CAPILARIDAD

Capilaridad, elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido, por ejemplo, en las paredes de un tubo. Este fenómeno es una excepción a la ley hidrostática de los vasos comunicantes, según la cual una masa de líquido tiene el mismo nivel en todos los puntos; el efecto se produce de forma más marcada en tubos capilares (del latín capillus, 'pelo', 'cabello'), es decir, tubos de diámetro muy pequeño.

La capilaridad es la habilidad de un tubo delgado para succionar un líquido en contra de la fuerza de gravedad. Sucede cuando las fuerzas intermoleculares adhesivas entre el líquido y el sólido son más fuertes que las fuerzas intermoleculares cohesivas entre el líquido.

Esto causa que el menisco tenga una forma cóncava cuando el líquido está en contacto con una superficie vertical. Este es el mismo efecto que causa que materiales porosos absorban líquidos.

Un aparato común usado para demostrar la capilaridad es el tubo capilar. Cuando la parte inferior de un tubo de vidrio se coloca verticalmente en un líquido como el agua, se forma un menisco convexo.

La tensión superficial succiona la columna líquida hacia arriba hasta que el peso del líquido sea suficiente para que la fuerza gravitacional sobreponga a las fuerzas intermoleculares. El peso de la columna líquida es proporcional al cuadrado del diámetro del tubo, por lo que un tubo angosto succionará el líquido más arriba que un tubo ancho. Por ejemplo, un tubo de vidrio de 0.1 Mm. de diámetro levantará 30 cm. la columna de agua.

Con algunos materiales como el mercurio y el vidrio, las fuerzas interatómicas en el líquido exceden a aquellas entre el líquido y el sólido, por lo que se forma un menisco cóncavo y la capilaridad trabaja en sentido inverso.

Las plantas usan la capilaridad para succionar agua a sus sistemas, aunque las plantas más grandes requieren la transpiración para mover la cantidad necesaria de agua a donde lo requieren.

La capilaridad, o acción capilar, depende de las fuerzas creadas por la tensión superficial y por el mojado de las paredes del tubo. Si las fuerzas de adhesión del líquido al sólido (mojado) superan a las fuerzas de cohesión dentro del

líquido (tensión superficial), la superficie del líquido será cóncava y el líquido subirá por el tubo, es decir, ascenderá por encima del nivel hidrostático. Este efecto ocurre por ejemplo con agua en tubos de vidrio limpios. Si las fuerzas de cohesión superan a las fuerzas de adhesión, la superficie del líquido será convexa y el líquido caerá por debajo del nivel hidrostático. Así sucede por ejemplo con agua en tubos de vidrio grasientos (donde la adhesión es pequeña) o con mercurio en tubos de vidrio limpios (donde la cohesión es grande). La absorción de agua por una esponja y la ascensión de la cera fundida por el pabilo de una vela son ejemplos familiares de ascensión capilar. El agua sube por la tierra debido en parte a la capilaridad, y algunos instrumentos de escritura como la pluma estilográfica (fuente) o el rotulador (plumón) se basan en este principio.

La capilaridad de los líquidos se debe a que la atracción de sus moléculas por la superficie con la que están en contacto (adhesión) es mayor o menor que la atracción que experimentan entre ellas mismas (cohesión). Las moléculas de agua, por ejemplo, se atraen menos entre sí de lo que son atraídas por el vidrio, por lo que el agua asciende por un tubo de vidrio delgado sumergido en un recipiente con agua. Las moléculas de mercurio, en cambio, se atraen más entre sí de lo que atraen al vidrio, por lo que el mercurio baja por un tubo de vidrio delgado sumergido en un recipiente con mercurio.

FÓRMULA

La altura h en metros de una columna líquida está dada por:

Donde

T = tensión superficial interfacial(N/m) θ = ángulo de contacto ρ = densidad del líquido (Kg./m³) g = aceleración debido a la gravedad (m/s²) r = radio del tubo (m)

Para un tubo de vidrio en el aire a nivel del mar y lleno de agua,

T = 0.0728 N/m a 20°C θ = 20° ρ = 1000 kg/m³ g = 9.80665 m/s²

Entonces la altura de la columna está dada por:

I. TENSIÓN SUPERFICIAL.

Generalidades

Cuando se altera la forma de la superficie de un líquido, de manera que el área aumente, es preciso realizar para ello un trabajo; éste se recupera cuando la superficie se retrae a su forma primitiva, de modo que la superficie en cuestión resulta capaz de almacenar energía potencial. El trabajo necesario para aumentar el área de una superficie líquida resulta ser, experimentalmente, proporcional al aumento, definiéndose como coeficiente de tensión superficial la relación entre ambos conceptos.

