Ensayos para determinar los límites de consistencia
o límites de Atterberg
Referencias
Límite Líquido Límite Plástico Límite de contracción AASHTO T89-68
ASTM 423-668 AASHTO T90-70 ASTM D424-59 AASHTO T92-68 ASTM D427-61
Objetivos
Entender el procedimiento a seguir para determinar los límites de consistencia de un suelo.Medir los límites de humedad y así conocer e identificar la plasticidad de los suelos para su posterior clasificación. Determinar el porcentaje de humedad del suelo que ha producido un cilindro de aproximadamente 3 mm de diámetro. Es decir, el porcentaje o contenido de agua que limita el estado plástico del estado resistente semisólido.
Obtener el contenido de humedad por debajo del cual no se presenta cambio adicional en el volumen de una masa de suelo y obtener una indicación cuantitativa del cambio total que puede ocurrir.
Equipos
Recipiente para hacer el ensayo del límite líquido con herramienta para hacer la ranura.
Recipientes para contenido de humedad.
Placa de vidrio para hacer el límite plástico (opcional).
Cápsula de contracción.
Placa de vidrio con tres apoyos.
Recipiente volumétrico y placa plana.
Mercurio metalico.
Límites de Atterberg
Los límites de Atterberg, o límites de consistencia, sirven para cuantificar la plasticidad de un suelo y se basan en el concepto de que los suelos finos, presentes en la naturaleza, pueden encontrarse en diferentes estados, dependiendo del contenido de agua. Estos límites, establecidos por Atterberg en 1911, miden la plasticidad del suelo a través de las humedades que separan los tres estados (sólido, plástico y viscoso), o lo que es lo mismo, las humedades necesarias para que un suelo alcance los estados límite sólido y viscoso. Los límites propuestos por Atterberg son: límite líquido (LL), límite plástico (LP), limite de
contracción (LC), limite de cohesión y límite de pegajosidad. Estos
dos últimos han sido muy poco utilizados universalmente.
La figura siguiente muestra la escala de contenidos de humedad en el suelo, mostrando los límites de Atterberg y la consistencia aproximada de un suelo remoldeado:
Se ha determinado que tanto el límite líquido como el límite plástico dependen del porcentaje de arcilla presente en el suelo.
Límite líquido (LL). Es el contenido de humedad por debajo del cual el
suelo se comporta como un material plástico. A este nivel de contenido de humedad el suelo está en el vértice de cambiar su comportamiento al de un fluido viscoso. Se encuentra en la frontera entre el límite plástico y líquido.
El límite líquido es el contenido de humedad al cual una masa de suelo húmedo colocada en un recipiente en forma de capsula de bronce, separada en dos por la acción de una herramienta para hacer una ranura y dejarla caer desde
una altura de 1 cm, sufra después de dejarla caer 25 veces una falla o cierre de la ranura en una longitud de 12.7 mm.
El límite líquido puede estar afectado por el tipo de suelos y otros factores adicionales. Para intentar reducir variaciones en el ensayo, se han desarrollado herramientas patrón para hacer la ranura. Una de las herramientas para realizar la ranura es la propuesta por la ASTM; la otra herramienta patrón fue desarrollada por Casagrande (1932), y tiene la ventaja de permitir un mejor control de la profundidad de la pasta de suelos en la cazuela. La herramienta de la ASTM es mejor para suelos con bajo límite líquido.
Para controlar la velocidad de golpeado del recipiente, se debe rotar la manivela a una velocidad aproximada de 120 rpm o sea una tasa de 120 golpes por minuto.
En la práctica es difícil mezclar el suelo de manera tal que el cierre ocurra exactamente a 25 golpes, pero Casagrande encontró que graficando los valores del contenido de agua de las pruebas que se acercaran al número de golpes contra el logaritmo del número de golpes se obtenía una línea recta llamada curva de flujo (ver figura 11). Donde la curva de flujo atraviesa los 25 golpes, este contenido de agua se denomina límite líquido.
