LIMITES DE CONSISTENCIA1GeneralidadesLos lmites de Atterberg o lmites 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.As un suelo se puede encontrar en un estado slido, semislido, plstico, semilquido y lquido.La arcilla, por ejemplo al agregarle agua, pasa gradualmente del estado slido al estado plstico y finalmente al estado lquido.El contenido de agua con que se produce el cambio de estado vara de un suelo a otro y en mecnica de suelos interesa fundamentalmente conocer el rango de humedades, para el cual el suelo presenta un comportamiento plstico, es decir, acepta deformaciones sin romperse (plasticidad), es decir, la propiedad que presenta los suelos hasta cierto lmite sin romperse.El mtodo usado para medir estos lmites de humedad fue ideado por Atterberg a principios de siglo a travs de dos ensayos que definen los lmites del estado plstico.Los lmites de Atterberg son propiedades ndices de los suelos, con que se definen la plasticidad y se utilizan en la identificacin y clasificacin de un suelo.

2Plasticidad y lmites de consistenciaPlasticidad es la propiedad que tienen algunos suelos de deformarse sin agrietarse, ni producir rebote elstico.Los suelos plsticos cambian su consistencia al variar su contenido de agua. De ah 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 plstico en funcin del cambio de humedad son slidos, semislido, lquido y plstico. Estos cambios se dan cuando la humedad en las masas de suelo vara. Para definir las fronteras en esos estados se han realizado muchas investigaciones, siendo las mas conocidas las de Terzaghi yAttergerg.Para calcular los limites de Atterberg el suelo se tamiza por la malla N40 y la pocin retenida es descartada.La frontera convencional entre los estados semislido y plstico se llama lmite plstico, que se determina alternativamente presionando y enrollando una pequea porcin de suelo plstico hasta un dimetro al cual el pequeo cilindro se desmorona, y no puede continuar siendo presionado ni enrollado. El contenido deagua a que se encuentra se anota como lmite plstico.La frontera entre el estado slido y semislido se llama lmite de contraccin y a la frontera entre el lmite plstico y lquido se llama lmite lquido y es el contenido de agua que se requiere adicionar a una pequea cantidad de suelo que se colocar en una copa estndar, y ranurar con un dispositivo de dimensiones tambin estndar, sometidoa 25 golpes por cada de 10 mm de la copa a razn de 2 golpes/s, en un aparato estndar para limite lquido; la ranura efectuada deber cerrarse en el fondo de la copa a lo largo de 13 mm.En los granos gruesos de los suelos, las fuerzas de gravitacinpredomina fuertemente sobre cualquiera otra fuerza; por ello, todas las partculas gruesas tienen un comportamiento similar.En los suelos de granos muy finos, sin embargo fuerzas de otros tipos ejercen accin importantsima; ello es debido a que en estos granos, la relacin de rea a volumen alcanza valores de consideracin y fuerzas electromagnticas desarrolladas en la superficie de los compuestos minerales cobran significacin. En general, se estima que esta actividad en la superficie de la partcula individual es fundamental para tamaos menores que dos micras (0,002 mm)3Relacin entre las fases slidas y liquidas en una arcillaDurante mucho tiempo se crey 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 caracterstica que se ha denominado plstica. Estos suelos han sido llamados arcillas originalmente por los hombres dedicados a la cermica; la palabra pas a la mecnica de suelos, en pocas ms recientes, con idnticos significados. la plasticidad es en este sentido, una propiedad tan evidente que ha servido de antao para clasificar suelos en forma puramente descriptiva. Pronto se reconoci que exista una relacin especfica entre la plasticidad y las propiedades fisico - qumicas determinantes del comportamiento mecnico de las arcillas. Las investigaciones han probado que la plasticidad de un suelo es debida a su contenido de partculas ms finas de forma laminar ya que esta ejerce una influencia importante en la compresibilidad del suelo, mientras