T, es el coeficiente mencionado, que se mide en unidades de trabajo o energía entre unidades de área o sea, por ejemplo, en dinas/cm. Representa la fuerza por unidad de longitud, en cualquier línea sobre la superficie.Puede probarse que cuando un liquido presenta al aire una superficie curva, se genera en ese menisco curvo un desnivel

de presión, de modo que la presión en el lado convexo es siempre menor que la existente en el lado cóncavo.Una demostración particular de esta afirmación, para el caso de un menisco semiesférico se da a continuación. En el Anexo I-a aparece una demostración general, para una superficie cualquiera.

Figura 1. Menisco semiesférico formado en el extremo inferior de un tubo.

En el dispositivo de la Fig. 1 se inyecta aire a un tubo de pequeño diámetro (1 Mm. aproximadamente) a través de la boquilla, a la presión p.

El líquido enrasado en el extremo del tubo cede por la presión formando un menisco, que provoca un aumento en la superficie que encierra al tubo. Se demuestra que inmediatamente antes de que el menisco se rompa al crecer, p, adopta la forma de una semiesfera.Se supondrá al dispositivo, en lo que sigue, en esa condición.

El área de la semiesfera es:

Siendo R el radio del menisco formado, que es igual al radio del tubo. Si ese radio varía a (R + dR), el área de la esfera se incrementará endA = 4 R dR

y según (8-1), el trabajo necesario para lograr ese incremento será:

dW= 4 TS R dR .................(2)

En el lado cóncavo del tubo existe la presión p, mientras en el convexo obra pA = presión atmosférica, si se desprecia el pequeño aumento de presión hidrostática con la profundidad, bajo la superficie libre del líquido que rodea al tubo.

Considérese un elemento del área del menisco (dS). La fuerza neta que obra en esa área es:

(p-pA)dS

y cuando el área del menisco se incrementa dA, esa. fuerza realizará un trabajodW = (p-pA)dS dR

ya que dR es la distancia radial recorrida por el menisco. El trabajo total realizado en el incremento dA se puede obtener integrando la expresión anterior a toda el área del menisco, de modo que:

dW = (p-pA)2 R2dR ..................(3)

Las expresiones (2) y (3) pueden igualarse:

4 TS RdR = (p-pA)2 R2dRDe donde:

pA = p - ...................(4)

La fórmula (4) indica que la presión pA en el lado convexo del menisco es siempre menor que la presión p en el cóncavo, que en el caso de este experimento fue proporcionada con aire comprimido introducido en el tubo.

Puede verse en el Anexo VIII-a que la fórmula (4) es caso particular, para menisco esférico, de la fórmula de Laplace, más general, válida para una superficie de forma cualquiera.

II. ÁNGULO DE CONTACTO

Considérese en un líquido abierto al aire la zona de contacto con la pared sólida del recipiente. De acuerdo con las leyes de la hidrostática, la superficie del líquido sería la mostrada en la Fig.2. Considérense las moléculas superficiales del líquido en la inmediata vecindad con la pared sólida.

Una de esas moléculas está solicitada por fuerzas de dos tipos: cohesión y adhesión. Las primeras son debidas a la

acción de las restantes moléculas del líquido; las segundas son ejercidas por las moléculas de las paredes del recipiente. En la figura 3 (a) y (b), se muestran dos posibilidades frecuentes. En (a), dada la naturaleza del líquido y del

Figura 2. Contacto de un líquido y su pared, sin tomar en cuenta la formación de meniscos.

Sólido, la resultante de las fuerzas de adhesión (FA) y de cohesión (FC) se dispone, de modo que tiene la inclinación mostrada. En (b), dominan más las fuerzas de cohesión y ello hace variar la inclinación de la resultante.

