipo de suelo ya sea Arena gruesa, arena media, arena fina o limo.

PERMEABILIDAD A) Definición: Permeabilidad de un suelo es la capacidad del mismo para permitir el flujo de un fluido, líquido o gas, a través suyo. En el campo de la Geotecnia se estudia el flujo de agua. B) Principio del ensayo: Los suelos están formados por partículas minerales sólidas que dejan vacíos entre ellas. Estos vacíos están interconectados y permiten el flujo de agua a través de ellos. Esto convierte a los suelos en materiales permeables al agua. El grado de permeabilidad es determinado aplicando a una muestra saturada de suelo una diferencia de presión hidráulica. El coeficiente de permeabilidad es expresado en términos de velocidad. Este fenómeno es gobernado por las mismas leyes físicas en todos los tipos de suelos y la diferencia en el coeficiente de permeabilidad en tipos de suelos extremos es solo una cuestión de magnitud. El coeficiente de permeabilidad puede ser determinado directamente a través de ensayos de campo y laboratorio o indirectamente utilizando correlaciones empíricas. El mismo puede ser obtenido utilizándose muestras deformadas o no deformadas. Determinación Indirecta

A) A través de una curva granulométrica Utilización la ecuación de Hazen para el caso de arenas y pedregullo, con poca o ninguna cantidad de finos. Donde: k es la permeabilidad expresada en cm/s d10 es el diámetro efectivo en cm 90 < C < 120, siendo C= 100, muy utilizada. Para el uso de la ecuación se recomienda que Cu sea menor que 5. B) A través de la compactación de prueba C) A través del uso de permeámetros Siendo los ensayos de laboratorio más utilizados D) A través de ensayos de campo

Los ensayos de campo pueden ser realizados en perforaciones y sondeos en pozos o cavas siendo más utilizados en sondeos. Puede ser realizado por el ensayo de infiltración y bombeo. Determinación Directa A) Permeámetro de Carga Constante El permeámetro de carga constante es utilizado cada vez que tenemos que medir permeabilidad de los suelos granulares (suelos con razonable cantidad de arena y/o pedregullo), los cuales presentan valores de permeabilidad elevados. El permeámetro puede ser visto en la Figura 2. Este ensayo consta de dos reservorios donde los niveles de agua son mantenidos constantes, como muestra la figura 2. Mantenida la carga h, durante un cierto tiempo, el agua filtrada es colectada y su volumen es medido. Conocidas la filtración y las dimensiones del cuerpo de prueba (longitud L y el área de la sección transversal A), se calcula el valor de la permeabilidad, k, a través de la ecuación:

Figura 2: Permeámetro de Carga constante

Donde: q – es la cantidad de agua medida en la probeta (cm3); L – es la longitud de la muestra medida en el sentido del flujo (cm); A – área de la sección transversal de la muestra (cm2); h – diferencia del nivel entre el reservatorio superior e inferior (cm); t – es el tiempo medido entre el inicio y el fin del ensayo (s); B) Permeámetro de Carga Variable Cuando el coeficiente de permeabilidad es muy bajo, la determinación a través de un permeámetro de carga constante es poco precisa. Se emplea entonces el de carga variable como el esquematizado en la figura 3. En el ensayo de permeabilidad de carga variable, se miden los valores h obtenidos para diversos valores de tiempo transcurrido desde el inicio del ensayo. Son anotados los valores de la temperatura cuando se efectiviza cada medida. El coeficiente de permeabilidad de los suelos es entonces calculado haciendo uso de la Ley de Darcy:

Y tomando en cuenta que el flujo de agua pasando por el suelo es igual al flujo de agua que pasa por la bureta que puede ser expresado como:

Figura 3: Permeámetro de Carga Variable

Donde: a – área interior del tubo de la carga (cm2) A – sección transversal de la muestra (cm2) L – altura del cuerpo de prueba (cm) h0 – distancia inicial del nivel del agua para el reservorio inferior (cm) h1 – distancia para el tiempo 1 del nivel de agua para el reservorio inferior (cm) Dt – intervalo de tiempo para que el nivel de agua pase desde h 0 para h1 (cm) C) Ensayo de Bombeo Por medio de este ensayo se determina en campo, la permeabilidad de capas de arena o pedregullo, situados por debajo del nivel de agua. El esquema del ensayo puede ser visto en la Figura 4. El principio del método consiste en agotar el agua hasta el establecimiento de un flujo uniforme, medir la descarga del pozo y observar la variación del nivel de agua en piezómetros colocados en las proximidades.

Figura 4: ensayo de Bombeo

El pozo de bombeo debe penetrar en toda la profundidad de la capa ensayada y con diámetro suficiente para permitir la inserción de una bomba con tipo y capacidad necesaria al bombeo. En las proximidades y situados radialmente son instalados pozos de observación del nivel del agua o piezómetros. Se recomienda la instalación de 4 (cuatro) pozos de observación y un mínimo de dos y llevados hasta profundidades por debajo del nivel más bajo que el agua debe alcanzar durante el ensayo.