La ecuación de la curva de flujo es: donde,
w: Contenido de agua como porcentaje del peso seco.
Fw: Indice de flujo, pendiente de la curva de flujo, igual a la variación del contenido de agua correspondiente a un ciclo de la escala
logarítmica.
N: Número de golpes. Si N < 10, aproxímese a medio golpe; por
ejemplo, si en el golpe 6 se cerró la ranura 0.63 cm (1/4”) y en el golpe 7 se cerró 1.9 cm (3/4”), repórtense 6.5 golpes.
Como el hacer un gran numero de ensayos de límite líquido puede tomar mucho tiempo, la Estación Experimental de Hidrovías (Waterways Experiment Station) concluyó sobre el análisis de 767, que el límite líquido se puede establecerutilizando la ecuación:
( )
donde =contenido de humedad al numero de golpes N obtenido en el ensayo
=pendiente de la recta característica en el grafico semilogaritmico
vs. Log N
Para esta serie de valores de límite liquido, se encontró que tan =0.121 resultó una buena aproximación, de donde se puede expresar la anterior ecuación como:
( )
El valor de tan varía entre 0.12 a 0.13. Comúnmente se utiliza el Valor de o.121 el que entrega buenos resultados a pesar de no ser estándar para todo tipo de suelos.
Procedimiento
1- Pulverizar una cantidad suficiente de suelo secado al aire (de una muestra de 5 kg puesta al aire la semana anterior a la ejecución del ensayo), para obtener una muestra representativa del material que pasa a través del tamiz No. 40 de alrededor de 250 10 g.
2- Verificar que la altura de la maquina del límite líquido que va a utilizar sea exactamente de 1 cm (0.1 mm).
3- Colocar los 250 gr de suelo en un recipiente de porcelana, añadir una pequeña cantidad de agua y mezclar cuidadosamente el suelo hasta obtener un color uniforme. 4- Remover la cazuela del aparato de límite líquido y colocar
dentro de la cazuela una pequeña cantidad de suelo hasta la profundidad adecuada para el trabajo de la herramienta ranuradora, bien centrada en la cazuela con respecto al pasador. Emparejar la superficie de la pasta de suelo con una espátula y mediante el uso de la herramienta ranuradora, cortar una ranura clara, recta, que separe la masa de suelo en dos pates.
Después de hacer la ranura, se debe retornar rápidamente la cazuela a su sitio del aparato y hacer el conteo de golpes.
5- Tomar una muestra para medir el contenido de humedad y colocarla en un recipiente para humedad cuyo peso debió determinarse con anterioridad y asegurarse que esta muestra corresponde a la zona donde se cerró la ranura.
6-
7- Repetir la secuencia para dos ensayos adicionales con número de golpes entre 20 y 25 y entre 15 y 20, respectivamente para un total de cuatro determinaciones en el ensayo.
8- Pesar las cuatro muestras de humedad obtenidas en los diferentes ensayos, remover las tapas, y colocar los recipientes en el horno a 110o C para que se seque durante la noche.
Límite plástico (LP). Es el contenido de humedad por debajo del cual
se puede considerar el suelo como material no plástico. Es la frontera convencional entre los estados semisólido y plástico.
El límite plástico se define además, como el contenido de humedad del suelo al cual un cilindro se rompe o se resquebraja, cuando se enrolla a un diámetro de aproximadamente 3 mm. Esta prueba es bastante más subjetiva (depende del operador) que el ensayo de límite líquido pues la definición del resquebrajamiento del cilindro de suelo así como del diámetro de 3 mm están sujetas a la interpretación del operador. Con la práctica, se encuentra que los valores del límite plástico pueden reproducirse sobre el mismo suelo por parte de diferentes laboratoristas dentro de un rango del 1 al 3%.
