Cuando los minerales de arcilla están presentes en el suelo de grano fi no, el suelo se puede remo- ver en presencia de algo de humedad sin que se desmorone. Esta naturaleza cohesiva se debe al agua adsorbida que rodea a las partículas de arcilla. En 1900, un científi co sueco llamado Albert Mauritz Atterberg desarrolló un método para describir la consistencia de los suelos de grano fi no con diferentes contenidos de humedad. Con un contenido de humedad muy bajo, el suelo se comporta más como un sólido quebradizo. Cuando el contenido de humedad es muy alto, el suelo y el agua pueden fl uir como un líquido. Por lo tanto, sobre una base arbitraria, dependiendo del contenido de humedad, la naturaleza del comportamiento del suelo puede ser dividido en cuatro estados básicos: sólido, semisólido, plástico y líquido, como se muestra en la fi gura 3.8.
Figura 3.8 Límites de Atterberg Sólido Límite de contracción Límite plástico Límite líquido Incremento del contenido de humedad
3.6 Consistencia del suelo 65
El contenido de humedad, expresado en porcentaje, en el que se lleva a cabo la transición del estado sólido al estado semisólido se defi ne como el límite de contracción. El contenido de humedad en el punto de transición del estado semisólido al estado plástico es el límite plástico, y del estado plástico al estado líquido es el límite líquido. Estos límites son también conocidos como límites de Atterberg.
Límite líquido (LL)
En la fi gura 3.9a se muestra el diagrama esquemático (vista lateral) de un dispositivo de límite líquido. Este dispositivo consiste en una copa de latón y una base de goma dura. La copa de latón se puede soltar sobre la base por una leva operada por una manivela. Para la prueba de límite lí- quido, se coloca una pasta de suelo en la copa y se hace un corte en el centro de la pasta de suelo, usando la herramienta de ranurado estándar (fi gura 3.9b). Entonces la copa se eleva con la leva accionada por la manivela y se deja caer desde una altura de 10 mm. El contenido de humedad, en porcentaje, necesario para cerrar una distancia de 12.7 mm a lo largo de la parte inferior de la ranura (ver las fi guras 3.9c y 3.9d) después de 25 golpes se defi ne como el límite líquido. La fi gura 3.10 muestra la fotografía de un dispositivo de límite líquido y una herramienta de ranurado.
El procedimiento para la prueba de límite líquido dada en ASTM es la Designación ASTM D-4318. Es difícil ajustar el contenido de humedad en el suelo para satisfacer el cierre requerido de 12.7 mm de la ranura en la pasta de suelo con 25 golpes. Por lo tanto, al menos se realizan cuatro pruebas para el mismo suelo con un contenido variable de humedad para determinar el número de golpes N, que varía entre 15 y 35, necesario para lograr el cierre. El contenido de humedad del suelo en porcentaje y el correspondiente número de golpes se representan gráfi camente en papel cuadriculado semilogarítmico (fi gura 3.11). La relación entre el contenido de humedad y log N es casi como una línea recta. Esto se conoce como curva de fl ujo. El contenido de humedad correspondiente a N 25, determinado a partir de la curva de fl ujo, da el límite líquido del suelo.
Otro método para la determinación del límite líquido, que es popular en Europa y Asia, es el método cono de penetración (British Standard—BS1377). En esta prueba el límite líquido se defi ne como el contenido de humedad en la que un cono estándar de ángulo de vértice 30º y un peso de 0.78 N (80 gf) penetra una distancia d 20 mm en 5 segundos cuando se deja caer desde una posición de punto de contacto con la superfi cie del suelo (fi gura 3.12a). Debido a la difi cultad para conseguir el límite de líquido de una sola prueba, pueden llevarse a cabo cuatro o más pruebas con diferentes contenidos de humedad para determinar la penetración del cono, d. Entonces se puede representar una gráfi ca semilogarítmica con un contenido de hume- dad (w) frente a la penetración del cono d. Los resultados de la trama en una línea recta. El con- tenido de humedad correspondiente a d 20 mm es el límite líquido (fi gura 3.12b). La fi gura 3.13 es la fotografía de un aparato de cono de penetración.
