INTRODUCCIÓN

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 para poder generar impermeabilidad en este, y de morteros para recubrir estructuras 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.

Por todo lo anterior es nuestro deber como futuros ingenieros, saber el proceso que sigue el fenómeno con la finalidad de saber cómo contrarrestar su efecto en las estructuras.

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OBJETIVOS

Conocer el principio de la capilaridad de los diferentes tipos de suelo.

Encontrar el radio del tubo capilar de los tipos de suelos.

Determinar con que velocidad asciende el agua, en los tres tipos de

suelos.

Identificar que otros factores influyen en el ascenso capilar del agua.

I. MARCO TEÓRICO

LA CAPILARIDAD

La capilaridad define el conjunto de fenómenos que tienen lugar en la interacción de líquidos y sólidos de pequeño espesor, de una manera más clara podemos definir la capilaridad como la forma en la cual el agua es atraída hacia las paredes de las losas, a través de unos poros de pocas dimensiones. 

La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia de absorber a otra. En el caso del tubo delgado, se succiona un líquido

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en contra de la fuerza de gravedad. Sucede cuando las fuerzas intermoleculares adhesivas entre el liquido 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 agua, se forma un menisco cóncavo. 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 succionar succionará el líquido más arriba que un tubo ancho.1

A. Capilaridad de Aguas Freáticas

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 del agua que está dentro del tubo capilar. A medida que vamos bajando en el agua, la presión aumenta, linealmente, es así que si subimos del nivel donde el agua está 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.

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Para que se presente la capilaridad del agua freática en un suelo, se debe tener en cuenta que el suelo debe ser fino, para 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 apreciados en la construcción cuando se tienen niveles freáticos altos.

En la

imagen se observa el nivel freatico bajo una construccion.

B. Contracción de suelos finos por efecto de la capilaridad

Cuando el suelo empieza 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.

C. Humedad por capilaridad

Se denomina humedad por capilaridad a aquélla que asciende por las paredes de un edificio desde sus cimientos. La humedad consigue avanzar por las paredes debido a que la gran mayoría de los materiales de construcción contienen pequeños poros.

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Estos poros absorben el agua procedente del suelo, provocando que la humedad ascienda por la pared.

Ocasionado por capilaridad a la derecha una representación del asenso capilar

D. Humedad por infiltración lateral

Cuando el nivel del suelo externo (jardín) es más alto que el interno (vivienda) y los separa una pared que está en contacto con la tierra, se produce el fenómeno llamado “infiltración lateral”. La humedad contenida en la tierra se filtra por presión y contacto a través de la pared, dañando la estructura y los revestimientos de la misma, además de producirse manchas, moho, malos olores, salitre, etc. (Figura A)

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Posible solución: Primero se preparan las zonas afectadas, a continuación se trata la subida capilar (como en la humedad por capilaridad) y posteriormente y en varias fases, se aplican morteros especiales para asegurar el aislamiento definitivo de la humedad. (Fig. B)

NOTA: La altura que alcanza la humedad por capilaridad en una pared depende de una serie de factores, entre ellos el tamaño de los poros de la pared, el tipo de papel o pintura aplicada a la pared y el porcentaje de humedad del suelo.

TENSIÓN SUPERFICIAL

La tensión superficial de un líquido es la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Esta definición implica que el líquido presenta una resistencia para aumentar su superficie. Es por esto, que se genera una especie de membrana a tensión en la capa exterior del líquido.

Este fenómeno se produce en un fluido porque cada molécula interacciona con las que le rodean. El radio de acción de las fuerzas

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moleculares es relativamente pequeño, abarca a las moléculas vecinas más cercanas.2

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Interacción intermolecular

Las fuerzas de interacción, hacen que las moléculas situadas en las proximidades de la superficie libre de un fluido experimenten una fuerza dirigida hacia el interior del líquido.

LA COHESIÓN EN LÍQUIDOS

Se define como la fuerza de atracción entre moléculas (como son las moléculas que forman los líquidos) de la misma clase.

Si tenemos dos partículas de forma aislada como en la siguiente figura, cada una de ella se verá afectada por una fuerza que tiende a juntarlas y aproximarlas entre sí.

ADHERENCIA

El agua, por su gran potencial de polaridad, cuenta con la propiedad de la adhesión, es decir, el agua generalmente es atraída y se mantiene adherida a otras superficies. a cualquiera de las superficies sin excluir ninguna

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I. EQUIPO A UTILIZAR

Conformado por:

Vidrio semi doble Esponja normal Malla metálica Dos tubos de 30cm Regla milimetrada Regla milimetrada

Embudo con pequeño para colocar el agua dentro del molde de vidrio

Regla milimetrada

Agregados de rio:

Agregado global

Grava

Agregado fino de cantera

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II. PROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICA

- Contando ya con el equipo para realizar el ensayo se procedió a colocar el agregado dentro de molde.