Los límites líquidos y plásticos han sido ampliamente utilizados en todas las regiones del mundo, principalmente como objetivos de identificación y clasificación de suelos. El límite de contracción ha sido útil en varias áreas geográficas donde el suelo sufre grandes cambios de volumen entre su estado seco y su estado húmedo. El problema de potencial de volumen puede muy a menudo ser detectado de los resultados en los ensayos de límite líquido y límite plástico .El límite plástico en ocasiones puede utilizarse para estimar asentamientos. La capacidad de un suelo de absorber agua sin perder su cohesión o pasar del estado semi-fluido queda expresada por la diferencia de los límites líquido y plástico, y recibe el nombre de índice de plasticidad
(IP).
Procedimiento
1. Dividir en varios pedazos o porciones pequeñas la muestra de 20 a 30 g de suelo que se había separado con anterioridad durante la preparación de la muestra para límite líquido.
2. Enrollar el suelo con la mano extendida sobre una placa de vidrio o sobre un pedazo de papel colocado a su vez sobre una superficie lisa, con presión suficiente para moldearlo en forma de cilindro o hilo
de diámetro uniforme por la acción de unos 80 a 90 golpes o movimiento de mano por minuto (un golpe: movimiento. Cuando el
diámetro del hilo o cilindro de suelo llegue a 3 mm (1/8 pulg) se debe romper en pequeños pedazos.
3. Esta secuencia debe repetirse el número de veces que se requiera para producir suficientes pedazos de cilindro que permitan llenar un recipiente de humedad.
4. Pesar el recipiente cubierto, remover su tapa y colocarlo dentro del horno.
Cálculos
-Calcula el contenido de humedad
-Calcular el índice de flujo, haciendo uso de la ecuación
⁄
-Calcular además el límite plástico y el índice de plasticidad como
-Utilizar para calcular el límite líquido para cada valor N y registrado.
Límite de contracción (LC). Es el contenido de humedad por debajo
del cual no se produce reducción adicional de volumen o contracción en el suelo. Es la frontera entre el estado sólido y semisólido.
El limite de contracción es un porcentaje de humedad del suelo, de tal manera que luego de secado al horno no reduce su volumen" Los suelos susceptibles de sufrir grandes cambios de volumen cuando se someten a cambios en su contenido de humedad, son problemáticos, si se usan para rellenos en carreteras o en ferrocarril, o si se utilizan para la fundación de elementos estructurales. Los cambios de volumen pueden motivar ondulaciones en las carreteras y grietas en las estructuras debido a que los cambios de volumen usualmente no son uniformes.
Los límites líquido y plástico pueden utilizarse para predecir la presencia potencial de problemas en suelos debido a su capacidad de
cambio de volumen. Sin embargo, para obtener una indicación cuantitativa, de cuánto cambio de humedad puede presentarse antes de que se presente un apreciable cambio volumétrico, y obtener, si dicho cambio volumétrico ocurre,una indicación de la cantidad de ese cambio, es necesario hacer un ensayo del límite de contracción.
La práctica se comienza con un volumen de suelo en condición de saturación completa, preferiblemente (pero no absolutamente necesario) a un contenido de humedad cercano o superior al límite líquido. El suelo entonces se deja secar. Durante el secado se supone que bajo cierto valor límite de contenido de humedad, cualquier pérdida de humedad en el proceso está acompañada por una disminución en el volumen global de la muestra ( o relación de vacíos).
A partir de éste valor límite en el contenido de humedad, no es posible producir cambios adicionales en el volumen del suelo por pérdida adicional de agua de poros. Este valor inferior limitante en el contenido de humedad se denomina límite de contracción. Lo anterior significa físicamente, que no se causará ningún volumen adicional por cambios subsecuentes en la humedad. Por encima del límite de contracción todos los cambios de humedad producen cambios de volumen en el suelo, éste cambio de volumen se puede expresar en términos de relación de vacíos y el contenido de humedad.