Se sabe que para que un líquido pueda estar en reposo es condición necesaria que los empujes que sufra sean normales a la superficie correspondiente. Por esto, puesto que el líquido está en equilibrio, la superficie debe curvarse de modo de ser normal a las fuerzas R en cada caso. En algunos líquidos, el caso (a) es el representativo; en otros se presenta el caso (b). Así se forman los meniscos cóncavos o convexos, según la naturaleza del líquido y del material que constituya la pared del recipiente. El agua, por ejemplo, forma meniscos cóncavos con el vidrio, mientras el mercurio los forma convexos. .

El ángulo que forma el menisco con la pared del recipiente se denomina ángulo de contacto y, en lo que sigue, se representa por a.

(a)

(b)

Figura 3: Formación de los meniscos

Si < 90°, el menisco es cóncavo; si > 90° es convexo, a vale casi 0° entre vidrio limpio y húmedo y agua destilada, mientras que el mercurio y el vidrio forman menisco bajo ángulos del orden de 140°. La plata limpia y el agua producen ángulos de contacto muy cercanos a 90° (menisco recto o ausencia de él).

III. ASCENSIÓN CAPILAR

Cuando un líquido está en contacto con las paredes de un tubo, la forma de su superficie se encorva. Si el líquido es agua y las paredes del tubo son sólidas, el menisco es generalmente cóncavo. Si el tubo es de pequeño diámetro (capilar) las alteraciones de la superficie en toda la periferia producen una superficie (menisco) cuya forma tiende a la esférica, muy aproximadamente. En adelante, se supondrá que ésa es la forma del mencionado menisco.

En 1 se vio que cuando la superficie de un líquido se agrandaba, era preciso emplear para ello un trabajo, que incrementaba la energía potencial de la superficie. Tal es el caso de la formación de los meniscos, pues cualquier superficie encorvada, dentro del tubo, tiene mayor área que la superficie plana original. Luego, al formar el menisco, la superficie líquida almacena energía potencial. Si se asimila el trabajo realizado al generado por una fuerza ficticia F en el desplazamiento dx, la energía potencial almacenada será:

La superficie del menisco debe ser de equilibrio, luego en la condición de menisco formado debe tenerse F = 0. Por lo tanto, para la superficie del líquido que forma un menisco debe cumplirse:

Por lo que, en esa superficie, la energía potencial almacenada será máxima o mínima. En Mecánica es fácil demostrar que la primera condición corresponde a un equilibrio inestable y que sólo la segunda garantiza el equilibrio estable que se presenta en el menisco de un tubo capilar. Luego en la superficie del menisco la energía potencial almacenada al incrementarse el área debe ser mínima; pero en VIII-1 se vio que esa energía era proporcional al aumento del área de la superficie, luego dicha área del menisco debe cumplir la condición de exigir un cambio mínimo en su valor para cualquier cambio de la curvatura original. Es sabido que la forma esférica cumple esa notable condición. Se concluye, pues, que en un tubo capilar el menisco cóncavo del agua debe tender a formas esféricas, como formas de equilibrio estable.

Figura 4. Ascensión capilar.

Obsérvese el tubo capilar de la Fig. 4 (a) con el agua colocada al ras, pero con un menisco formado.De lo anterior se deduce que, si el tubo es .de pequeño diámetro, la forma del menisco podrá considerarse cercana a la esférica, con suficiente aproximación para los fines actuales.

En VIII-1 se demostró que, en este caso, la presión p'¿ en el lado convexo es menor que la p1 en él cóncavo, siendo su

diferencia .Si el tubo está abierto al aire p1 es la

presión atmosférica, por lo que debe tenerse p2 < presión atmosférica. Pero la presión del agua inmediatamente bajo la superficie del líquido que rodea al tubo es la atmosférica, mayor que p2, por lo que el sistema inmediatamente abajo del lado convexo del menisco no está en equilibrio, teniendo una presión neta hacia arriba igual a pA - p2. Por efecto de esta presión el agua sube por el tubo hasta formar una columna que equilibre a esa diferencia de presiones.

En la fig. 4 (b) se observa que:

...................(5)

Además, según (4)

p2 = pA - = pA -

Una vez que el agua ha subido, la presión en M es:

p2 + h

Pues pa ya y h es debida a la elevación de la columna capilar de h.

Entonces la Presión en M vale:

pA - + h

Pero cuando se alcanza el equilibrio esa presión debe ser la atmosférica, que tiene el líquido que rodea al tubo en su superficie.

