LIMITES DE CONSISTENCIA 1 Generalidades Los límites de Atterberg o límites de consistencia se basan en el concepto de que los suelos finos, presentes en la naturaleza, pueden encontrarse en diferentes estados, dependiendo del contenido de agua. Así un suelo se puede encontrar en un estado sólido, semisólido, plástico, semilíquido y líquido. La arcilla, por ejemplo al agregarle agua, pasa gradualmente del estado sólido al estado plástico y finalmente al estado líqu ido. El contenido de agua con que se produce el cambio de estado varía de un suelo a otro y en mecánica de suelos interesa fundamentalmente conocer el rango de humedades, para el cual el suelo presenta un comportamiento plástico, es decir, acepta deformaciones sin romperse (plasticidad), es decir, la propiedad que presenta los suelos hasta cierto límite sin romperse. El método usado para medir estos límites de humedad fue ideado por Atterberg a principios de siglo a través de dos d os ensayos que definen los límites del d el estado plástico. Los límites de Atterberg son propiedades índices de los suelos, con que se definen la plasticidad y se utilizan en la identificación y clasificación de un suelo.
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Plasticidad y límites de consistencia Plasticidad es la propiedad que tienen algunos suelos de deformarse sin agrietarse, ni producir rebote elástico. Los suelos plásticos cambian su consistencia al variar su contenido de agua. De ahí que se puedan determinar sus estados de consistencia al variar si se conoce las fronteras entre ellas. Los estados de consistencia de una masa de suelo plástico en función del cambio de humedad son sólidos, semisólido, líquido y plástico. Estos cambios se dan cuando la humedad en las masas de suelo varía. Para definir las fronteras en esos estados se han realizado muchas investigaciones, siendo las mas conocidas las de Terzaghi y Attergerg. Para calcular los limites de Atterberg el suelo se tamiza por la malla Nº40 y la poción retenida es descartada. La frontera convencional entre los estados semisólido y plástico se llama límite plástico, que se determina alternativamente presionando y enrollando una pequeña porción de suelo plástico hasta un diámetro al cual el pequeño cilindro se desmorona, y no puede continuar siendo presionado ni enrollado. El contenido de agua a que se encuentra se anota anota como límite plástico. La frontera entre el estado sólido y semisólido se llama límite de contracción y a la frontera entre el límite plástico y líquido se llama límite líquido y es el contenido de agua que se requiere adicionar a una pequeña cantidad de suelo que se colocará en una copa estándar, y ranurará con un dispositivo de dimensiones también estándar, sometido a 25 golpes por caída de 10 mm de la copa a razón de 2 golpes/s, en un aparato estándar para limite líquido; la ranura efectuada deberá cerrarse en el fondo de la copa a lo largo de 13 mm.
En los granos gruesos de los suelos, las fuerzas de gravitación predomina fuertemente sobre cualquiera otra fuerza; por ello, todas las partículas gruesas tienen un comportamiento similar. En los suelos de granos muy finos, sin embargo fuerzas de otros tipos ejercen acción importantísima; ello es debido a que en estos granos, la relación de área a volumen alcanza valores de consideración y fuerzas electromagnéticas desarrolladas en la superficie de los compuestos minerales cobran significación. En general, se estima que esta actividad en la superficie de la partícula individual es fundamental para tamaños menores que dos micras (0,002 mm) 3
Relación entre las fases sólidas y liquidas en una arcilla Durante mucho tiempo se creyó que los minerales de las arcillas eran de naturaleza amorfa, pero todas las investigaciones de detalle realizadas hasta ahora han demostrado, que son cristalinos y altamente estructurados. Existen suelos que al ser remoldeados, cambiando su contenido de agua, si es necesario, adoptan una consistencia característica que se ha denominado plástica. Estos suelos han sido llamados arcillas originalmente por los hombres dedicados a la cerámica; la palabra pasó a la mecánica de suelos, en épocas más recientes, con idénticos significados. la plasticidad es en este sentido, una propiedad tan evidente que ha servido de antaño para clasificar suelos en forma puramente descriptiva. Pronto se reconoció que existía una