La relación de contracción da una indicación de cuánto cambio de volumen puede presentarse por cambios de la humedad de los suelos. La relación de contracción se define como la relación del cambio de volumen del espécimen o muestra de suelo como un porcentaje de su volumen seco al cambio correspondiente en humedad por encima del
límite de contracción expresado como un porcentaje del suelo seco obtenido luego de ser secado al horno.
Atterberg (1911), originalmente trabajó con pequeñas barras de arcilla que dejó secar lentamente. Observó el punto en el cual el color cambiaba y al mismo tiempo anotó que la longitud era esencialmente mínima en ese punto.
Procedimiento
- Recubrir el interior del molde con una capa delgada de lubricante (por ejemplo, vaselina o aceite de silicón para prevenir la adherencia de suelo al molde).
- Colocar una porción de suelo húmedo de aproximadamente un tercio de la capacidad del molde en el centro de este y extenderlo hasta los bordes, golpeando el molde contra una superficie firme recubierta con papel secante o similar.
- Agregar una porción similar a la primera y golpear el molde hasta que el suelo este completamente compactado y todo el aire atrapado suba a la superficie.
- Agregar material y compactar hasta que el molde este completamente lleno y con exceso de suelo sobre el borde.
- Enrasar con la regla y limpiar posibles restos de suelo adherido al exterior del molde.
- Inmediatamente de enrasado, pesar el molde con el suelo compactado. Restar la masa del molde determinando la masa del suelo húmedo (mh). Registrar aproximando a 0.01 g.
- Dejar secar lentamente al aire hasta que la pastilla de suelo moldeado se despegue de las paredes del molde o hasta que cambie de color oscuro a claro.
Nota: Se recomienda efectuar el ensaye, hasta el inicio del secado, en cámara húmeda. Si no se cuenta con este dispositivo se deben tomar todas las precauciones necesarias para reducir la evaporación.
- Secar en horno a 110±5 oC hasta masa constante.
Nota: El secado en horno a 110±5 C no entrega resultados fiables en suelos que contienen yeso u otros minerales que pierden fácilmente el agua de hidratación o en suelos que contienen cantidades significativas de materia orgánica. En estos casos es recomendable el secado en horno a aproximadamente 60 C.
- Pesar el molde con el suelo seco. Restar la masa del molde determinando la masa del suelo seco (ms). Registrar aproximando a 0.01 g.
- Determinar el volumen de la pastilla de suelo seco.
- Llenar la taza con mercurio hasta que desborde, enrasar presionando con la placa de vidrio y limpiar los restos de mercurio adheridos al exterior de la taza;
- Colocar la taza llena de mercurio sobre el plato de evaporación, colocar el trozo de suelo sobre la superficie del mercurio y sumergirlo cuidadosamente mediante las puntas de la placa de vidrio hasta que esta tope firmemente contra el borde de la taza. (Es esencial que no quede aire atrapado bajo el trozo de suelo ni bajo la placa de vidrio); y - Medir el volumen de mercurio desplazado por el trozo de suelo por pesada y dividiendo por la densidad del mercurio (ﻻHg = 13,55 g/cm³ ), registrarlo como volumen del trozo de suelo seco ( Vs), aproximando a 0,01cm³ (0,01ml).
Expresión de resultados
- Calcular la humedad del suelo en el momento en que fue moldeado de
acuerdo con la fórmula siguiente, aproximando al 0.1 % w = ((mh - ms) / ms) * 100
en que :
w = humedad del suelo en el momento que fue moldeado, % ; mh = masa del suelo húmedo, g ; y
ms= masa del suelo seco, g.
- Calcular el límite de contracción, del suelo de acuerdo con la fórmula siguiente, aproximando al 1 %.
wS = w – ( ( (Vh - Vs ) * ﻻw) / ms ) * 100 En que :
wS = límite de contracción, %;
w = humedad del suelo en el momento que fue moldeado, %; Vh = volumen de la pastilla de suelo húmedo, cm3 (ml); Vs = volumen de la pastilla de suelo seco, cm3 (ml); ﻻw = densidad del agua, gr/cm3 (gr/ml); y