Luego debe tenerse:

pA = pA - + h

h = ..................(6)

Fórmula que da la altura a que debe ascender el agua en un capilar de radio r, suponiendo que el menisco formado es esférico, lo cual resulta razonablemente aproximado para fines prácticos.

La ecuación (6) muestra que, para un caso dado, la elevación capilar es inversamente proporcional al radio del tubo capilar (ley de Jurin).

IV. EFECTOS CAPILARES

La tensión superficial existente en la superficie de un líquido CA puesto al aire es debida a la atracción intermolecular que la masa del líquido ejerce sobre aquellas moléculas situadas en la superficie. Mientras que las moléculas en el interior de la masa liquida son atraídas con fuerzas iguales por las que las rodean, esto no sucede con las moléculas de la capa superficial, pues están expuestas a atracciones de parte del aire y del liquido considerado; estas atracciones son diferentes y no se equilibran, originando un estado de tensión en toda la superficie libre del liquido.

(Fig. 5, en la que no aparecen los efectos del aire por considerarse despreciables en comparación con los del agua.)

Figura 5. Generación de la tensión superficial.

Entre los fenómenos causados por la tensión superficial, uno de los más característicos y de mayor importancia práctica es, como ya se dijo, el de la ascensión capilar, cuyo mecanismo teórico ha quedado brevemente descrito en los párrafos anteriores. En ellos se vio quería altura de ascensión capilar quedaba dada, en general, por la expresión:

h = ................. (6)

En el caso del contacto agua-aire, el experimento prueba que, aproximadamente:

TS = 73 ................ (7)

Siendo gf, gramos-fuerza. En realidad, T, varía con la temperatura del agua y no tiene valor fijo. El valor anterior corresponde aproximadamente a 20°C. Por otra parte, en el caso de agua sobre vidrio húmedo, se vio que el ángulo de contacto a es nulo, por lo que la fórmula (8-6), puede escribirse para esas condiciones:

h= .................. (8)

con h y D, diámetro del tubo capilar, en cm.

La distribución de esfuerzo en el líquido bajo su nivel libre, está representada por una distribución lineal, según la ley hidrostática.

La prolongación de esta recta hacia arriba del nivel libre, representa también la distribución de esfuerzos en el líquido en la columna de ascensión capilar (Fig. 6). Arriba del nivel libre se tendrán esfuerzos de tensión, si se toma la presión atmosférica como origen.

Figura 6. Distribución de esfuerzos en un tubo capilar vertical.

El esfuerzo de tensión en cualquier punto de la columna está dado por el producto de la distancia vertical del punto a la superficie libre del líquido y el peso específico del mismo. Por lo tanto el esfuerzo de tensión u en el líquido, inmediatamente abajo del menisco es:

u = h = = ............... (9)

Donde R es el radio del menisco.

De lo anterior resulta' evidente que se puede obtener un menisco totalmente desarrollado siempre que el tubo capilar sea lo suficientemente largo cómo para permitir que la columna de agua se eleve hasta la altura máxima de ascensión capilar h. Si el tubo es más corto, como es el caso de la Fig.7, la ascensión capilar queda restringida y el menisco formado ajustará su curvatura a la necesaria para establecer el equilibrio. Puesto que:

h1 < h

Se sigue que:

u1 < u

Por lo tanto:

< y R1 > R

Figura 7. Distribución de esfuerzos en un tubo capilar vertical, más corto que la altura máxima de ascensión capilar.

Por lo que el nuevo radio de curvatura del menisco formado (R1) es mayor que el radio {R) del menisco formado en la columna de altura máxima h. Se sigue entonces que también <

La tensión capilar en un líquido no sólo puede producirse por la ascensión del líquido en un tubo capilar, sino también por otros varios métodos.

Por ejemplo, si un tubo capilar se llena con agua y se coloca en posición horizontal, se formarán gradualmente en sus extremos meniscos cóncavos, debido a la evaporación del agua. La curvatura del menisco en cada extremo aumentará hasta la máxima, que corresponde a la forma semiesférica entre vidrio húmedo y agua, como ya se dijo; al mismo tiempo el esfuerzo de tensión aumentará hasta su valor máximo para el diámetro de tubo de que se trate.