relación específica entre la plasticidad y las propiedades fisico - químicas determinantes del comportamiento mecánico de las arcillas. Las investigaciones han probado que la plasticidad de un suelo es debida a su contenido de partículas más finas de forma laminar ya que esta ejerce una influencia importante en la compresibilidad del suelo, mientras que el pequeño tamaño propio de esas partículas hace que la permeabilidad del conjunto sea muy baja. Otras ramas de la ingeniería han desarrollado otra interpretación del concepto de plasticidad, como es el caso del esfuerzo-deformación de los materiales. Al tratar de definir en términos simples la plasticidad de un suelo, no resulta suficiente decir que un suelo plástico puede deformarse y remoldearse sin agrietamiento, pues una arena fina y húmeda tiene esas características cuando la deformación se produce lentamente y, sin embargo, no es plástica en un sentido más amplio de la palabra; hay entre el comportamiento de la arcilla y el de la arena en cuestión una importante diferencia: el volumen de la arcilla permanece constante durante la deformación, mientras que el de la arena varía; además, la arena se desmorona en deformación rápida. Por lo tanto, en mecánica de suelos podemos definir la plasticidad como la propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rápidas, sin rebote elástico, sin variación volumétrica apreciable y sin desmoronarse ni agrietarse. 4
Estados de consistencia. Límites de plasticidad Para medir la plasticidad de las arcillas se han desarrollado varios criterios de los cuales se menciona el desarrollado por Atterberg, el cual dijo en primer lugar que la plasticidad no es una propiedad permanente de las arcillas, sino circunstancial y dependiente de su contenido de agua. Una arcilla muy seca puede tener la consistencia de un ladrillo, con plasticidad nula, y esa misma, con gran contenido de agua, puede presentar las propiedades de un lodo semilíquido o, inclusive, las de una suspensión líquida. Entre ambos extremos, existe un intervalo del contenido de agua en que la arcilla se comporta plásticamente. En segundo lugar, Atterberg hizo ver que la plasticidad de un suelo exige, para ser expresada en forma conveniente, la utilización de dos parámetros en lugar de uno.
Según su contenido de agua en forma decreciente, un suelo susceptible de ser plástico puede estar en cualquiera de los siguientes estados de consistencia, definido por Atterberg. 1.- Estado líquido, con las propiedades y apariencias de una suspensión. 2.-Estado Semilíquido, con las propiedades de un fluido viscoso. 3.-Estado Plástico, en que el suelo se comporta plásticamente. 4.-Estado semi sólido, en el que el suelo tiene la apariencia de un sólido, pero aún disminuye de volumen al estar sujeto a secado. 4.1
Selección para la determinación de los límites de plasticidad
Es importante que las muestras seleccionadas para determinar los límites sean lo más homogéneas que se pueda lograr. A este respecto, ha de tenerse en cuenta, que el aspecto de una arcilla inalterada es muy engañoso; a simple vista puede no presentar la menor indicación de estratificación, ni cambio de color y ello no obstante, su contenido natural de humedad puede variar grandemente en diferentes zonas de la misma muestra extraída del terreno, con correspondientes variaciones apreciables en los límites líquidos. 5. Ensayos 5.1 Preparación seca de muestras para ensayes de suelo La muestra proveniente del terreno deberá secarse completamente al horno a una temperatura que no exceda los 60 grados celsius. Previo a esto el material se cortará en tamiz de 5 mm (No.4) en el cual quedará una cantidad suficiente de material para obtener un graduación representativa, que dependerá del tamaño máximo de las partículas que se requieren para este ensayo. Los límites de consistencia requieren 400 g de material que pasan por el tamiz de 0.05 mm (No 40), distribuidos de la siguiente manera: Limite líquido 100 g, limite plástico 20 g, límite de contracción 30 g, ensaye de chequeo 250 g. Se hará cuidadosamente y sólo con la presión suficiente para soltar el material fino adherido. El suelo así molido será separado en dos fracciones mediante uso de malla 0.5 mm (No 40) y la fracción retenida, nuevamente molida. Este proceso deberá repetirse hasta que una pequeña cantidad pase por malla de 0.5 mm (No 40). La fracción retenida se elimina. Todo material que pasa por tamiz de 0.5 mm (No 40) será mezclado y homogeneizado para efectuar los ensayes de límites de consistencia. 5.2
