UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA Facultad de Ingeniería Civil
INFORME N°02: CAPILARIDAD
1. INTRODUCCIÓN:
Dentro del campo de la ingeniería ingeniería civil es muy importante el estudio de la capilaridad debido a que esta propiedad física que tiene el agua afecta a la construcción ya que la capilaridad es un fenómeno natural que se produce por la absorción del agua a través de materiales porosos como lo son todos los materiales de construcción. Así, la humedad contenida en la tierra es absorbida por la cimentación y las paredes. Las consecuencias son: la caída del revestimiento, manchas, mohos, malos olores, salitre, ácaros, etc. Es por eso que en el presente informe hemos realizado la práctica correspondiente a capilaridad para ver que tan importante es está propiedad del agua para fututos casos de construcción de obras civiles.
La capilaridad se puede controlar con aditivos u otros materiales
2. OBJETIVOS :
Visualizar Visualiza r la capilaridad capila ridad de dos d os tipos de suelo: sue lo: Arcilla y Arena Aren a.
Mediante la deducción de la siguiente fórmula:
determinar el radio de los
tubos capilares que se forman en la s masas de arena y arcilla.
Determinar los factores de los cuales depende la capilaridad en suelos.
Realizar la comparación de ambos tipos de suelos y concluir con la determinación del mejor de estos, estos, según factores de capilaridad.
Observar cómo actúa la capilaridad ante un mejoramiento de terreno.
Describir problemas y beneficios que esta capilaridad genera.
MECÁNICA MECÁNIC A DE FLUIDOS I - CAPILARIDAD
1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA Facultad de Ingeniería Civil
3. REVISIÓN DE LITERATURA : 3.1 LA CAPILARIDAD
Es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial (la cual a su vez, depende de la cohesión o fuerza intermolecular del líquido), que le confiere la capacidad d e subir o bajar por un tubo capilar. Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular (o cohesión intermolecular) entre sus moléculas es menor a la adhesión del líquido con el material del tubo (es decir, es un líquido que moja). El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y ésta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin utilizar energía para vencer la gravedad. 3.2 TUBO CAPILAR
Un aparato comúnmente empleado para demostrar la capilaridad es el tubo capilar; cuando la parte inferior de un tubo de vidrio se coloca verticalmente, en contacto con un líquido como el agua, se forma un menisco cóncavo; la tensión superficial succiona la columna líquida hacia arriba hasta que el peso del líquido sea suficiente para que la fuerza de la gravedad se equilibre con las fuerzas intermoleculares. Cuanto más pequeño es el diámetro del tubo capilar mayor será la presión capilar y la altura alcanzada. Entre algunos materiales, como el mercurio y el vidrio, las f uerzas intermoleculares del líquido exceden a las existentes entre el líquido y el sólido, por lo que se forma un menisco convexo y la capilaridad trabaja en sentido inverso.
Efectos de capilaridad en agua y mercurio
MECÁNICA DE FLUIDOS I - CAPILARIDAD
2
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA Facultad de Ingeniería Civil
3.3 TENSIÓN SUPERFICIAL
En física se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para disminuir su superficie por unidad de área.Esta definición implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. Este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero (Gerris lacustris), desplazarse por la superficie del agu a sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos ylas superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. 3.4 DE QUE DEPENDE LA CAPILARIDAD
La capilaridad depende de muchos factores, tales como el material del que está fabricado el tubo o lámina, del fluido, de las fuerzas de adhesión y cohesión existentes entre el fluido y el otro material; todas estas características determinarán la forma del menisco en la superficie del fluido dentro del capilar, así como también la altura a la que éste llegará. 3.5 CAPILARIDAD EN SUELOS.
Al contrario que en los tubos capilares los huecos en suelos tienen ancho variable y se comunican entre sí formando un enrejado. Si este enrejado se comunica por abajo con el agua, su parte inferior se satura completamente. Más arriba el agua solo ocupa los huecos pequeños y los mayores quedan con aire. La ascensión del agua por los poros de u na arena seca se puede estudiar en el laboratorio.
MECÁNICA DE FLUIDOS I - CAPILARIDAD
3
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA Facultad de Ingeniería Civil 3.6
HUMEDADES SUBSUELO
POR
CAPILARIDAD.
FILTRACIONES
DE
AGUA
DEL
Las humedades y filtraciones causadas por capilaridad son quizá las más problemáticas de tratar. Tanto por la dificultad para detectar el punto de origen de la filtración, como por los trabajos que deben llevarse a cabo para corregir el problema. Son también las más peligrosas pues pueden afectar a los cimientos y estructuras de soporte de una casa deteriorándolos si no se toman medidas.
Las humedades por capilaridad tienen dos orígenes fundamentalmente: filtraciones de agua de lluvia, y filtraciones de agua subterránea. 3.7
LEY DE JURIN:
La ley de Jurin define la altura que se alcanza cuando se equilibra el peso de la columna de líquido y la fue rza de ascensión por capilaridad. La altura h en metros de una columna líquida está dada por la ecuación:
Para un tubo capilar de vidrio limpio sus ángulos toman lo s siguientes valores:
Agua: = 0°
Mercurio: = 140°
Donde:
= tensión superficial interfacial (N/m) = ángulo de contacto = densidad del líquido (kg/m³) g = aceleración debido a la g ravedad, por lo tanto:(m/s²) r = radio del tubo (m)
MECÁNICA DE FLUIDOS I - CAPILARIDAD
4
UNIVE
5
IDAD NACIONAL DE CAJAMARCA Facul ad de Ingenierí a Ci il
RESULTADOS Y DISCUSION
1.
DATOS GENERALES DEL AGUA: DATOS
2.
