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La superficie específica y el comportamiento de los suelos
La superficie específica de las partículas de suelo, es un parámetro fundamental que permite conocer el predominio de fuerzas gravitacionales o fuerzas eléctrico-químicas sobre las mismas, lo cual influye de manera directa en el comportamiento macro del terreno. Pero, ¿qué es la superficie específica? ¿Cómo puede determinarse? Si quieres aprender más sobre este tema, continúa leyendo…
Contenido
Definición de superficie específica de una partícula de suelo
Las fuerzas de las cuales depende el comportamiento de los suelos de grano grueso, son diferentes de aquellas que gobiernan el de los suelos de grano fino. Los suelos de grano grueso son afectados significativamente por su propio peso (lo cual implica la acción de la gravedad), mientras que la importancia de las fuerzas eléctricas y capilares cobran mayor importancia a medida que el tamaño de las partículas disminuye, y por ende se incrementa su superficie específica Se.
La superficie específica Se de una partícula se define como la relación entre su área A y su masa M. La relevancia de Se en el comportamiento del suelo, puede ser inferida mediante el análisis de la siguiente expresión, que relaciona las fuerzas eléctricas con la fuerza gravitatoria (Santamarina et al, 2002):
En la expresión anterior: Felec = fuerzas eléctricas; W = peso de la partícula; A = área de la partícula; Rdd = fuerzas de repulsión; Att = fuerzas de atracción; M = masa de la partícula; g = aceleración de la gravedad. Resulta evidente que, al incrementarse Se, aumenta Felec al ser dos términos directamente proporcionales, lo cual implica una mayor influencia de dichas fuerzas en el comportamiento del suelo.
Por otro lado, la Tabla 1 resume las principales características de algunos minerales de arcilla típicos, así como de limos y arenas de diferentes tamaños de grano.
Tabla 1 Propiedades de minerales de arcillas, limos y arenas (Fuente: compilado de Santamarina et al 2022, y Baver, 1956).
Propiedad | Arcilla | Limo | Arena | |||
Montmorillonita | Illita | Kaolinita | D = 0,002 mm | D = 0,01 mm | D = 0,1 mm | |
Se (m2/g) | 400 – 800 | 80 – 100 | 10 – 20 | 0,15 | 0,03 | 0,003 |
LL | 100 – 950 | 60 – 120 | 30 – 110 | — | — | — |
LP | 50 – 100 | 35 – 60 | 25 – 40 | — | — | — |
Actividad | 0,9 – 7,0 | 0,5 – 1.0 | 0,3 – 0,5 | — | — | — |
Se = superficie específica; LL = límite líquido; LP = límite plástico; D = diámetro de la partícula.
La información mostrada en la tabla anterior resulta muy interesante, pues permite deducir que los valores de Se para las arcillas son considerablemente superiores, en varios órdenes de magnitud, a los correspondientes a limos y arenas. Asimismo, resulta evidente que los valores de LL y de Actividad son directamente proporcionales a Se, lo cual implica que arcillas con mayor Se, tendrán una reacción más pronunciada ante la presencia de agua. Es por eso que, por ejemplo, el potencial de hinchamiento de una arcilla montmorillonítica (de elevada Se) es más alto que el de una kaolinita (con un valor bajo de Se).
Determinación de la superficie específica en suelos
La determinación de Se puede resultar muy útil para la estimación de las propiedades de una muestra de suelo, y para predecir su comportamiento ingenieril.
Un procedimiento relativamente sencillo para estimar Se es el propuesto por Santamarina et al (2002), el cual está basado en la información obtenida de un ensayo de granulometría por tamizado e hidrómetro típico:
Según se desprende de la expresión anterior, en base al coeficiente de uniformidad Cu, la densidad del agua ρω, la gravedad específica de las partículas sólidas Gs, y el diámetro medio de la muestra D50, es posible estimar el valor de Se para una muestra de suelo.
Por otro lado, Farrar & Coleman (1967) desarrollaron una expresión para estimar Se (en m2/g) en función de LL, a partir de análisis realizados sobre arcillas británicas con valores de LL variables entre 28 y 121:
Se= 1,8LL – 34
Aunque aproximadas, estas ecuaciones permiten tener una idea del orden de magnitud de Se para una muestra de suelo. En estudios de suelos rutinarios, sería posible desarrollar un perfil de la variación de Se con la profundidad, a partir de la información proveniente de ensayos granulométricos y de límites de consistencia, lo cual constituiría una herramienta muy útil para estimar el comportamiento esperado del suelo.