Si continúa la evaporación del agua, los meniscos se retraerán hacia el interior, del tubo, conservando su curvatura y manteniéndose, por lo tanto, invariable la tensión en el agua. Se ve, pues, que en un tubo capilar horizontal, el esfuerzo de tensión del agua es el mismo en toda la longitud, a diferencia del tubo vertical, en donde, como se indicó, los esfuerzos siguen una ley de variación triangular. En el caso de un capilar compuesto por la unión de dos tubos de diferente diámetro, sujeto al mismo proceso de evaporación una vez lleno de agua, podrá observarse también la formación de los meniscos cóncavos en sus dos extremos. Como el esfuerzo de tensión en

el agua debe ser el mismo en ambos extremos, pues no hay diferencia de niveles entre ellos y el agua está en reposo, el radio (/?) de ambos meniscos será también el mismo. Al progresar la evaporación, el radio mínimo posible se alcanzará primero en el extremo de mayor diámetro, mientras que ese mismo radio produce en el otro extremo un menisco parcialmente desarrollado.

Consecuentemente, si la evaporación prosigue, el menisco del lado .ancho comenzará a retraerse, mientras el otro menisco permanece en su posición. Cuando el menisco formado en el lado de diámetro más grande llegue a la unión brusca entre los dos tubos, su retracción cesará; en ese momento ambos meniscos tendrán la misma curvatura, de radio igual al radio del tubo mayor; este radio corresponde en el tubo menor á un menisco no totalmente desarrollado; al proseguir la evaporación, los dos meniscos variarán su curvatura a la vez hasta llegar a la máxima; a partir de ese momento le retracción prosigue en los dos extremos del tubo menor. Debe tenerse presente que en todos los casos, el efecto de la tensión capilar se trasmite a toda la masa del líquido contenida en el tubo y que en algunas ocasiones es sorprendentemente grande. En efecto, si se desarrolla el anterior proceso de evaporación en un capilar de 0.00001 cm de diámetro, de acuerdo con (9), el esfuerzo de tensión, a menisco totalmente desarrollado, trasmitido al agua y por ésta a las paredes del tubo, sería aproximadamente de 30 atmósferas. Estos grandes esfuerzos de tensión en el agua contenida en tubos y en las paredes de éstos, sólo pueden presentarse, paradójicamente, en tubos capilares y son inexistentes en tubos de mayor diámetro, en donde la tensión del agua es siempre menor que una atmósfera.

Si en lugar de un solo capilar se tiene un sistema de tubos intercomunicados, independientemente de los diámetros todos los meniscos formados tendrán el mismo radio de curvatura en cada instante, despreciando el peso de las columnas de agua en los tubos; sin embargo, si el sistema capilar se extiende apreciablemente en dirección vertical, habrá diferencias de curvatura, á causa del peso del agua.

Por ejemplo, en el sistema de la Fig. 8 se supone al agua estática, por lo tanto, la carga de velocidad en cualquier sección debe ser nula. Si se considera que la diferencia de. cargas de posición es despreciable en comparación con las cargas de presión en todo el sistema, se debe a que la carga de presión, ''r es»- raso esfuerzos de tensión. es constante

Figura 8. Esquema que ilustra el comportamiento de un sistema de tubos capilares intercomunicados.

En toda sección del mismo y, por lo tanto, la curvatura, de todos los meniscos será la misma también.

Considérese nuevamente un tubo capilar horizontal lleno de agua y expuesto a la evaporación. Durante este proceso el menisco en los extremos se desarrollará produciendo las fuerzas FT, generadas por la tensión superficial en la periferia del menisco (Fig. 9).

Figura 9. Esquema que ilustra la generación de presiones capilares en tubo capilar

Por reacción a esas fuerzas, la pared del tubo sufre reacciones Fu, de presión capilar. Estas reacciones tienden tanto a cerrar el tubo, como a acortar su longitud. En toda la masa del agua entre los meniscos se generan tensiones, que producen en toda la pared del tubo, como reacción, esfuerzos de compresión que tienden a cerrarlo. Si el tubo estuviera hecho de un material compresible, las presiones capilares le producirían realmente un estrechamiento y un acortamiento.

Una masa compresible, atravesada por tubo capilares sujetos a evaporación, se contraerá, volumétricamente hablando, como resultado de los efectos anteriores.