25 º
(ºC) =
Tº
(N/m3)=
=
0º
(N/m) =
0.0728
DATOS DEL LABORATORIO: CA ©
AR A
E A ARC
A
Cuadro 1 Tiempo =
3 min
Nº MEDIDAS
LADO 1
LADO 2
LADO 3
LADO 4
H1 (cm)
3
2.4
2.8
2.7
H2 (cm)
2.9
2.5
2.7
2.9
H3 (cm)
3
2.2
2.8
2.2
H4 (cm)
2.6
2.7
2.4
2.4
H5 (cm)
2.4
2.7
2.3
2.4
Promd. De lado
2.78
2.5
2.6
2.52
H prom. =
2.6 cm
=
0.0 26 m
Cuadro 2 Tiempo =
5 min
Nº MEDIDAS
LADO 1
LADO 2
LADO 3
LADO 4
H1 (cm)
3.2
2.8
2.9
2.9
H2 (cm)
3
2.7
2.8
3.2
H3 (cm)
3.3
2.5
3.1
2.7
H4 (cm)
2.9
3.1
2.6
2.8
H5 (cm)
2.7
2.8
2.8
2.9
Promd. De lado
3.02
2.78
2.84
2.9
H prom. (cm)=
MECÁ CA E F
¡
¢
¦
£
¡
¢
2.88 cm
¡
¥
CA ¨
§
¤
¡
£
AR A ¡
¢
¢
=
0. 0288 m
5
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA Facul ad de Ingenierí a Ci il Cuadro 3 Tiempo =
8 min
Nº MEDIDAS
LADO 1
LADO 2
LADO 3
LADO 4
H1 (cm)
3.5
3.1
3.3
3.4
H2 (cm)
3.3
3.3
3.1
3.5
H3 (cm)
3.4
2.8
3.2
2.9
H4 (cm)
3.1
3.2
2.9
2.9
H5 (cm)
2.9
3.1
3
3.2
H prom. (cm)=
3.155 cm
=
0. 03155 m
CÁLCULOS: Determinación del radio de los tubos capilares de la arcilla FORMULA APLICATIVA
×
Despejando tenemos:
MECÁ CA D E F
DOS I - CA IL AR ID A D
6
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA Facul ad de Ingenierí a Ci il
CA IL AR ID A D D E L A ARE A
!
Cuadro 1
1.5
1.2
1
0.9
2
1
0. 7
1.5
1.
1.5
1.5
1.
1.2
2
1.7
1.
0.5
0.5
1
0.8
1.24
1.18
1.2
1.
"
"
6
#
#
Cuadro 2
1.5
1.6
1
1.
2. 4
1.4
1
1.7
1.4
1.7
1.8
1.8
1.4
2.1
2.1
1.7
0. 8
1.6
1.6
1.2
1.5
1.68
1.5
1.54
$
Cuadro 3
1.5
2
1
1.5
2. 8
2.1
1.5
2.1
1.7
1.9
2
2
1.2
2.1
2.5
1.9
0.9
1.6
2
1.8
1.62
1.6167
1.8
1.86
MECÁ I CA D E F LUIDOS I - CA IL AR ID A D
7
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA Facul ad de Ingenierí a Ci il
CÁLCULOS: Determinación del radio de los tubos capilares de la ar ena FORMULA APLICATIVA
×
Despejando tenemos:
MECÁ I CA D E F LUIDOS I - CA IL AR ID A D %
&
8
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA Facultad de Ingeniería Civil y
Se comparó el ascenso capilar obtenido de ambos materiales para tres tiempos. La siguiente tabla presenta los resultados obtenidos:
CUADRO COMPARATIVO DE ALTURAS PARA TRES TIEMPOS
3
TIEMPO (min) ALTURA PROMEDIO OBTENIDA DE LA ARCILLA (cm) ALTURA PROMEDIO OBTENIDA DE LA ARENA
(cm)
min
5 min
8 min
2.
2.
3.1
1.4
1.5
1.
2
De la gráfica se observa que el ascenso capilar de la arcilla es mayor al de la arena para cualquiera de los tres tiempos.
MECÁNICA DE FLUIDOS I - CAPILARIDAD
10
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA Facultad de Ingeniería Civil y
Relación entre el radio de cada material y el ascenso capilar . ARCILLA
y
ARENA
RADIO (mm)
0.4
0.
ALTURA (cm)
3.1
1.
2
Para los datos se tiene que: entre más pequeño sea el radio del material mayor será el ascenso capilar, es por dicha razón que en nuestro ensayo la arcilla tuvo un mayor ascenso capilar debido a que el radio de sus tubos capilares son de menor radio y por lo tanto menor diámetro. Esto también se puede deducir de la fórmula: R=2..cos/ (. H)
Si H (altura) aumenta
el radio R es menor y
Si H (altura) disminuye
el radio R aumenta.
MECÁNICA DE FLUIDOS I - CAPILARIDAD
11
UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA Facultad de Ingeniería Civil y
Se procedió a realizar una simulación de mejoramiento de terreno, para observar la influencia de la capilaridad ANTES y DESPUÉS del mejoramiento. Capilaridad de Arena
ARC
C C
)
0
2
1
3
0
A
AC
3
1
AGUA
2
1
Capilaridad de Arena + Piedra chancada
ARCILLA
PIEDR A CHANCADA C NTACTO CON AGUA 1
Se puede observar que cuando se realizó el ensayo de capilaridad de la arcilla sola, el agua ascendía conforme transcurría el tiempo, mientras que cuando se realizó el ensayo colocando una capa de piedra chancada entre la arcilla y el agua de contacto la capilaridad fue casi nula debido a que esta fue obstruida por los espacios pronunciados entre piedras.
MECÁNICA DE FLUIDOS I - CAPILARIDAD
12