que el pequeo tamao propio de esas partculas hace que la permeabilidad del conjunto sea muy baja.Otras ramas de la ingeniera han desarrollado otra interpretacin del concepto de plasticidad, como es el caso del esfuerzo-deformacin de los materiales.Al tratar de definir en trminos simples la plasticidad de un suelo, no resulta suficiente decir que un suelo plstico puede deformarse y remoldearse sin agrietamiento, pues una arena fina y hmeda tiene esas caractersticas cuando la deformacin se produce lentamente y, sin embargo, no es plstica en un sentido ms amplio de la palabra; hay entre el comportamiento de la arcilla y el de la arena en cuestin una importante diferencia: el volumen de la arcilla permanece constante durante la deformacin, mientras que el de la arena vara; adems, la arena se desmorona en deformacin rpida.Por lo tanto, en mecnica de suelos podemos definir la plasticidad como la propiedad de un material por la cual es capaz de soportar deformaciones rpidas, sin rebote elstico, sin variacin volumtrica apreciable y sin desmoronarse ni agrietarse.4Estados de consistencia. Lmites de plasticidadPara 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 semilquido o, inclusive, las de una suspensin lquida. Entre ambos extremos, existe un intervalo del contenido de agua en que la arcilla se comporta plsticamente. En segundo lugar, Atterberg hizo ver que la plasticidad de un suelo exige, para ser expresada en forma conveniente, la utilizacin de dos parmetros en lugar de uno.Segn su contenido de agua en forma decreciente, un suelo susceptible de ser plstico puede estar en cualquiera de los siguientes estados de consistencia, definido por Atterberg.1.- Estado lquido, con las propiedades y apariencias de una suspensin.2.-Estado Semilquido, con las propiedades de un fluido viscoso.3.-Estado Plstico, en que el suelo se comporta plsticamente.4.-Estado semi slido, en el que el suelo tiene la apariencia de un slido, pero an disminuye de volumen al estar sujeto a secado.4.1Seleccin para la determinacin de los lmites de plasticidadEs importante que las muestras seleccionadas para determinar los lmites sean lo ms homogneas que se pueda lograr. A este respecto, ha de tenerse en cuenta, que el aspecto de una arcilla inalterada es muy engaoso; a simple vista puede no presentar la menor indicacin de estratificacin, ni cambio de color y ello no obstante, su contenido natural de humedad puede variar grandemente en diferentes zonas de la misma muestra extrada del terreno, con correspondientes variaciones apreciables en los lmites lquidos.5. Ensayos5.1Preparacin seca de muestras para ensayes de sueloLa muestra proveniente del terreno deber secarse completamente al horno a una temperatura que no exceda los 60 grados celsius. Previo a esto el material se cortar en tamiz de 5 mm (No.4) en el cual quedar una cantidad suficiente de material para obtener un graduacin representativa, que depender del tamao mximo de las partculas que se requieren para este ensayo.Los lmites de consistencia requieren 400 g de material que pasan por el tamiz de 0.05 mm (No 40), distribuidos de la siguiente manera:Limite lquido 100 g, limite plstico 20 g, lmite de contraccin 30 g, ensaye de chequeo 250 g.Se har cuidadosamente y slo con la presin suficiente para soltar el material fino adherido. El suelo as molido ser separado en dos fracciones mediante uso de malla 0.5 mm (No 40) y la fraccin retenida, nuevamente molida. Este proceso deber repetirse hasta que una pequea cantidad pase por malla de 0.5 mm (No 40). La fraccin retenida se elimina. Todo material que pasa por tamiz de 0.5 mm (No 40) ser mezclado y homogeneizado para efectuar los ensayes de lmites de consistencia.5.2Contenido de humedadSegn la Nch 1515 Of.79 establece el procedimiento para determinar la humedad del suelo cuyas partculas son menores que 50 mm, esto se hace a travs de una diferencia de pesos de las muestras en los estados hmedos y secos.La cantidad mnima de la muestra para este ensaye esta dada por la tabla V.10:Tamao mximo de partculas(mm)Tamao mnimo de la muestra deensaye (g)

