ASCENSION CAPILAR Los continuos espacios vacíos del suelo pueden comportarse en conjunto como tubos capilares con secciones transversales diferentes. En contraste con lo que ocurre en los tubos, los vacíos continuos del suelo se comunican entre sí en toda dirección, constituyendo un enrejado de vacíos. En la Figura se ha colocado suelo en un cilindro transparente. La parte inferior ha sido protegida para evitar que el suelo salga, pero permitir el contacto con el agua, mientras que el extremo superior queda expuesto a la atmósfera. Algún tiempo después de poner en contacto la parte inferior del tubo con el agua, la Figura 4.6a muestra que el agua asciende capilarmente hasta una altura máxima hc. A una altura, la Figura 4.6b muestra que el suelo está completamente saturado, mientras la región de suelo comprendida entre hcs y hc según la Figura 4.6b, está parcialmente saturada de agua. La Figura 4.6c, muestra que el ascenso capilar resulta ser más rápido mientras el grado de saturación disminuya. Hazen (1930) obtuvo una ecuación que permite determinar el máximo ascenso capilar de agua en el suelo, que es:
Donde: hc = Máximo ascenso capilar en el suelo. e = Índice de vacíos. D10 = Tamaño efectivo. C = Constante que depende de la forma de las partículas. a. Columna de suelo en contacto con el agua. b. Variación del grado e saturación en la columna de suelo. c. Variación de la velocidad del ascenso capilar en el suelo. La constante C, puede ser estimada según a la forma y estado de las partículas del suelo con la Tabla.
La Figura muestra dos curvas que han sido determinadas experimentalmente de la observación del ascenso capilar en diversos suelos. A la altura hcs, se la llama altura de saturación capilar y puede ser determinada con la Figura 4.7. Para lo cual, debe ingresarse a la Figura con un valor del diámetro efectivo en milímetros, luego de interceptar a la curva deseada, entonces se tendrá una aproximación del ascenso capilar correspondiente al caso. En un perfil de suelo, el agua ascenderá capilarmente a partir del nivel freático y saturará todos los espacios vacíos hasta una altura hcs con respecto al nivel freático. El máximo ascenso capilar se registrará a una altura hc. Al igual que en los tubos, mientras más pequeñas sean las partículas del suelo, mayor será el ascenso capilar.
La Tabla muestra un rango aproximado del ascenso capilar para diversos suelos.
CAPILARIDAD Ascensión del agua por encima del nivel freático del terreno a través de los espacios intersticiales del suelo, en un movimiento contrario al de la gravedad. El movimiento ascendente del agua en un tubo capilar representa el fenómeno de capilaridad. Dos fuerzas son responsables por la capilaridad: 1 – atracción del agua por superficies sólidas (adhesión o adsorción) y 2 – tensión superficial del agua, que en gran parte está debida a la atracción entre las moléculas de agua (cohesión).
Las fuerzas de cohesión entre moléculas de agua y de adhesión entre el agua y superficies sólidas en un sistema suelo-agua. Esas fuerzas son en gran parte, resultado de los puentes de hidrógeno representados por las líneas punteadas.
La fuerza de adhesión o adsorción disminuye rápidamente con la distancia de la superficie sólida. La cohesión entre moléculas de agua resulta en la formación de agrupaciones temporales que están constantemente cambiando de tamaño y forma a medida que moléculas individuales de agua son liberadas o se unen a otras. La cohesión entre moléculas de agua también hace que la fase sólida se restrinja indirectamente la libertad del movimiento del agua hasta determinada distancia, además de la interface sólido-líquido. Teoría del Tubo Capilar
Donde:
P: Es el peso de la columna de agua F: Fuerza de ascensión capilar: Ts: tensión superficial del agua por unidad de línea de contacto entre el agua y el tubo (≅0,0764 g/cm para agua pura y vidrio limpio).
hc: altura de la ascensión capilar; d: diámetro del tubo γa = α =
peso específico del agua ángulo de contacto (en el caso del agua y vidrio limpio este ángulo es cero).