Una demostración simple y convincente (Terzaghi) de la existencia y acción de la presión capilar en una masa porosa, es la siguiente:

Un pedazo de algodón absorbente se satura con agua; después, dentro del agua, se comprime con la mano y seguidamente te suelta; podrá observarse que la masa se recupera, con cierta rapidez. Sin embargó, después de comprimido se saca del agua y se abandona a sí mismo en el aire, se notará que no se presenta recuperación visible, permaneciendo la masa comprimida. Si, posteriormente, el algodón vuelve a sumergirse, la recuperación volverá a presentarse. Este experimento se comprende fácilmente en términos de tensión capilar en el agua y presión en las paredes de los tubos capilares que atraviesan el algodón. Cuando el algodón se comprime en estado seco o sumergido, sus fibras se recuperan elásticamente al quitárseles la presión, pero si esto sucede en el aire, una muy pequeña expansión producirá los meniscos en cada canalículo y la tensión en éstos contrarresta la tendencia expansiva, dejando deformada a la masa. Al volver a sumergir la masa, los meniscos se destruyen y la expansión puede proseguir otra vez.

V. PROCESO DE CONTRACCIÓN EN SUELOS FINOS

Con las consideraciones expuestas en los párrafos anteriores, es posible comprender el mecanismo de contracción de los suelos finos, hecho experimental de conocimiento común, así como las razones para el mismo. Un suelo saturado exhibe primeramente una superficie brillante, que cambia a opaco al formarse por evaporación, los meniscos cóncavos en cada poro. Al irse evaporando el agua, va disminuyendo el radio de curvatura de esos meniscos y aumentando, por lo tanto, la presión capilar sobre las partículas sólidas, que por este efecto, se comprimen. La evaporación seguirá disminuyendo el radio de curvatura de los meniscos y comprimiendo la estructura del suelo, hasta un punto en que la presión capilar sea incapaz de producir mayor deformación; en ese momento comenzará la retracción de los meniscos hacia el interior de la masa de suelo. Macrofísicamente ese momento está señalado por el cambio de tono del suelo, de oscuro a más claro. En el suelo los poros y canalículos ocupados por el agua no son de tamaño uniforme, sino que varían entre amplios límites, por lo que el agua no se retraerá al mismo tiempo hacia el interior de la masa, comenzando el proceso en los poros de mayor diámetro, según se desprende del análisis anterior del tubo compuesto (4). Estadísticamente puede decirse que toda la gama de diámetros de los canalículos existentes se presentan a lo largo de un capilar, en una distancia relativamente pequeña a partir de la superficie.

Está distancia puede ser del orden de 2.5 cm, en arenas gruesas, pero en arcillas ordinarias, con diámetros de poro comprendidos entre 0.1 y 0.001 de miera, todos ellos se presentan a una distancia del exterior no mayor que una fracción de milímetro. Por lo tanto, aun cuando una de las aberturas de la superficie corresponda al mayor diámetro que pueda encontrarse en la muestra total de suelo, el menisco necesitará retraerse muy poco para llegar a una zona de pequeño diámetro, en la cual pueda desarrollar esfuerzos de tensión importantes. Finalmente, cada menisco se retraerá al diámetro de poro más pequeño para el que un menisco totalmente desarrollado produzca en el suelo la máxima presión capilar que pueda deformar la estructura al máximo. En ese instante, con su máxima contracción a1canzada bajo esa máxima presión capilar que el agua ejerce, el suelo habrá llegado a su límite de contracción. Cualquier evaporación posterior hará que los meniscos se retraigan hacia el interior sin más incremento en la presión capilar, pues el diámetro de los poros ya no disminuye.

Una manera sencilla de visualizar el proceso de secado de un suelo fino es la que se expone a continuación, haciendo uso del esquema de la Fig. 10. En la parte izquierda aparece una gráfica que representa el mínimo diámetro de poro que existe en el suelo para la correspondiente relación de vacíos.

Según lo anterior, cada menisco se retraerá finalmente hasta el diámetro mínimo del canalículo, antes de que empiece el retiro general hacia el interior de la masa. Este diámetro mínimo, como todos los demás, disminuye al disminuir la relación de vacíos.

Figura 10. Esquema para ilustrar el proceso de contracción de un suelo fino.

En la parte derecha de la Fig. 10, se muestra la relación entre la presión y la relación de vacíos (curva A), obtenida al comprimir una muestra confinada del suelo; esta curva indica la presión que debe aplicarse al suelo para que llegue a una relación de vacíos determinada. La curva B representa la máxima presión capilar que puede desarrollarse para una e dada.