Al mantenerse constante el nivel del agua en el pozo, se efectúan las medidas de las alturas de agua en cada uno de los piezómetros instalados. La permeabilidad es medida por la fórmula a continuación:

C) Bombeo directamente de las Fundaciones Por este proceso, el agotamiento se hace recalcando, para fuera de la zona de trabajo, el agua es conducida por medio de canales y acumulada dentro de un pozo ejecutado debajo de la excavación. Algunos posibles inconvenientes a) La carga de las partículas más finas del suelo por el agua, provocando recalque de las fundaciones cercanas; b) El bombeo en terreno permeable, a medida que el agua va siendo bombeada, el nivel de dentro de la excavación baja más rápido que el nivel de fuera, originando una diferencia de presión de fuera hacia adentro, provocando un desmoronamiento; c) Si la presión de agua de fuera hacia adentro fuese mayor que el peso propio del suelo sucede el fenómeno de las arenas movedizas

ENSAYOS DE COMPACTACIÓN: PROCTOR NORMAL Y PROCTOR MODIFICADO La compactación de un suelo produce un incremento en la densidad del material y con ello tres beneficios importantes:   

Reducción de la compresibilidad Incremento de la resistencia al corte Disminución de la permeabilidad

De este modo, la compactación de suelos es uno de los métodos más utilizados para mejorar las propiedades de un suelo y por ello es primordial conocer sus características de compactación y puesta en obra. Los ensayos de compactación Proctor Normal y Proctor Modificado son dos de los ensayos más utilizados en el estudio de compactación de suelos para la construcción de terraplenes y otras obras de tierra. Se rigen por las normas UNE o ASTM y son imprescindibles para caracterizar la puesta en obra de un material.  

Proctor normal ASTM D-698 o UNE 103-500-94 Proctor modificado ASTM D-1557 o UNE 103-501-94

Complementariamente, en el estudio de reutilización de suelos y su posible idoneidad para la compactación, se utiliza el ensayo CBR, granulometrías de suelos, límites de Atterberg, ensayos de colapso e hinchamiento libre entre otros ensayos de laboratorio de suelos. En primer lugar describiremos como se ejecutan las distintas pruebas de compactación para seguidamente analizar los resultados que se obtienen e interpretar las diferentes curvas de compactación.

DESCRIPCIÓN ENSAYO PROCTOR ESTÁNDAR O NORMAL El ensayo Proctor estándar persigue determinar la densidad seca máxima de un suelo y la humedad optima necesaria para alcanzar esta densidad. Para ello se utiliza un molde cilíndrico de 1 litro de capacidad que se rellena con 3 capas de material debidamente compactadas mediante una maza estandarizada de 2,5 kg que se deja caer libremente una altura de 305 mm. El material a ensayar previamente se ha desecado y tamizado por el tamiz 20 mm UNE o el correspondiente ASTM y posteriormente humedecido con distintos valores de humedad, una por cada muestra necesaria.

Para la compactación de cada capa de material se emplean 26 golpes de la maza distribuidos homogéneamente sobre la superficie del terreno. Las tres capas deben tener aproximadamente la misma altura de tierras. Una vez compactado el material, se enraza el molde y se mide la densidad y humedad de una muestra tomada del centro del molde. Se repite el proceso varias veces con distintos contenidos de humedad. La prueba de compactación Proctor Normal puede darse por finalizada cuando se obtienen 5 o 6 puntos que definen una curva que relaciona la densidad seca con la humedad.

DESCRIPCIÓN ENSAYO PROCTOR MODIFICADO La prueba Proctor modificada es similar a la estándar pero modificando tanto la capacidad del molde como la energía de compactación. En este caso se emplea un molde cilíndrico de 2.320 cm3 de capacidad y una maza de 4,535 kg que se deja caer desde una altura de 457 mm. En lugar de 3 capas, se compactan 5 capas de material dando 25 golpes por cada capa. Igualmente se realizan varias medidas de humedad y densidad del interior del molde con distintos grados de humedad para trazar la curva Proctor y de este modo dar por concluida la prueba Proctor. Este ensayo requiere una energía de compactación mayor que el ensayo Proctor Normal y recrea, por tanto, unos medios de compactación más potentes y enérgicos. Este ensayo es frecuentemente empleado en el estudio de terraplenes de carreteras, líneas de ferrocarril o grandes presas mientras que el ensayo Proctor normal es empleado en estudios de compactaciones de menor entidad como rellenos de zanjas, vías de comunicación secundarias o el estudio de materiales arcillosos junto con el ensayo de compactación Harvard.

Interpretación ensayos Proctor

El acta del ensayo Proctor debe proporcionar la densidad máxima seca así como la humedad óptima y lo que es más importante la curva humedad – densidad seca con los valores de todos los puntos ensayados. Como datos complementarios debe proporcionar los datos específicos del molde, características de la maza, numero de capas, y golpes por capa. La curva densidad seca – humedad permite determinar las condiciones óptimas de compactación tal y como se muestra en la figura siguiente:

Curva de compactación. Imagen tomada Estas condiciones serían las ideales para alcanzar en obra y suele corresponderse con un grado de saturación correspondiente entre el 85 y el 90%. La línea que representa un grado de saturación del 100% es generalmente paralela a la línea de mayor humedad resultante del ensayo.

Si se aumenta la energía de compactación se obtienen curvas similares pero con un incremento en la densidad máxima y menor humedad óptima tal y como puede verse en el gráfico anterior (E1 y E2). No obstante, la densidad máxima para un determinado grado de humedad no será nunca mayor que la correspondiente a la del suelo saturado, es decir, la curva de saturación (S=100) nunca será superada por ninguna curva de compactación independientemente de la energía empleada.