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jueves, 25 de noviembre de 2010

La Plasticidad del Suelo - Límites de Atterberg

Significado Físico de la Plasticidad de un Suelo

La plasticidad es atribuible al contenido de partículas escamosas de tamaño coloidal presentes en los suelos. Las partículas escamosas además son responsables de la alta compresibilidad y la baja permeabilidad de los suelos.


En relación con la plasticidad de los suelos, durante un proceso de deformación, el volumen de una arcilla permanece constante. Por el contrario el volumen de una arena cambia continuamente durante el mismo. Si se intenta deformar una masa de arena húmeda rápidamente, esta se desagrega (la arena es friable). En virtud de esto, puede definirse la plasticidad como la propiedad de un material que permite resistir deformaciones rápidas, sin cambiar de volumen y sin agrietarse ni desagregarse.

Las investigaciones de Goldschmidt abordaron a la hipótesis que considera que las partículas escamosas actúan como condensadores, qué orientan las moléculas de agua distintamente en forma bipolar. El campo eléctrico que rodea cada partícula influencia muchas moléculas de agua. Las propiedades del bajo campo eléctrico del agua cambian en semejante magnitud que puede llamarse apropiadamente, como sugirió Terzaghi, "solidificación del agua".

Las primeras capas de moléculas de agua cercanas a la superficie sólida, están particularmente ligadas tan fuertemente que no se pueden mover en absoluto. Goldschmidt supone que el espesor relativamente grande de la capa de agua influenciada por el campo eléctrico de una partícula es responsable de la plasticidad.

Si la hipótesis de Goldschmidt es correcta, otros líquidos que tengan moléculas bipolares también deberían producir plasticidad si se mezclaran con arcilla en polvo, mientras que líquidos con moléculas mono-polares no deberían producir este efecto.

Los experimentos de Atterberg demostraron que el cuarzo molido de tamaño menor de 2 micrones no presenta plasticidad en absoluto, mientras que la mica molida del mismo tamaño, presenta cierta plasticidad que se incrementa con el decrecimiento del tamaño de los granos. Este hecho muestra la influencia de las partículas escamosas en la plasticidad de los suelos.

Casagrande (1938) sugirió que el responsable de la plasticidad de los suelos es el agua de adsorción, cuya viscosidad es semejante a la de una goma líquida.

La plasticidad de una arcilla es consecuencia de varios parámetros: la morfología; la cual es generalmente laminar, el tamaño extremadamente pequeño que aumenta el área superficial, la capacidad de hinchamiento que se asocia a la cantidad de deficiencia de carga de la estructura de la arcilla que controla la habilidad de ella de atraer iones y agua (también asociado a la capacidad de intercambio catiónico).

La plasticidad de un suelo es controlada por el contenido de minerales arcillosos: el tipo de mineral y la cantidad presente.

En mecánica de suelos se define la plasticidad como la propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable y sin desmoronarse ni agrietarse.

Plasticidad en los Suelos

La plasticidad es la propiedad que expresa la magnitud de las fuerzas de las películas de agua dentro del suelo ya que éstas permiten que el suelo sea moldeado sin romperse hasta un determinado punto. Es el efecto resultante de una presión y una deformación.

La magnitud de la deformación que puede soportar un suelo con un determinado contenido de humedad está dada por la distancia que las partículas pueden moverse sin perder su cohesión. La presión que se requiere para producir una deformación específica es un índice de la magnitud de las fuerzas de cohesión que mantienen las partículas juntas. Estas fuerzas varían con el espesor de las películas de agua entre partículas. Puesto que la deformación total que puede ser producida varía con el tamaño y forma de las partículas, es evidente que la superficie total presente determina el número de películas de agua contribuyentes a la cohesión.

El fenómeno de plasticidad en los suelos puede explicarse de la siguiente manera: Las partículas coloidales en un suelo a bajos contenidos de humedad están probablemente desordenadas (ver figura 1).

Figura 1. Teoría de la Película de Agua.

Las partículas de un suelo se recubren por una película de agua adsorbida, cuando el porcentaje de humedad en el sistema aumenta (ver figura 2). La fuerza de adhesión del agua sobre la superficie de la partícula varía con el tipo de coloide.

Figura 2. Tipos de Agua en el Suelo.

Cuando el contenido de humedad es suficiente para alcanzar el límite inferior de plasticidad, las partículas se orientan cuando se les aplica una presión (ver figuras 1 y 2). La tensión de estas películas de agua adsorbidas mantiene juntas las partículas adyacentes.

Cuando la presión se incrementa por encima de la tensión de estas películas que mantienen unidas las partículas, éstas se deslizan unas sobre otras (ver figura 5). Después que la presión cesa, las partículas no retoman su posición original porque están unidas en sus nuevas posiciones por la tensión de las películas húmedas (ver figura 1).