Observaciones: En suelos arenosos es común que la ascensión capilar alcance alturas del orden de 30cm a 50cm. Sin embargo, en terrenos arcillosos la capilaridad puede alcanzar hasta los 80 m de Según Souza Pinto (2003), la altura de ascensión capilar máxima es de pocos centímetros para pedregullos, 1 a 2 metros para arenas, 3 a 4 metros para el limo y decenas de metros para las arcillas. F órmula E mpírica de H azen
Puede ser empleada para una estimativa grosso modo de la altura de la ascensión capilar.
La I mportancia de los F enómenos Capilares
En la construcción de pavimentos de carreteras: si el terreno donde se funda un pavimento está constituido por un suelo limoso y el nivel freático está poco profundo, para evitar la
ascensión capilar de agua es necesario substituir el material limoso por otro con menor potencial de capilaridad.
La contracción de los suelos: Cuando toda la superficie de un suelo esta sumergida en agua, no hay fuerza capilar, pues α = 90º. Sin embargo, a medida que el agua va siendo evaporada,
se van formando meniscos apareciendo fuerzas capilares que aproximan las partículas.
Cohesión aparente de arenas húmedas: Si la arena fuese seca o saturada, la cohesión se deshace. Los meniscos se deshacen cuando el movimiento entre los granos aumenta y las deformaciones son muy grandes.
Sifón Capilar: Observado en las presas, el sifón, o sifonamiento capilar consiste en la filtración del agua bajo el núcleo impermeable de la presa. ASCENSIÓN CAPILAR EN SUELOS En contraste con lo que ocurre en los tubos capilares, los huecos de los suelos y de la mayoría de los materiales porosos tienen un ancho variable y se comunican entre sí formando un enrejado. Si este enrejado se comunica abajo con el agua, su parte inferior se satura completamente. En la parte superior, el agua se ocupa de los huecos más pequeños, pues los mayores permanecen llenos de aire. La ascensión del agua por los poros de una arena seca se puede demostrar en laboratorio. Se llena de arena un tubo vertical con una malla perforada en el fondo, y se coloca este fondo en contacto con el agua. El agua asciende por capilaridad saturando la arena del fondo, que adquiere un color oscuro, hasta una altura hcc por encima del nivel de agua. Entre la altura hcc y la altura hc la arena está parcialmente saturada. A medida que disminuye el diámetro efectivo, también lo hace el tamaño de los poros y aumenta la ascensión capilar. La altura hc (cm) se obtiene aproximadamente de: Donde C es una constante empírica cuya dimensión es cm2 y que depende de la forma de los granos y de las impurezas superficiales entre otras cosas. Su valor varía entre 0.1 y 0.5 cm2.
PRESIÓN CAPILAR EN EL SUELO. SUCCIÓN Toda el agua situada por encima de la capa freática está a presión inferior a la atmosférica. En todos los puntos en los que el menisco toca los granos de suelo, las fuerzas capilares actúan causando una presión intergranular dentro de dicho suelo. Esta presión intergranular se llama presión capilar.
El agua, que no tiene una resistencia al esfuerzo cortante, tiene, sin embargo, una resistencia considerable a la tracción. En ensayos de equitracción se medido una resistencia a tracción de 223±5 atmósferas a 27º C en agua desaireada. Se han medido resistencias de 6 a 40 atmósferas en agua con aire disuelto. El término succión se aplica para designar la diferencia entre la presión del aire, ua, y la del agua, uw: s = ua - uw. El pF de un suelo es el logaritmo en base 10 de la succión expresada en centímetros de agua. El valor máximo medido del pF es del orden de 7, y corresponde a una arcilla desecada a 110º C.
CAPILARIDAD Y CONTRACCIÓN EN SUELOS
ARCILLOSOS
Dos fuerzas: Adsorción entre las partículas activas del suelo y el agua y las fuerzas osmóticas, propias de la fase líquida y explicada por el potencial del agua debido a la presencia de solutos en solución que pueden ser especies inorgánicas o componentes orgánicos, explican la capilaridad de las arcillas. En la adsorción influyen la adherencia y la tensión superficial. El movimiento, la retención o la pérdida de agua en el suelo están controlados por gradientes energéticos, gracias a la presencia de las energías potencial, cinética y eléctrica. El potencial del agua pura es cero y el del agua en el suelo es negativo. El gradiente energético determina la dirección y la velocidad del movimiento del agua en el suelo.