503000

251000

12,5750

5500

2100

0,510

Tabla V.10Cantidad mnima de la muestra de ensayeLos aparatos requeridos paraeste fin son los siguientes:a) Balanza: Con precisin 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 circulacin de aire y con temperatura regulable capaz de mantenerse en 1105C.c) Recipientes: de porcelana capaz de resistir la corrosin y que no altere su masa ni se desintegre ante sucesivos cambios de temperatura.d) Herramientas y accesorios: Esptula, brochas etc.

Contraccin y Expansin

Las grietas de contraccin pueden presentarse localmente cuando las presiones capilares exceden la cohesin o resistencia a la tensin del suelo. Estas grietas, parte de la microestructura de la arcilla, son zonas de debilidad que pueden reducir significativamente la resistencia general y afectan la estabilidad de taludes de arcilla y la capacidad de carga de fundaciones. La corteza desecada y agrietada usualmente se encuentra sobre depsitos de arcilla blanda y afecta la estabilidad de, por ejemplo, terraplenes de autopistas construidas sobre estos depsitos.

La contraccin y grietas de contraccin son causadas por evaporacin de la superficie en climas secos, disminuyendo el nivel de la tabla de agua y eventualmente la desecacin del suelo causada por los rboles durante temporadas de sequa en climas hmedos.

En la siguiente tablase presenta la experiencia de U.S. Bureau of Reclamation sobre investigaciones de suelos expansivos y arcillas expansivas, toda vez que al cambiar el clima de seco a hmedo y los suelos tienen nuevamente acceso al agua tienden a incrementar su volumen o expandirse.

El proceso de contraccin y expansin no es reversible, el suelo tiene memoria de su historia de esfuerzos y mostrar los efectos de contraccin previo y ciclos de secado. As, arcillas blandas se convierten en sobreconsolidadas y menos compresibles debido al efecto del incremento en los esfuerzos efectivos causados por accin capilar.

En la figura 6 se presenta la correlacin entre la expansin y el colapso con el lmite lquido y la densidad seca in situ de los suelos, basada en la experiencia del U.S. Bureau of Reclamation.

Figura 6. Gua para la Colapsibilidad, Compresibilidad y Expansin basada en las Densidades In Situ y el Lmite Lquido (adaptado de Mitchell y Gardner, 1975 y Gibbs, 1969).

El suelo seco se expande al mojarse e inversamente, el suelo hmedo se contrae al secarse. Se sabe que el agua puede sacarse del suelo hmedo por compresin ; el suelo seco ejerce una gran presin cuando se est humedeciendo. Se puede medir la cantidad de presin que un suelo seco o coloide ejerce cuando se est humedeciendo.

El hinchamiento de los suelos se define como el fenmeno que ocurre cuando aumenta el volumen de un slido y disminuye su cohesin, mientras ste absorbe un lquido sin perder su homogeneidad aparente.

Factores que afectan el hinchamiento :

1. Tipo de arcilla, arena superficial, arreglo estructural, densidad de la carga superficial, fuente de la carga.2. Cationes y aniones asociados con la arcilla.3. Materia orgnica.4. Sesquixidos.5. Agua entre las capas de arcilla.

Influencia de la Histresis del Agua del Suelo

El potencial de agua no es funcin nica del contenido de agua del suelo, sino que depende de la historia previa de la humedad de la muestra. A este fenmeno se le llama histresis del agua del suelo.