Factores que Afectan la Plasticidad de los Suelos y las Constantes de Atterberg

1) Contenido de Arcilla

Como la plasticidad es función de las fracciones más finas del suelo, los distintos suelos tendrán diferente plasticidad de acuerdo con la cantidad de arcilla que contengan. Atterberg observó que un incremento en el porcentaje de arcilla produce un aumento en ambos límites de plasticidad en la escala de humedad y consecuente aumento en el número de plasticidad.

En la figura 3 (b) se observa que el contenido de humedad en el límite inferior de plasticidad se vuelve ligeramente menor en la medida que el contenido de arcilla decrece.

Hay un notorio efecto al decrecer el contenido de arcilla y es el que se manifiesta en la rápida disminución del límite superior de plasticidad y la consiguiente disminución del número de plasticidad. Se necesita un mayor contenido de humedad para obtener plasticidad en un suelo con alto contenido de arcilla que en otro con menos contenido de arcilla.

Figura 3. Factores que afectan a los límites de Atterberg:
a) Efecto del tamaño de las partículas (según White, 1949);
b) efecto del contenido de arcilla;
c) efecto de la materia orgánica.

Russell informó que el número de plasticidad es una función lineal del contenido de arcilla (partículas menores de 5 μ).

Esta relación es expresada por: NP = 0.6C - 12, donde: NP: Número de plasticidad y C: Porcentaje de contenido de arcilla. Suelos que contengan menos del 20% de partículas menores de 5 μ, generalmente no muestran plasticidad. Esta relación es expresada por: NP = 0.6C - 12, donde: NP: Número de plasticidad y C: Porcentaje de contenido de arcilla. Suelos que contengan menos del 20% de partículas menores de 5 μ, generalmente no muestran plasticidad.

Se han encontrado resultados similares en suelos sintéticos trabajando con partículas menores de 1 μ: NP = 0.66C - 10. En este caso, suelos con menos del 15 % de arcilla no desarrollan plasticidad. Cualquier cambio marcado en la forma de las partículas, afecta estas relaciones.

2) Naturaleza de los Minerales del Suelo

Atterberg investigó en qué magnitud los diferentes minerales de los cuales derivan los suelos afectan la plasticidad. Sus estudios muestran que solamente los minerales que tienen una estructura laminar, muestran plasticidad cuando son pulverizados. Cuarzo y feldespatos, no tienen estructura laminar y por lo tanto no desarrollan plasticidad. Talco, muscovita, biotita y otros minerales cuyas artificiales tienen forma laminar presentan plasticidad. Estas diferencias son atribuidas a la mayor superficie e incremento de las superficies de contacto en las partículas laminares.

Aunque en realidad son pocos los suelos que contienen suficientes cantidades de minerales primarios como para afectar la plasticidad considerablemente, el hecho de que las partículas minerales secundarias tienen estructura laminar similar a los minerales atrás mencionados, ayudan a explicar la plasticidad de los suelos. En algunos casos la presencia de mica en la fracción limo puede causar plasticidades más altas que la que son de esperar debido al contenido de arcilla solamente.

3) Minerales de Arcilla

Son producto principalmente de la meteorización química y descomposición de feldespatos como ortoclasa y plagioclasa, y algunas micas. Son de tamaño reducido y forma aplanada.

La clave de alguna de las propiedades de los suelos arcillosos, tales como plasticidad, compresibilidad y el potencial de expansión/contracción, se centra en la estructura de los minerales arcillosos.

Hay tres grupos principales de minerales arcillosos:

  • Caolinitas: (incluyen caolinita, dickita y nacrita) formada por la descomposición de la ortoclasa feldespática (e.g. en el granito); el caolin es el principal constituyente de la Arcilla de China y la Arcilla de Ball.
  • Ilitas: (incluyen ilita y glauconita) son los minerales de arcilla más comunes; formados por la descomposición de algunas micas y feldespatos; predominantes en arcillas marinas y shales (e.g. Arcilla de Londres, Arcillas de Oxford).
  • Montmorillonitas: (también llamadas esmectitas) (incluyen momtmorillonitas cálcica y sódica, bentonita y vermiculita) formadas por la alteración de rocas ígneas básicas que contienen silicatos ricos en Ca y Mg; los débiles enlaces de los cationes (e.g. Na+, Ca++) resultan in elevado potencial de expansión/contracción.

4) Composición Química del Coloide

Las propiedades físico-químicas de la arcilla varían con la relación sílice/sesquióxidos. La capacidad de adsorción de la superficie coloidal para los cationes y las moléculas de agua decrece cuando la relación se vuelve menor. El mismo efecto se manifiesta en las constantes de Atterberg.