Si la muestra se comprime con una presión p y llega a una relación de Vacíos e, el diámetro de poro mínimo (dmin) correspondiente produciría una compresión capilar máxima (pC), al llegar los meniscos a su desarrollo total.

Si la muestra llega a la relación de vacíos e a través de un proceso de evaporación, la presión necesaria en la fase sólida será p, que debe ser proporcionada por los efectos capilares. Pero esta presión p es aún menor que la pC máxima que puede desarrollarse por capilaridad; así, el suelo llegará a la oquedad e sin necesidad de que los meniscos se desarrollen por completo; basta que se desarrollen parcialmente. Si la evaporación continúa, llega un momento en que toda la presión capilar que pueda desarrollarse se requiere para mantener al suelo comprimido; en esa presión y correspondiente relación de vacíos, las curvas A y B se interceptan, pues pe = p. La relación de vacíos e, correspondiente a ese punto representa la condición crítica en la que los meniscos deben estar totalmente desarrollados para mantener el suelo comprimido a la presión necesaria para dar esa e,. Si la evaporación continúa, ya el efecto capilar no es suficiente para producir la presión necesaria para lograr nuevas disminuciones de la relación de vacíos; los meniscos penetrarán en la masa. Por lo tanto, en la intersección de las curvas A y B el suelo tendrá, el mínimo volumen a que puede llegar por secado; se habrá así llegado al límite de contracción. Debe observarse que el límite de contracción es el único momento en que los meniscos están totalmente desarrollados en el agua; para relaciones de vacíos mayores, hay una reserva de presión capilar no utilizada; relaciones de vacíos menores no pueden producirse por secado y efectos capilares.

Si tenemos un suelo saturado, el agua estar ejerciendo una fuerza de separación entre las partículas sólidas del suelo (presión hidrostática). Luego el suelo empezara a secarse por cualquier causa, que generalmente es el calentamiento por el sol, y el agua que hay en el suelo se evaporara, y la masa de suelo tratara de tomar su nivel freático normal, de esta manera las aguas empezaran a tratar de bajar, creándose una presión capilar dentro del suelo, lo que produce unos esfuerzos de compresión en el suelo, pasando este de la presión hidrostática (cuando el suelo estaba saturado), a un esfuerzo de tensión superficial (al tener el fenómeno de

capilaridad del agua). De esta manera el suelo entrara en un proceso de contracción. Hay que tener en cuenta que el suelo debe ser un suelo fino, para poder producir el proceso de capilaridad, y de esta manera crear la tensión superficial necesaria para que el suelo se contraiga. El proceso de la retracción del agua hacia el interior no se hará simultáneamente en toda la masa de suelo, debido a que la masa de suelo tiene diferentes diámetros de poros, produciendo tubos capilares de diferentes diámetros, bajando primero el agua que se encuentra en los CANALÍCULOS más gruesos (Especie de tubos capilares formados por los poros del suelo).

VI. MUROS DE RETENCIÓN Y NIVEL FREÁTICO:

Los muros de retención, en la ingeniería civil, se hacen para contener tierra (llamada relleno) confinada a un espacio, sin que esta se derrumbe. Para el diseño de estos muros, se tiene debe tener en cuenta las fuerzas que sobre este actúan, donde juegan un papel muy importante las aguas Freáticas. Dentro de las fuerzas que se toman en cuenta al calcular un muro de contención de tierras se tiene el peso del mismo, la presión que hace el relleno sobre este, la reacción de el cimiento del muro, y alguna correspondiente al nivel Freático de las aguas, dentro de los cuales tenemos:

Fuerzas debidas a agua tras el muro: Si tenemos agua tras el muro de retención, estas aguas generaran una presión sobre este, teniéndose que tener en cuenta la presión que generara el agua freática, a la hora de hacer el diseño de un muro. Se debe tener en cuenta también que el nivel de las aguas Freáticas (nivel Freático) varia con el tiempo, generando un proceso de carga y descarga de la presión hidrostática en el muro, lo que podría generar un colapso del muro por fatiga. La solución para no bajar este nivel freático, seria el de hacer un filtro de aguas en la base del muro, para poder que el agua que hay se "escurra" por allí. También hay la posibilidad de hacer un muro completamente permeable, como es el caso de los gaviones, que son canastas de alambre, de forma cúbica, rellenas de tierra, lo cual permitiría el paso del agua y esta no generaría ninguna presión.

