Propiedades de las Partículas Sólidas

Tamaño de los granos. La propiedad más importante de los granos en los suelos de grano grueso es su distribución granulométrica o por tamaños, que se determina por medio de un análisis mecánico, Los tamaños de los elementos en granos gruesos pueden determinarse usando un juego de cribas. La malla que se usa más comúnmente en el campo o en el laboratorio es la no. 200 U. S. estándar, en la que la anchura de las mallas es de 0.075 mm. Por esta razón se ha aceptado como la frontera estándar entre los materiales de grano grueso y los de grano fino.

Para determinar la distribución granulométrica de las partículas de cualquier suelo que contenga material de grano fino, deberá usarse el método de análisis mecánico en húmedo. Los métodos de análisis en húmedo se basan en la ley de Stokes, que dice que la velocidad a la que cae una partícula esférica a través de un medio líquido es función del diámetro y del peso específico de la partícula. Se hace una suspensión del suelo, que se agita y luego se deja en reposo. Después que ha transcurrido un tiempo dado, todas las partículas mayores que las de un tamaño determinado se han asentado abajo de un plano situado a una profundidad arbitraria en la suspensión. Este tamaño puede calcularse por medio de la ley de Stokes, La densidad correspondiente de la suspensión a la profundidad arbitraria es la medida de la cantidad de suelo menor que el tamaño calculado. De esta manera, midiendo la densidad en tiempos diferentes, puede determinarse la distribución de los tamaños de las partículas.

En ingeniería, la densidad se mide usualmente con un hidrómetro. En el método D-422 de la ASTM se establecen los detalles del procedimiento. Se dispersa en un litro de agua destilada una muestra de aproximadamente 50g de suelo y se vierte en una probeta para sedimentación. Se agita la suspensión aproximadamente durante un minuto y se coloca la probeta en posición vertical sobre una superficie plana horizontal. Se introduce un hidrómetro especial de forma aerodinámica en la suspensión, y se toman lecturas de la densidad en varios intervalos de tiempo. Se acostumbra tomar lecturas a los 2, 4, 8, 15 minutos, y así sucesivamente. Los cálculos que se basan en estas lecturas permiten obtener la distribución granulométrica de las partículas, con la hipótesis de que todas las partículas son esféricas. En la realidad, las partículas de suelo más finas no son esféricas, sino que tienen forma de laminillas o de agujas. Por lo tanto, el tamaño de partículas que se determina es el diámetro de una esfera que se asentaría en la suspensión COn la misma velocidad que la partícula de suelo.

Una de las fuentes de error más comunes que intervienen en el análisis mecánico en húmedo es la inadecuada dispersión de las partículas de suelo de grano fino. El laboratorista puede creer que está determinando los tamaños de las partículas separadas, mientras que en realidad puede estar midiendo los tamaños de los flóculos compuestos de varias partículas. Para evitar la floculación, se añade a la suspensión una pequeña cantidad de un electrólito que se conoce con el nombre de agente dispersor. No hay manera de determinar por los medios ordinarios de laboratorio cuando se ha obtenido la dispersión máxima. Por tanto, algunas veces es necesario recurrir a diferentes métodos de dispersión, si hay razones para dudar de la validez de los datos obtenidos. Se ha encontrado que los compuestos polifosfatados son generalmente los agentes de dispersión más efectivos. El más usado comúnmente es el hexametafosfato de sodio, pero en algunas ocasiones el fosfato trisódico puede producir una dispersión más completa.

El uso del microscopio electrónico permite a los investigadores determinar la forma y tamaño real de las partículas de suelo de grano fino, pero este refinamiento no resulta práctico ni económico en la clasificación de rutina de los suelos.

Los resultados de los análisis mecánicos se presentan usualmente por medio de una curva de distribución granulométrica. El porcentaje P de material más fino que el de un tamaño determinado se dibuja en el eje de ordenadas, a escala natural, y el diámetro correspondiente de la partícula, D, en milímetros, se dibuja en el eje de abscisas, a escala logarítmica. Una gráfica de ese tipo tiene la ventaja que los materiales de igual uniformidad se representan por curvas de forma idéntica, sea el suelo de grano grueso o de grano fino. Además, la forma de la curva es una indicación de la granulometría. Los suelos uniformes están representados por líneas casi verticales, y los suelos bien graduados por curvas de forma de S que se extiende a través de varios ciclos de escala logarítmica. La fig. 1.2 muestra curvas de los tamaños de las partículas para suelos de varios tipos.