Los suelos con baja relación sílice/sesquióxidos se vuelven plásticos con un contenido de humedad menor que los suelos con relación sílice/sesquióxidos más altas. Ambos límites, para relaciones altas o bajas, aumentan o disminuyen en la misma proporción, y se deduce entonces que el número de plasticidad será aproximadamente el mismo o no sufrirá variación para dichas relaciones.

Desde que el agua adsorbida y la cantidad de humedad requerida para producir un film es menor en suelos de baja relación sílice/sesquióxidos, es evidente que el límite inferior de plasticidad será menor para estos suelos.

Una vez que suficientes películas se forman para desarrollar efecto plástico, la cantidad de agua necesaria para aumentarlos hasta el punto en que fluye, depende del número de películas, este número no es el mismo para ambos tipos de suelos. Esto indica que los minerales caoliníticos se vuelven plásticos con contenidos de humedad menores que los tipos montmorilloníticos. Se debería tener en cuenta que este argumento puede destruirse en las verdaderas lateritas donde grandes cantidades de óxidos y Fe Al están presentes.

5) Contenido de Materia Orgánica

La materia orgánica ejerce un efecto interesante sobre la plasticidad del suelo. Medidas de las constantes de plasticidad de diferentes suelos, usualmente muestran que los límites de plasticidad en los horizontes superficiales son más altos en la escala de humedad que los de los horizontes inferiores. Este efecto está aparentemente asociado con la presencia de materia orgánica en el horizonte superficial. La oxidación de la materia orgánica con el agua causa un descenso de ambos límites (es decir se vuelve plástico con menos agua).

El suelo I en la figura 3, con un contenido de materia orgánica de 3,5%, se vuelve plástico a una humedad de 36.5%. La remoción de la materia orgánica baja este límite a 19.8% de humedad. Además, el suelo oxidado fluye a 25.1% de humedad, mientras que el suelo con materia orgánica es aún friable hasta un contenido de 36.5% de humedad. El número de plasticidad no ha sido cambiado por la oxidación de la materia orgánica. La oxidación natural de la materia orgánica en el campo produce efectos similares a la oxidación artificial en laboratorio.

La causa del descenso de los límites de plasticidad sobre la escala de humedad (en los oxidados) sin un efecto realmente significativo sobre el número de plasticidad, es perfectamente comprensible sobre la base de la teoría de la película de agua. La materia orgánica tiene una alta capacidad de absorción de agua. La hidratación de la materia orgánica debe ser suficientemente completa antes que suficiente agua sea disponible para formar una película alrededor de las partículas minerales. En consecuencia, el límite inferior de plasticidad ocurre a un contenido relativamente alto de humedad. Después que las películas están formadas, prácticamente toda el agua adicional funciona solamente para aumentarlos hasta que se produzca el flujo. La presencia de materia orgánica tiene pequeño efecto sobre este tipo de agua y entonces no influye sobre el número de plasticidad.

La presencia de materia orgánica extiende la zona de friabilidad hasta un mayor contenido de humedad.

Propiedades de los minerales de arcilla

A mayor cantidad de minerales arcillosos en el suelo, mayor es la plasticidad, así como la compresibilidad y la cohesión, mientras que la permeabilidad y el ángulo de fricción interno disminuyen. El comportamiento de las partículas de arcilla está fuertemente influido por las fuerzas de superficie, ya que al tratarse de granos muy finos la superficie específica (Se) alcanza valores de consideración y las fuerzas electroestáticas desarrolladas en la superficie cobran relevancia. 

El agua es fuertemente atraída por la superficie de los minerales de arcilla dando como resultado la plasticidad, mientras que en las partículas no arcillosas la superficie específica es mucho menor y hay menor afinidad con el agua, con lo cual no se desarrolla una plasticidad significativa. 

Tanto el límite líquido como el límite plástico para cualquiera de los minerales arcillosos pueden variar dentro de un amplio rango. 

Para cualquier mineral de arcilla, el rango de valores de límite líquido es mayor que el rango de valores de límite plástico. 

La variación en el límite líquido entre los diferentes grupos de arcillas es mucho mayor que la variación en los límites plásticos. 

El tipo de catión adsorbido tiene mayor influencia en minerales de alta plasticidad (montmorillonita) que en minerales de baja plasticidad (caolinita). 

El incremento de la valencia del catión hace disminuir el valor del límite líquido de las arcillas expansivas, pero tiende a aumentar los valores del límite líquido de los minerales no expansivos.

La haloisita hidratada tiene un alto límite plástico poco habitual mientras que tiene un índice de plasticidad bajo.

Existe una gran variación entre los límites de Atterberg de un mismo mineral arcilloso aún con el mismo catión de cambio. Gran parte de esa diferencia hay que atribuirla al tamaño de las partículas y a la perfección de los cristales: cuanto más pequeñas son las partículas y cuanto más imperfecta es su cristalización, más plástico es el suelo.