En la figura 7 se representa el efecto de la histresis de un suelo que inicialmente estuvo saturado, luego se sec lentamente hasta un valor de - 1500 julios/kg, despus se le moj con incrementos similares de agua hasta hacerlo llegar cerca del punto de saturacin, donde las curvas se cerraron. Si el proceso de secamiento hubiera cesado mas pronto, la curva de mojadura hubiera tenido una trayectoria distinta, tal como lo muestra la curva scanning B-A. De igual manera, si el secamiento hubiera comenzado antes que se alcanzara la saturacin completa, la curva de secamiento habra seguido la trayectoria de la curva scanning A-C. Si el suelo se hubiera secado mas de lo que indica la figura, la curva de mojadura sera una curva scanning. La curva de secamiento limitante se encuentra con secamiento que comienza con saturacin completa y la curva de mojadura limitante comienza con el suelo a la mayor sequedad posible, pues en la mayora de las aplicaciones de campo el secamiento es al aire (los suelos pueden secarse con P2O5 en el vaco, para conseguir secamiento completo).

Las curvas anteriores dependen de la temperatura, estructura y composicin. Cuando estas variables se mantienen constantes, los puntos que se determinan experimentalmente deben caer entre las curvas limitantes.

Figura 7. Histresis del Agua del Suelo.

2.1.- Estructura y clasificacin de los minerales de arcillaLas arcillas consisten en apilamientos polimricos tiposandwichde capas de tetraedros y octaedros. Las capas tetradricas (T) estn compuestas de Si-O, mientras que las octadricas (O) de Al-O y Al-(OH). Como veremos ms adelante, el silicio puede ser substituido por aluminio en las capas tetradricas, y el aluminio por cationes divalentes (Mg, Fe2+) en las octadricas. Dependiendo de la organizacin espacial de las capas (TO-TO- ..., TOT-TOT- ...) clasificaremos a las arcillas en dos tipos: 1:1 y 2:1. El tipo 1:1 consiste en una capa tetradrica unida a una octadrica (TO). Arcillas representativas de este tipo son las del grupo de la caolinita, cuya frmula genrica es:[Sin1Al4-n1]Aln1 + n2-4Fen33+O10(OH)8nH2Odonde n = 1, 2, 3. La capa octadricatiene solo dos tercios de los huecos ocupados (cationes trivalentes), razn por la cual hablaremos de una arcilla dioctadrica(2 de cada 3 huecos octadricos ocupados), con un coeficiente de hidratacin (molculas de agua) = 0, excepto para la halloysita, con nH2O= 4.

Estructura 1:1 (TO-TO- ) de arcillas tipo caolinita.La estructura tipo 2:1 consiste en una capa octadrica cubierta a la manera de unsandwichpor dos capas tetradricas (TOT). Tres grupos de arcillas presentan esta estructuracin: illita, vermiculita y esmectita. Su frmula qumica genrica es:Cx[Sin1Al8-n1] Aln1+n2-8Fen33+Fen42+Mgn5Mn6O20(OH)4Cxrepresenta x moles de un catin univalente (1+; por ejemplo, K en illita) que permite balancear la carga negativa creada por: 1) el reemplazo isomorfo de Si (4+) por Al (3+) en la capas tetradricas; 2) el reemplazo isomorfo de Al por Mg o Fe2+en las capas octadricas; o 3) el reemplazo de Mg en los octaedros por un catin dado, por ejemplo, Li en la hectorita.

Estructura 2:1 (TOT-TOT- ) de arcillastipoesmectita.Los oxgenos de las capas tetradricas que se disponen arriba y abajo de la octadrica en las estructuras tipo 2:1, se distribuyen formando hexgonos con un hueco central. Si se produce una substitucin en la capa octadrica de Al por Mg o Fe2+, el exceso de cargas negativas har que la superficie de oxgenos de los tetraedros adquiera una carga que permite ligar cationes (carga positiva) en los huecos anteriormente mencionados. Si adems se producen substituciones de Si4+por Al3+en los tetraedros, la carga negativa, y por lo tanto capacidad de atraccin de cationes se incrementar an ms.Tambin se desarrollan cargas negativas en los bordes del armazn de las arcillas, aunque su importancia disminuye del tipo 1:1 al 2:1.