Importancia y aplicaciones de la superficie específica en la Ingeniería Geotécnica práctica
De acuerdo a Santamarina et al (2002), los procesos físicos que gobiernan el comportamiento del suelo cambian cuando Se excede de aproximadamente 1 m2/g, debido a que los suelos con mayor Se experimentan procesos de sedimentación y formación controlados por factores ambientales, y presentan un marcado incremento de la rigidez en condiciones no saturadas, acompañado de una marca contracción volumétrica.
Incluso pequeñas cantidades de finos pueden tener un efecto considerable en el comportamiento de los suelos gruesos. Los finos rellenan los espacios de los poros entre las partículas más grandes, controlan la permeabilidad del suelo, determinan si una determinada condición de carga es drenada o no drenada, y aumentan el umbral de deformación elástica y de degradación de los suelos. Además, un porcentaje relativamente pequeño de finos puede formar puentes estabilizadores entre los contactos de partículas más gruesas, que proporcionan una resistencia y rigidez significativas al suelo (por ejemplo, el caso del loess). El Sistema Unificado de Clasificación de Suelos reconoce estas observaciones, separa claramente los finos de los suelos gruesos, capta la importancia de los finos en los suelos gruesos, e incluso aborda si esos finos son de alta o baja plasticidad, es decir, de alta o baja superficie específica (Santamirna et al, 2002).
En base a lo anterior, resulta evidente que el comportamiento del terreno dependerá de la cantidad de partículas de arcilla, es decir, de la fracción coloidal FF (partículas de tamaño inferior a 2 μm) que contenga el suelo. Así, además del perfil de variación de Se con la profundidad, es posible emplear el criterio originalmente propuesto por Mitchell (1976), y complementado posteriormente por Lupini et al (1981) y Boiero (2021), según el cual, desde el punto de vista práctico (es decir, para ser aplicado en proyectos geotécnicos rutinarios), cuando FF > 20% el suelo tendrá un comportamiento “como arcilla”, debido a la presencia de suficientes partículas con elevada Se como para hacer prevalecer las fuerzas electroquímicas en el comportamiento macro de la masa de suelo; y para FF < 20% el suelo tendrá un comportamiento “como arena”, totalmente regido por la fase granular. La Figura 1 ilustra cualitativamente lo anterior.
Figura 1 Estructura de suelos en los que FF < 20% (izquierda), en los que predominan fuerzas gravitacionales, y FF > 20% (derecha), en las que predominan fuerzas electroquímicas, debido a su elevada Se (Fuente: modificada de Holtz et al, 2011).
Con esto cerramos este post. Como comentario final, creo oportuno mencionar que, dado que el comportamiento de una masa de suelo está ligado a la cantidad de partículas coloidales que contenga, y considerando que el LL constituye una manera relativamente sencilla de estimar la influencia de dichas partículas, es fundamental que la determinación de los límites de Atterberg se lleve a cabo de manera precisa en laboratorio.
Referencias
- Baver, L.D. (1956) “Soil physics”. John Wiley and Sons, New York.
- Boiero, A. (2021) “Development of a rational methodology for soil geotechnical characterization”. 6th International Conference on Geotechnical and Geophysical Site Characterization. Available at http://isc6.org/images/Cikkek/Sessions/ISC2020-12.pdf. Budapest, Hungary.
- Farrar, D.M., and Coleman, J.D. (1967) “The correlation of surface area with other properties of nineteen British clays”. Journal of Soil Science, 18(1): 118–124. London, UK.
- Holtz, R.; Kovacs, W. & Sheahan, T. (2011) “An introduction to Geotechnical Engineering”. Second Edition. Prentice Hall. New Jersey, USA.
- Lupini, J., Skinner, A. & Vaughan, P. (1981) “The drained residual strength of cohesive soils”. Geotechnique, 31, pp. 181-212. London, UK.
- Mitchell, J. (1976) «Fundamentals of soil behavior”, 1st John Wiley & Sons, New Jersey, USA.
- Santamarina, J., Klein, K., Wang, Y. & Prencke, E. (2002) “Specific surface: determination and relevance”. Canadian Geotechnical Journal, 39, pp. 233-241. Canada.