Las características granulométricas de los suelos pueden compararse más cómodamente, estudiando ciertos valores numéricos importantes deducidos de las curvas de distribución. Los dos más comúnmente usados por los ingenieros se designan como D10, el diámetro efectivo, y Cu = D60/D10, el coeficiente de uniformidad. El diámetro efectivo es el diámetro de la partícula correspondiente a P = 10 por ciento en la curva granulométrica. Por lo tanto, el 10 por ciento de las partículas son menores que el diámetro efectivo y el 90 por ciento, son mayores (vea la fig. 1.2). Es posible tener un suelo de granulometría discontinua con un coeficiente de uniformidad grande que esté realmente compuesto de dos fracciones uniformes. El coeficiente de curvatura,

,es un valor que puede usarse para identificar esos suelos como mal graduados. En las gravas bien graduadas Cu es mayor que 4 y Cz queda entre 1 y 3 En las arenas bien graduadas, Cu es mayor que 6 y Cz. está entre 1 y 3. (Consulte el título D-2487 de la ASTM, Clasificación de suelos para la ingeniería,)

Composición mineralógica. La propiedad más importante de los granos de los materiales de grano fino de los suelos es la composición mineralógica. Si las partículas del suelo son más pequeñas que 0.002 mm, la influencia de la fuerza de la gravedad en cada partícula es insignificante comparada con las fuerzas eléctricas que actúan en la superficie de la partícula. Un material en el que predomina la influencia de las cargas superficiales se dice que está en estado coloidal. Las partículas coloidales del suelo consisten principalmente en minerales de arcilla, que se originaron de los minerales de las rocas por meteorización, pero que tienen estructuras cristalinas que difieren de los minerales originales.

FIGURA 1.2 Curvas típicas de distribución granulométrica de alguno suelos naturales. (1) Gravilla, Gastle Tock.colo. (2) Grava de río Denver, Colo. (3) Morrena glacial, Peoria. III. (4) Arena, Grenada, Miss (5) Polvo de roca glacial, Winchester, Mass (6) Limo arcilloso, Smead. Mont. (7) Arcilla limosa, Marathon, Ontario , Can.

Los tres grupos más importantes de los minerales de arcilla son la esmect ita, la illita, y la caolinita. Todos ellos son silicatos de aluminio hidratados. Los resultados de los estudios en que se ha utilizado el microscopio electrónico y las técnicas de difracción de los rayos X, demuestran que los minerales de arcilla tienen una estructura reticular, en la que los átomos están dispuestos en varias capas, semejantes a las páginas de un libro. La disposición y la composición química de estas capas determina el tipo de material de arcilla.

Las unidades estructurales básicas de los minerales de arcilla son el tetraedro silícico y el octaedro aluminico.

Estas unidades se combinan formando capas de tetraedros y de octaedros para producir los diferentes tipos de arcillas. Los minerales de dos capas tienen una sola capa de tetraedros unida a una hoja sencilla de octaedros para formar una estructura reticular de 1:1. La caolinita es un mineral típico de dos capas. En los minerales de tres capas una capa sencilla de octaedros queda entre dos capas de tetraedros para dar una estructura reticular de 2:1. La fig. 1.3 es un croquis de la estructura de la montmorillonita, una de las esmectitas, representativa de la retícula 2:1. La estructura de la illita es semejante, pero algunos de los átomos de silicio han sido reemplazados por aluminio y, además, están presentes iones de potasio entre las hojas tetraédricas de cristales adyacentes.

Las diferencias en la configuración estructural de las retículas de la arcilla, en combinación con las variaciones causadas por la sustitución de otros átomos por el silicio y el aluminio, producen diferencias de intensidad en las cargas eléctricas que existen en las superficies de las diferentes clases de arcillas. Estas a su vez producen diferencias en las propiedades químicas.