Pegajosidad y Plasticidad de Suelos Arcillosos

La plasticidad es la capacidad de un material de experimentar deformaciones irreversibles sin romperse y se presenta en la mayor parte de suelos arcillosos con humedad intermedia. Si se seca un bloque de arcilla plástica, pierde su plasticidad y se convierte en un sólido frágil con una resistencia considerable que resulta de la pegajosidad, entre partículas de arcilla. Sin embargo, si el bloque se descompone en partículas que lo constituyen, la pegajosidad se pierde y el material se convierte en un polvo seco. Al mezclar nuevamente el polvo que resulta con una cantidad de agua adecuada, reaparecerán las propiedades de pegajosidad y plasticidad. Este efecto no se consigue si la mezcla se hace con tetracloruro de carbono como fluido intersticial, el cual es un compuesto cuyas moléculas no son dipolares y no se ionizan.

El agua intersticial es lo que más contribuye al desarrollo de la pegajosidad y la plasticidad. Sin embargo, la manera exacta como esta contribuye no se conoce completamente. La pegajosidad se atribuye principalmente a la atracción entre partículas producida por las fuerzas de Van der Waal (fuerzas de atracción de corto alcance entre moléculas adyacentes debidas a la interacción de los campos eléctricos que se generan alrededor de las moléculas por los electrones que giran alrededor de los núcleos atómicos), a la afinidad por ciertos cationes en el agua intersticial y a algunas uniones borde - cara entre los bordes de unas partículas con una baja concentración de cargas positivas y las caras de otras partículas con su carga superficial negativa.

La plasticidad se atribuye a la deformación de las capas de agua adsorbida. Aunque este agua es fuertemente atraída por las partículas de mineral de arcilla, las moléculas de agua adsorbida pueden moverse con relativa facilidad a lo largo de la superficie de las partículas. Por lo tanto, cuando las partículas de arcilla se comprimen, la capa de agua adsorbida altamente viscosa se deforma con elasticidad en tanto que las partículas sufren un desplazamiento relativo unas con respecto a las otras.

El desarrollo de la capa de agua adsorbida alrededor de las partículas de mineral arcilloso depende de la capacidad del mineral de arcilla para atraer iones intercambiables y así neutralizar la carga negativa. La capacidad para absorber iones se expresa cuantitativamente en términos de la capacidad de intercambio iónico por unidad de masa de arcilla seca. Esta característica se relaciona no solo con la deficiencia de carga de las partículas minerales, sino también con el área total de la superficie de las partículas por unidad de masa y por tanto el tamaño de las partículas minerales. Al considerar la caolinita, la ilita y la montmorillonita en ese orden, la capacidad de intercambio iónico aumenta al igual que la proporción de agua adsorbida en la superficie de las partículas y en consecuencia hay un incremento de la plasticidad y la actividad. A escala macroscópica se presenta un incremento de la compresibilidad y una disminución del ángulo de fricción.

Plasticidad

La plasticidad de un suelo se debe a su contenido de partículas más finas de forma laminar, que ejerce gran influencia en la compresibilidad del suelo mientras el pequeño tamaño de tales partículas hace que la permeabilidad del conjunto sea baja.

La plasticidad puede estudiarse con base en curvas esfuerzo - deformación de los materiales, cuya forma depende de las características del material. Para esfuerzos bajos la relación esfuerzo - deformación es reversible (comportamiento elástico), para esfuerzos mayores es irreversible (comportamiento plástico).

La distinción entre el comportamiento elástico y plástico comprende dos aspectos:

1. Influencia de la historia de esfuerzos.
2. Razón de variación actual de esos esfuerzos.

El primero se relaciona con dos características o puntos de fluencia (de tensión y compresión), mostrando el material comportamiento elástico mientras el esfuerzo actual se mantenga entre esos límites; al principio tales características son aproximadamente iguales y en el caso de material perfectamente plástico, permanecen constantes. Para materiales donde hay endurecimiento por deformación progresiva, los valores de esos límites dependen de la historia de esfuerzos.

En la figura 4 se muestran las curvas real e idealizada de la relación esfuerzo - deformación de una arcilla suave durante su intervalo plástico.

Figura 4. Gráficas Real e Idealizada de una Arcilla en su Estado Plástico.
Plasticidad: Propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas,
 sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable y sin desmoronarse ni agrietarse.

La plasticidad de los suelos se debe a la carga eléctrica de las partículas laminares que generan campos que actúan como condensadores e influyen en las moléculas bipolares del agua. En suelos plásticos el espesor de estas capas de agua sólida y viscosa influidas, es grande y su efecto en la interacción de las partículas de suelo determinan su plasticidad.

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