En el artículos anterior, se describieron métodos sencillos para identificar la mayor parte de los componentes de los suelos. Sin embargo, estos métodos representan solamente el primer paso en la descripción adecuada de esos materiales, que debe completarse con otros procedimientos que den resultados cuantitativos que puedan relacionarse a las propiedades físicas que interesan directamente al ingeniero. Como se dijo en el art. 1.2, las pruebas necesarias para este objeto se conocen como pruebas de clasificación, y los resultados como propiedades Indice de los suelos.

Ejecutando las pruebas convenientes de clasificación y determinando las propiedades Indice correspondientes, el ingeniero adquiere medios para describir con precisión un suelo dado, sin usar descripciones verbales que están sujetas a mal interpretaciones debido a la vaguedad de la terminología. El desarrollo de la facultad de pensar en los suelos en función de valores numéricos de sus propiedades índice, debe ser uno de los objetivos principales de todo ingeniero interesado en cimentaciones.

Las propiedades índice pueden dividirse en dos tipo generales, en propiedades de los granos de los suelos y propiedades del agregado o conjunto. Las propiedades de los granos son las correspondientes a las partículas individuales de que está compuesto el suelo, sin hacer referencia a la manera en que estas partículas están dispuestas en un depósito de suelo. Así, es posible determinar las propiedades de los granos de cualquier muestra de suelo, esté alterada o no. Por otra parte, las propiedades del suelo en conjunto, dependen de la estructura y disposición de las partículas en la masa del suelo. Aunque comúnmente se usan las propiedades de los granos para fines de identificación, el ingeniero debe saber que las propiedades del suelo en conjunto tienen una mayor influencia en el comportamiento desde el punto de vista técnico de un suelo.

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 (abertura) 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 debajo 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 esa 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 50 g 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 cuándo 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 su tamaño determinado se dibuja en el eje de ordenadas, a escala natural, y el diámetro correspondiente de la partícula, D_p, en milímetros, se dibuja en el eje de abcisas, 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 C_u=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. 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 C_Z= (D₃₀)²/(D₁₀XD₆₀)

es un valor que puede usarse para identificar esos suelos como mal graduados. En las gravas bien graduadas, C_U es mayor que 4 y C_Z queda entre 1 y 3. En las arenas bien graduadas, C_U es mayor que 6 y C_Z 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 gravedad en cada partícula es insignificante comparada con las fuerza 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.

Los tres grupos más importantes de los minerales de arcilla son la esméctica, 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 la páginas de un libro. La disposición y la composición química de estas capas determina el tipo de mineral de arcilla.

Las unidades estructurales básicas de los minerales de arcilla son el tetraedro silícico y el octaedro alumínico. Estas unidades se combinan formando capas de tetraedros y de octaedros para producir los diferentes tipo 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 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 Ilita es semejante, pero algunos de los átomo de silicio han sido remplazados 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, como se discute en el art. 1.7.

Guillermo Arizpe Narro

Ingeniero Civil / Consultor

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