Subpresiones: Cuando tenemos un mal drenaje bajo el muro, se puede almacenar agua en esta zona, produciéndose una presión de aguas freáticas bajo el muro, lo cual puede llegar al volcamiento del muro. Para esto se debe hacer un correcto drenado de las aguas en cuestión.

Las heladas: Si tenemos agua detrás del muro, y llega un tiempo de heladas, esta agua se congelar, produciéndose un cambio en el volumen del suelo, entrando una presión adicional al sistema, la cual puede hacer colapsar el muro. Expansiones por cambio de la humedad de la masa de suelo: Si tenemos que la masa de suelo que esta siendo sostenida por el muro esta sometida a cambios del nivel freático, la masa de suelo puede cambiar fácilmente de volumen, mas si se trata de arcillas, o limos, suelos que inducen a un cambio volumétrico al cambiar la humedad del sistema. Si tenemos una época de verano, el nivel freático estará bajo, lo cual no genera presiones laterales por cambio volumétrico del suelo, las que si entraran en el caso de que el nivel freático suba, y el suelo se expanda por la acción de la humedad. Este cambiar volumétrico, generara un ciclo de carga y descarga en el muro, el cual al cabo de varios ciclos, puede fallar por fatiga. Para solucionar esto, se debe tratar de que los suelos que se tengan como relleno no sean expansivos con la humedad, y además tener un buen drenaje del sistema.

VI. CAPILARIDAD DE AGUAS FREÁTICAS

Conocemos el proceso de capilaridad como el ascenso que tiene un LÍQUIDO al estar en contacto con las paredes de un tubo de diámetro pequeño. Si tomamos la masa de suelo, como un gran conjunto de poros, los cuales están comunicados, tendríamos una gran red de tubos capilares, los cuales permiten el efecto de capilaridad del agua freática. Al subir el agua por un tubo capilar, esta produce unos esfuerzos de tensión en la parte superior de el agua que esta dentro del tubo capilar. Esto se puede explicar teniendo como base la hidrostática: (figura 1) Si tenemos que tomamos una presión relativa, teniendo como origen la presión atmosférica, vemos que esta presión, en el punto de la superficie del agua (no dentro del capilar) debe ser cero, y a medida que vamos bajando en el agua, la presión aumenta, linealmente, es así que si subimos del nivel donde el agua esta en contacto con el aire, la curva de presiones sigue de igual forma, dando unos esfuerzos de tensión en las partes donde se encuentra por encima de este nivel de referencia, coincidiendo esto con las partes donde tenemos el agua capilar. En conclusión podemos decir que la capilaridad del agua dentro de un suelo, produce unos esfuerzos de tensión, los cuales generarán la compresión de este.

Para que se presente la capilaridad del agua freática en un suelo, se debe tener en cuenta que el suelo debe ser fino, para poder que los poros que haya entre las partes sólidas del suelo, sea tan pequeño como un tubo capilar. Si tenemos un suelo como una grava gruesa, no se producirá el fenómeno de capilaridad, haciendo así estos suelos gruesos muy apetecidos en la construcción cuando se tienen niveles freáticos altos.

VIII. PROBLEMAS DE CAPILARIDAD EN LA CONSTRUCCIÓN

Una de los grandes problemas que tiene el proceso de capilaridad del agua freática en la construcción, es que al subir esta agua, se humedecen los cimientos de las diferentes estructuras, provocando la corrosión del acero de refuerzo en los cimientos, y algunas veces esta agua freática, cuando los niveles son muy altos, alcanza a subir por capilaridad a las paredes de la edificación, generándose problemas en los ladrillos y los acabados de la edificación. Una solución a este problema es cambiar el suelo sobre el que descansa el cimiento, por un suelo más grueso, que no permita la capilaridad del agua freática. También encontramos soluciones de aditivos para el concreto (inclusores de aire), para poder generar impermeabilidad en este, y de morteros para recubrir estructuras (sika 101) con el fin de ganar impermeabilidad.

En el momento que la cimentación de cualquier estructura, sea una cimentación profunda (pilotes, pilas o cajones), se debe tener en cuenta que esta estructura estará sumergida parcialmente por aguas freáticas, y que esta estructura de cimentación, sufrirá cambios de humedad por la subida y la bajada del nivel Freático.