Límite plástico (PL)
El límite plástico se defi ne como el contenido de humedad, en porcentaje, en el que el suelo al enrollarse en hilos de 3.2 mm de diámetro se desmorona. El límite plástico es el límite inferior del escenario plástico del suelo. La prueba es simple y se realiza mediante rodados repetidos por parte de una masa de tierra de tamaño elipsoidal sobre una placa de vidrio esmerilado (fi gura 3.14).
El índice de plasticidad (PI) es la diferencia entre el límite líquido y el límite plástico de un suelo, o
(3.38)
PI LL PL
El procedimiento para la prueba de límite plástico se da en la norma ASTM, Designación ASTM D-4318.
Figura 3.9 Prueba de límite líquido: (a) dispositivo de límite líquido, (b) herramienta de ranurado, (c) porción de suelo antes de la prueba, (d) porción de suelo después de la prueba
27° 11 mm 2 mm 8 mm (b) (a) 50 mm 27 mm 46.8 mm 54 mm Suelo 8 mm 11 mm 2 mm 12.7 mm ) d ( ) c ( Sección Plan
3.6 Consistencia del suelo 67
Al igual que en el caso de la determinación del límite líquido, el método de penetración de cono se puede utilizar para obtener el límite plástico. Esto se puede lograr mediante el uso de un cono de geometría similar, pero con una masa de 2.35 N (240 gf). Se llevan a cabo de tres a cuatro pruebas con diferentes contenidos de humedad del suelo y se determinan las penetracio-
Figura 3.10 Dispositivo de límite líquido y herramienta de ranurado (Cortesía de Braja M. Das, Hen- derson, Nevada)
Figura 3.11 Curva de fl ujo para la determinación del límite líquido de una arcilla limosa 50 40 30 Contenido de humedad (%) 0 3 0 2 0 1 25 40 50 Número de golpes, N Límite líquido=42 Curva de flujo
nes de cono correspondientes (d). El contenido de humedad que corresponde a una penetración de cono de d 20 mm es el límite plástico. La fi gura 3.15 muestra la determinación de los límites líquido y plástico de Cambridge Gault para arcilla reportado por Worth y Wood (1978). Límite de contracción (SL)
La masa de suelo se contrae a medida que éste pierde humedad gradualmente. Con la pérdida continua de humedad se alcanza un estado de equilibrio hasta el punto en el que más pérdida de humedad no dará lugar a ningún cambio de volumen adicional (fi gura 3.16). El contenido de hu- medad, en porcentaje, en el que el cambio de volumen de la masa de suelo cesa se defi ne como
límite de contracción.
Pruebas de límite de contracción se llevan a cabo en el laboratorio con un plato de porce- lana de unos 44 mm de diámetro y aproximadamente 13 mm de altura. El interior de la cápsula se recubre con gelatina de petróleo y luego se llena completamente con el suelo mojado. El exceso de suelo por encima del borde de la placa se quita con una regla y se registra la masa del
Figura 3.12 (a) Prueba de penetración de cono. (b) Gráfi ca de contenido de humedad en función de la penetración de cono para la determinación del límite líquido
50 40 30 Contenido de humedad, w (%) 10 20 40 60 80 100 Penetración, d (mm) Límite líquido (a) (b) Peso, W 0.78 N d 40 mm 30° 55 mm Suelo
3.6 Consistencia del suelo 69
Figura 3.13 Dispositivo de penetración de cono (Cortesía de N. Sivakugan, James Cook University, Australia)
suelo húmedo en el interior del plato. Después la porción del suelo en el plato es secada en un horno. El volumen de la porción de tierra secado al horno se determina por el desplazamiento de mercurio. Este procedimiento se daba en la Designación ASTM D-427, y se ha descontinuado desde 2008. Debido a que el manejo de mercurio puede ser peligroso, la Designación ASTM D-4943 describe un método de inmersión de la porción de suelo secado en el horno en una olla de cera fundida. Al enfriarse la porción de suelo encerado se determina su volumen sumergién- dola en agua.
