Si el contenido de agua de una suspensión espesa de arcilla se reduce gradualmente, la mezcla de arcilla y agua pasa del estado líquido al estado plástico y, finalmente, al estado sólido.
Se ha encontrado que los contenidos de agua correspondientes a las transiciones de un estado a otro, usualmente son diferentes en las arcillas que tienen propiedades físicas diferentes cuando se han remoldeado, y son aproximadamente iguales en las arcillas que tienen propiedades físicas semejantes. Por lo tanto, las fronteras entre los estados de consistencia, pueden servir como propiedades índice, útiles en la clasificación de las arcillas.
El significado de los contenidos de agua que sirven de límite para cada estado físico fue sugerido por primera vez por A. Atterberg en 1911. Por lo tanto, estos límites se conocen comúnmente como límites de Atterberg, y las pruebas para determinarlos se llaman determinación de los límites de Atterberg. En la realidad, al pasar la mezcla de suelo y agua de un estado a otro, no se produce un cambio brusco en las propiedades físicas. Por lo tanto, las pruebas de los límites, son pruebas empíricas, que se
han adoptado para definir los valores de los mismos.
Arriba del límite líquido WL, el sistema de suelo y agua es una suspensión. Abajo del límite líquido y arriba del límite plástico Wp, el sistema de suelo y agua se dice que está en estado plástico. En este estado) el suelo puede deformarse o remoldearse sin la formación de grietas y sin que cambie de volumen. La amplitud de variación de la humedad en la cual el sistema se comporta como material plástico se llama frecuentemente intervalo plástico, y a la diferencia numérica entre el límite liquido y el limite plástico se le llama índice de plasticidad Ip (que con frecuencia se designa PI);
Indice de plasticidad, Ip =WL - Wp 1.12
Algo abajo del límite plástico, el sistema de agua y suelo llega al límite de contracción ws. La reducción de la humedad del suelo por secado abajo del límite de contracción no se acompaña de disminución de volumen; por el contrario, el aire entra en los huecos del sistema y el material se convierte en no saturado.
Los límites de Atterberg varían con la proporción de arcilla en el suelo, con el tipo de mineral arcilloso, y con la naturaleza de los iones adsorbidos en la superficie de la arcilla. Ya se dijo que las diferencias en la estructura atómica de los minerales arcillosos producen diferencias en las cargas eléctricas que están en las superficies de la arcilla. La existencia de estas cargas la indica la capacidad de las arcillas para adsorber iones de la solución. Los cationes (iones positivos) son más fácilmente adsorbidos que los aniones (iones negativos); por lo tanto) las cargas negativas deben predominar en las superficies de la arcilla. Un catión, como Na+, es fácilmente atraído a la superficie de la arcilla. Sin embargo, el ion adsorbido de Na+ no se une permanentemente; y pueden reemplazarlo iones de K+, Si la arcilla se coloca en una solución de cloruro de potasio KCI. Al proceso por el que se reemplaza el catión en exceso se le llama intercambio catiónico.
La capacidad de cambio de cationes de los diferentes tipos de minerales arcillosos, puede medirse lavando una muestra de cada uno de ellos en una solución de una sal que comúnmente no se encuentre en estado natural, como el cloruro de amonio NH4C1, y determinando la cantidad adsorbida de NH4+, midiendo la diferencia entre la concentración original y final de la solución de lavado. Conviene expresar la capacidad de intercambio catiónico en función del número de pesos equivalentes de un ion adsorbido por 100 g de mineral arcilloso, ya que este factor es independiente del peso de cada ion adsorbido y del número de cargas que se le asocian.
En la tabla 1.6 se dan los intervalos típicos de capacidades de intercambio cationico de varios minerales arcillosos.
TABLA 1.6 Capacidad de Intercambio Catiónico de los Minerales de la Arcilla
La tabla 1.6 indica que las montmorillonitas son aproximadamente 10 veces más activas para adsorber Cationes que las caolinitas. Por lo tanto, se requiere una cantidad mucho menor de montmorillonita que de caolinita para impartir las propiedades típicas de una arcilla a un suelo que tenga granos mezclados.
Aunque la facultad de adsorber agua en la superficie de un mineral arcilloso varía en el mismo orden que su capacidad de intercambio, también la afecta el tipo de cationes presentes. Por lo tanto, hay ciertas correlaciones entre las propiedades del sistema suelo—agua, tales como los límites de Atterberg, el tipo de mineral arcilloso, y la naturaleza de los iones adsorbidos. La tabla 1.7 presenta el límite líquido y el índice de plasticidad de diferentes minerales de arcilla con distintos iones adsorbidos. Comparando las tablas 1.6 y 1.7 se ve que existe realmente una correspondencia entre la capacidad de intercambio catiónico de una arcilla y sus propiedades con respecto a su humedad, medida por los límites de Atterberg. Resulta también evidente que cuanto mayor es la capacidad de intercambio de cationes de una arcilla, mayor será el efecto al intercambiar el catión adsorbido.
El tipo de mineral arcilloso y la naturaleza de los iones adsorbidos son importantes para la estabilización química de los suelos, en la extracción del agua por métodos eléctricos, y en otros problemas relativamente especializados. Puede obtenerse la información necesaria valiéndose de técnicas como las del análisis por medio de los rayos X. Sin embargo, para la mayor parte de los problemas sobre cimentaciones, la influencia de las características mineralógicas y químicas se acusan en forma adecuada en los valores de los límites de Atterberg.