Contenido de humedad Según la Nch 1515 Of.79 establece el procedimiento para determinar la humedad del suelo cuyas partículas son menores que 50 mm, esto se hace a través de una diferencia de pesos de las muestras en los estados húmedos y secos. La cantidad mínima de la muestra para este ensaye esta dada por la tabla V.10 : Tamaño máximo de partículas (mm) 50 25 12,5 5 2 0,5
Tamaño mínimo de la muestra de ensaye (g) 3000 1000 750 500 100 10
Tabla V.10 Cantidad mínima de la muestra de ensaye
Los aparatos requeridos para este fin son los siguientes:
a) Balanza : Con precisión de 0,01(g) para muestra menores de 100 (g) ,de 0,1 (g) para muestras entre 100 (g) y 1000 (g), y 1 (g) para muestras mayores que 1000 (g). b) Horno : Con circulación de aire y con temperatura regulable capaz de mantenerse en 110±5 C. c) Recipientes : de porcelana capaz de resistir la corrosión y que no altere su masa ni se desintegre ante sucesivos cambios de temperatura. d) Herramientas y accesorios : Espátula, brochas etc. 5.3 Determinación del límite líquido ( NCh 1517) 5.3.1 Alcance y campo de aplicación. Este método establece el procedimiento para determinar el límite líquido de los suelos mediante el método mecánico. Complementariamente se incluye el método puntual. En general, se debe aplicar el método mecánico ya que el método puntual es aplicable solamente en control de faenas cuando se ha determinado previamente la curva de flujo por el método mecánico y cuando las especificaciones particulares para el suelo a ensayar así lo indiquen.
5.3.2 Aparatos a) Plato de evaporación: De porcelana un diámetro aproximado de 120 mm. b) Espátula: Con una hoja flexible de aproximadamente 75mm de largo y 20mm de ancho. c)Aparato de límite líquido (Ver Fig.5.14) : Taza de bronce con una masa de 200±20(g) montada en un dispositivo de apoyo fijado a una base de plástico duro de una resilencia tal que una bolita de acero de 8 mm de diámetro, dejada caer libremente desde una altura de 25 cm rebote entre 75% y 90%. d) Acanalador : Combinación de acanalador y calibre, construido de acuerdo con el plano y dimensiones de uno de los tipos indicados en Fig.5.15. e) Recipientes. Para la muestras de contenido de humedad. f) Balanza. Con una precisión de 0.01(g) g) Probeta. Con una capacidad de 25 ml. h) Horno. Con los requerimientos de Nch 1515 Of 77.
Aparato de limite liquido
5.3.3 Tamaño de la muestra de ensaye. La muestra de ensaye debe tener un tamaño igual o mayor que 100(g) del material que pasa por el tamiz de 0.5 (ASTM N O40) obtenido de acuerdo con la norma AASHTO 387-80 Nota: Cuando se efectúa además la determinación del límite de contracción, aumentar el tamaño de muestra requerida para dicho ensaye. 5.3.4 Ajuste y control del aparato de límite líquido. - Ajustar la altura de la caída de la taza, se gira la manivela hasta que la taza se eleve a su mayor altura. Utilizando el calibrador de 10 mm (adosado al ranurador ), se verifica que la distancia entre el punto de percusión y la base sea de 10 mm exactamente. De ser necesario, se aflojan los tornillos de fijación y se mueve el ajuste hasta obtener la altura de caída requerida. Si el ajuste es correcto se escuchará un ligero campanilleo producido por la leva al golpear el tope de la taza; si la taza se levanta por sobre el calibre o no se escucha ningún sonido debe realizarse un nuevo ajuste. Verificar periódicamente los aspectos siguientes: Que no se produzca juego lateral de la taza por desgaste del pasador que la sostiene; Que los tornillos que conectan la taza con el apoyo estén apretados; Que el desgaste de la taza no sobrepase la tolerancia de masa. Que el desgaste de la base no exceda de 0,1 mm de profundidad. Cuando suceda esto, debe pulirse nuevamente verificando que se mantiene la resilencia. Que el desgaste de los soportes no llegue al punto de quedar apoyados en sus tornillos de fijación; Que el desgaste del ranurador no sobrepase las tolerancias dimensionales. - Previo a cada ensaye se verificará que la taza y la base estén limpias y secas. 