Figura 3.15 Determinación de los límites líquido y plástico de Cambridge Gault por medio de la prueba de penetración de cono
Figura 3.16 Defi nición del límite de contracción 60 70 50 40 Contenido de humedad, w (%) 1 2 5 10 20 50
Penetración del cono, d (mm) Límite líquido
Límite plástico
Peso del cono W 2.35 N W 0.78 N Δw Volumen de suelo Límite de contracción wi Vf Contenido de humedad (%) Límite plástico Límite líquido Vi
3.7 Actividad 71
Con base en la fi gura 3.16, se puede determinar el límite de contracción de la siguiente manera:
SL wi(%) w (%) (3.39)
donde
wi contenido de humedad inicial cuando se coloca el suelo en el plato del límite
de contracción
Δw cambio en el contenido de humedad (es decir, entre el contenido de humedad inicial y el contenido de humedad en el límite de contracción)
Sin embargo, wi (%) (3.40) m1 m2 m2 100 donde
m1 masa de la porción de suelo mojado en el plato al inicio de la prueba (g)
m2 masa de la porción de suelo seco (g) (véase la fi gura 3.17)
Además,
w(%) (Vi Vf)rw (3.41)
m2
100 donde
Vi volumen inicial de la porción de suelo húmedo (es decir, el volumen en el interior
del plato, cm3)
Vf volumen de la porción de suelo secada en el horno (cm3)
rw densidad del agua (g/cm3)
Ahora, combinando las ecuaciones (3.39), (3.40) y (3.41), tenemos
(3.42) SL am1 m2 m2 b (100) c(Vi Vf)rw m2 d (100)
3.7 Actividad
Dado que la propiedad plástica del suelo resulta del agua adsorbida que rodea las partículas de arcilla, es de esperar que el tipo de minerales de arcilla y sus cantidades proporcionales en un suelo afectará los límites líquido y plástico. Skempton (1953) observó que el índice de plas- ticidad de un suelo aumenta linealmente con el porcentaje de la fracción de tamaño de arcilla
Figura 3.17 Prueba de límite de contracción: (a) porción de suelo antes del secado; (b) porción de suelo después del secado
(a) (b) Volumen de suelo =Vi Masa de suelo= m1 Plato de porcelana Volumen de suelo =Vf Masa de suelo= m2
(más fi no de 2 m en peso) presente en ella. Sobre la base de estos resultados, Skempton defi ne una cantidad denominada actividad, que es la pendiente de la línea de correlación de PI y el por ciento más fi no que 2 m. Esta actividad se puede expresar como
(3.43)
A PI
porcentaje de tamaño de arcilla, por peso
donde A actividad. La actividad se utiliza como un índice para identifi car el potencial de hin- chazón de los suelos arcillosos. Los valores típicos para las actividades de diversos minerales de arcilla se enumeran en la tabla 3.3 (Mitchell, 1976).
Seed, Woodward y Lundgren (1964) estudiaron la propiedad plástica de varias mezclas preparadas artifi cialmente de arena y arcilla. Llegaron a la conclusión de que si bien la relación del índice de plasticidad para el porcentaje de la fracción de tamaño de arcilla es lineal, como fue observado por Skempton, la línea puede no pasar siempre a través del origen. Ellos demos- traron que la relación del índice de plasticidad con el porcentaje de la fracción de tamaño de arci- lla presente en un suelo puede ser representada por dos líneas rectas. Esta relación se muestra
Figura 3.18 Relación simplifi cada entre el índice de plasticidad y el porcentaje de la fracción de tamaño de arcilla por peso
Tabla 3.3 Actividad de los minerales de arcilla
Mineral Actividad, A Esmectitas 17 Ilita 0.51 Caolinita 0.5 Haloisita (2H2O) 0.5 Holoisita (4H2O) 0.1 Atapulgita 0.51.2 Alofano 0.51.2 40 10 0
Porcentaje de la fracción de tamaño de arcilla (<2 m)
3.9 Carta de plasticidad 73
cualitativamente en la fi gura 3.18. Para fracciones de arcilla de tamaño superior a 40%, la línea recta pasa por el origen cuando se proyecta hacia atrás.