El límite líquido y el índice de plasticidad constituyen unidos una medida de la
Tabla 1.7 Valores de los Limites de Atterberg de los Minerales de la Arcilla con Varios Cationes Adsorbidos
plasticidad de un suelo. Los suelos que poseen wL e Ip de grandes valores se dice que son muy plásticos. A los que tienen bajos valores se les llama ligeramente plásticos. La interpretación de las pruebas de los límites líquido y plástico se facilita usando la Carta de plasticidad desarrollada por A. Casagrande. En esta Carta (fig. 1.10), las ordenadas representan valores del índice de plasticidad, y las abscisas, valores del límite líquido. La Carta se divide en seis regiones por la línea inclinada A que tiene por ecuación Ip = 0.73 (WL - 20), y las dos líneas verticales WL = 30 y WL = 50. Todos los suelos representados por puntos arriba de la línea A son arcillas inorgánicas; la plasticidad varía de baja (WL < 30) a alta (WL > 50) con valores crecientes del límite líquido. Los suelos representados por puntos que quedan abajo de la línea A pueden ser limos inorgánicos, limos orgánicos, o arcillas orgánicas. Si son inorgánicos, se dice que son de compresibilidad baja, media o elevada, lo que depende de que su límite líquido sea inferior a 30, esté comprendido entre 30 y 50, o sea superior a 50. Si son limos orgánicos, están representados por puntos situados en la región correspondiente a un límite líquido entre 30 y 50 y, si son arcillas orgánicas, a un límite líquido superior a 50.
La diferencia entre suelos orgánicos e inorgánicos puede hacerse usualmente, ejecutando dos pruebas para determinar dos límites líquidos con el mismo material,
Figura 1.10. Carta de plasticidad (según A. Casagrande. 14).
una con suelo húmedo o secado al aire, y otra con el suelo secado en el horno. El secado en el horno produce cambios irreversibles en los componentes orgánicos que producen un límite líquido significativamente inferior. Si el límite de la muestra secada en el horno es inferior a aproximadamente 0.75 veces el de la muestra que no se secó de esa manera, el suelo puede clasificarse como orgánico. Unos cuantos minerales inorgánicos de arcilla y otros componentes de los suelos finos también experimentan cambios irreversibles al secarlos en el horno; por lo tanto, la identificación no puede basarse siempre en los resultados de las pruebas de los límites.
La humedad natural de una arcilla es en sí una propiedad índice útil. Sin embargo, tiene un mayor significado la relación de la humedad natural a los límites líquido y plástico. Los depósitos que tienen humedades cercanas al límite líquido son usualmente mucho más blandos que los que tienen humedades cercanas al límite plástico, Una de las propiedades características más importantes de los depósitos de arcilla natural es, por lo tanto, el índice de liquidez, definido por la ecuación
Puede verse que IL es negativo en los suelos que tengan humedades menores que el límite plástico. Al aumentar el contenido de agua del límite plástico al límite líquido, el valor de IL aumenta de O a 1.0. Si la humedad natural es mayor que el límite líquido, el índice de liquidez es mayor que 1.0. La consistencia de una arcilla remoldeada puede estimarse cuando se conocen su humedad natural y los valores de sus límites. Las relaciones se ilustran en la fig. 1.11.
Ninguna de las pruebas para determinar los límites de Atterberg es difícil de ejecutar, aunque se requiere cierta experiencia para desarrollar la técnica necesaria para obtener resultados reproducibles. La determinación del límite líquido se hace comúnmente, utilizando un aparato mecánico diseñado por A. Casagrande (fig. 1.12). Se coloca una muestra del suelo remoldeado en la copa, y se hace una ranura de 2 mm
Figura 1.11. Escala de contenidos de agua de un sucio, mostrando los Limites de Atterbert, el estado físico correspondiente, y la consistencia aproximada del suelo rermoldeado.
de ancho en su base, y de 8 mm de altura, en el centro de la pasta de suelo. Luego, el operador da vuelta a la manivela que levanta la copa a cierta altura de manera que el punto de contacto entre la copa y la base quede a un centímetro sobre la base, Desde esta posición la copa cae libremente. El suelo está en el límite liquido, si se requieren 25 golpes para hacer que los extremos inferiores de la ranura queden en contacto entre sí en una longitud de 13 mm. La humedad que tenga la muestra cuando se le da este número de golpes es el límite líquido.
La determinación del límite plástico se ejecuta formando cilindros delgados con una muestra de suelo plástico con un diametro de 3 mm. Si el suelo no se desmorona, se recoge el cilindro, se vuelve a amasar y se rola de nuevo. Se repite este proceso hasta que el cilindro se comienza a desmoronar precisamente cuando adquiera el diámetro de 3 mm. A la humedad a la que se desmorone el cilindro se la define como límite plástico.
El límite de contracción de un suelo se determina preparando una muestra de volumen conocido con una humedad superior al límite líquido, misma que se seca en un horno. Se miden el peso y el volumen de la muestra secada en el horno. Con estos datos y el contenido de agua inicial, se hace un cálculo de la humedad a la que la muestra seca estaría precisamente saturada. Se considera que esta humedad es el límite de contracción.
En los métodos estándar de la ASTM D423, D-424, y D-427, se dan los procedimientos detallados para realizar las pruebas del Límite Liquido, el Limite Plástico y el Límite de Contracción.
Figura 1.12. a) y b) Aparato mecánico para determinar el límite Líquido. c) Ranurador de Casa Grande d) Ranurador estándar de la ASTM.
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