5.3.5 Acondicionamiento de la muestra - Colocar la muestra en el plato de evaporación. Agregar agua destilada y mezclar completamente mediante la espátula. Continuar la operación durante el tiempo y con la cantidad de agua destilada necesaria para asegurar una mezcla homogénea. - Curar la muestra durante el tiempo necesario para que las fases líquida y sólida se mezclen homogéneamente. Nota: en suelos de alta plasticidad este plazo no debe ser menor que 24 h. En suelos de baja plasticidad este plazo puede ser mucho menor y en ciertos casos puede eliminarse. 5.3.6 Método Mecánico - Colocar el aparato de límite líquido sobre una base firme. - Cuando se ha mezclado con suficiente agua para obtener una consistencia que requiera aproximadamente 15 a 20 golpes para cerrar la ranura, tomar una porción de la mezcla ligeramente mayor a la cantidad que se someterá a ensaye. - Colocar esta porción en la taza con la espátula, centrada sobre el punto de apoyo de la taza con la base; comprimirla y extenderla mediante la espátula, evitando incorporar burbujas de aire en la mezcla. Enrasar y nivelar a 10 mm en el punto de máximo espesor. Reincorporar el material excedente al plato de evaporación. Nota: El nivelado a 10 mm implica un volumen de material de aproximadamente 16 cm³ y una longitud de surco, medida sobre la superficie nivelada de aproximadamente 63 mm. - Dividir la pasta de suelo pasando el acanalador cuidadosamente a lo largo del diámetro que pasa por el eje de simetría de la taza de modo que se forme una ranura clara y bien delineada de las dimensiones especificadas. El acanalador de Casagrande se debe pasar manteniéndolo perpendicular a la superficie interior de la taza. En ningún caso se debe
aceptar el desprendimiento de la pasta del fondo de la taza; si esto ocurre se debe retirar todo el material y reiniciar el procedimiento. La formación de la ranura se debe efectuar con el mínimo de pasadas, limpiando el acanalador después de cada pasada. - Colocar el aparato sobre una base firme, girar la manivela levantando y dejando caer la taza con una frecuencia de dos golpes por segundo hasta que las paredes de la ranura entren en contacto en el fondo del surco a lo largo de un tramo de 10 mm. Si el cierre de la ranura es irregular debido a burbujas de aire, descartar el resultado obtenido. Repetir el proceso hasta encontrar dos valores sucesivos que no difieran en más de un golpe. Registrar el número de golpes requerido ( N). - Retirar aproximadamente 10 g del material que se junta en el fondo del surco. Colocar en un recipiente y determinar su humedad ( w) de acuerdo con NCh 1515 Of 79 - Transferir el material que quedo en la taza al plato de evaporación. Lavar y secar la taza y el ranurador. - Repetir las operaciones precedentes por lo menos en dos pruebas adicionales empleando el material reunido en el plato de evaporación. El ensaye se debe efectuar de la condición más húmeda a la mas seca. La pasta de suelo se bate con la espátula de modo que vaya secando homogéneamente hasta obtener una consistencia que requiera de 15 a 35 golpes para cerrar la ranura. Nota: Se recomienda efectuar este ensaye en cámara húmeda. Si no se cuenta con este equipo deben tomarse las precauciones necesarias para reducir la evaporación. 5.3.7 Expresión de resultados - Calcular y registrar la humedad de cada prueba (w) de acuerdo con NCh 1515 Of 79. - Construir un gráfico semilogarítmico, con una humedad ( w) como ordenada en escala aritmética y el número de golpes ( N) como abscisa en escala logarítmica. - Dibujar los puntos correspondientes a los resultados de cada una de las tres (o más) pruebas efectuadas y construir una recta (curva de flujo) que pase tan aproximadamente como sea posible por dichos puntos. - Expresar el límite líquido ( WL) del suelo como la humedad correspondiente a la intersección de la curva de flujo con la abscisa de 25 golpes, aproximando al entero más próximo. 5.3.8 Método puntual - Proceder según lo anterior, excepto que la muestra debe prepararse para obtener una consistencia que requiera 20 a 30 golpes para cerrar la ranura. Deben observarse a lo menos dos resultados consecutivos consistentes antes de aceptar una prueba. Registrar el numero de golpes requerido (N). La muestra para determinar la humedad debe tomarse sólo para la prueba más aceptada. El ensaye debe efectuarse desde la condición más seca del suelo. - Calcular y registrar la humedad de la prueba aceptada ( w) de acuerdo con NCh 1515 Of79. - El punto obtenido se debe confrontar con la curva de flujo determinada previamente para el mismo tipo de suelo.