En las imágenes se observa la colocación de los agregado el

primero es de cerro, el segundo agregado global de rio y el tercero

fue una capa de arena otra de grava

- Una vez colocado el agregado se procedió a llenar el molde con agua hasta un centímetro arriba de la esponja esta agua se introducía por uno de los tubos ayudándose para esto del embudo.

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- Una vez colocado el agua de inmediato se controla el tiempo de ascenso hasta que esta ya no suba más.

- Se mide el ascenso capilar. tres medidas por lado para sacar un promedio.

- En la fotografía se nota claramente el fluido que ha ascendido. Por capilaridad.

En la primera imagen material de cerro, en la segunda tenemos el agregado de rio. En la cuales se está tomando las medidas requeridas

- Como último paso se retira el material se lava el molde y se seca la parte en donde va ir el agregado para luego realizar otro ensayo con otro tipo de agregado. Realizando estos pasos y tomando los datos necesario se da por terminado la práctica.

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Detalles:- En la imagen notamos que la capilaridad supero el límite de la

capa de agregado humedeciendo la superficie.

- Detalles del molde de vidrio. Parte

del soporte de la esponja malla

de fierro doblada para mayor resistencia. Y los tubos que bajan hasta la base.

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III. CÁLCULOS

PRIMER ENSAYO (Agregado Fino)

Datos

ARENA DE CERRO

CARACTERÍSTICAS TIEMPO 15 minutos

LADO h1 h2 h3 PromedioA 5,5 5,5 6 5,67C 6 5,4 5 5,47D 5 6,6 5,5 5,70E 6 6,2 6,5 6,23

1) Radio Del Tubo Capilar ( r )

Sabemos que:

h=2σ cos αγ . r

Despejando tenemos:

r=2σ cosαγ . h

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Donde:

h: Ascenso de agua en la muestraσ: Tensión superficial del aguaα: Angulo del menisco y el tubo capilarγ: Peso especifico del aguar: Radio capilar

Cálculos:

Considerando que agua estaba a 20ºC, se tiene los siguientes valores (tabla).

σ : 0.0728 N/m

α : 0º

H: 0.0577 m

γ : 9790 N/m3

r: ¿?

Se calcula el radio del tubo capilar.

r=2σcosθhγ =

2 (0.0728 )(1)0.0577∗9790

r=2.577∗10−4m

r=0.2577mm

Calculamos el diámetro como el doble del radio

D=0.5154mm

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SEGUNDO ENSAYO (Agregado Grueso)

Datos

ARENA GRUESA

CARACTERÍSTICAS TIEMPO 10 minutos

LADO h1 h2 h3 PromedioA 7,3 8 9 8,10C 8,7 9,4 9,6 9,23D 9,8 9,9 8,4 9,37E 8,4 7,9 7,4 7,90

1) Radio Del Tubo Capilar ( r )

Sabemos que:

h=2σ cos αγ . r

Despejando tenemos:

Donde:

h: Ascenso de agua en la muestraσ: Tensión superficial del aguaα: Angulo del menisco y el tubo capilarγ: Peso especifico del aguar: Radio capilar

r=2σ cosαγ . h

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Cálculos:

Considerando que agua estaba a 20ºC, se tiene los siguientes valores (tabla).

σ : 0.0728 N/m

α : 0º

H: 0.0823m

γ : 9790 N/m3

r: ¿?

Se calcula el radio del tubo capilar.

r=2σcosθhγ =

2 (0.0728 )(1)0.0823∗9790

r=1.807∗10−4m

r=0.1807mm

Calculamos el diámetro como el doble del radio

D=0.3614 mm

TERCER ENSAYO (Mescla de agregado grueso y fino)

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Datos

MESCLA DE ARENA FINA Y AGREGADO GRUESO

CARACTERÍSTICAS TIEMPO 10 minutos

LADO h1 h2 h3 PromedioA 5,2 5,3 5,7 5,40C 4,8 5,2 4,7 4,90D 5,3 4,7 6,0 5,33E 6,0 5,4 5,0 5,47

1) Radio Del Tubo Capilar ( r )

Sabemos que:

h=2σ cos αγ . r

Despejando tenemos:

Donde:

h: Ascenso de agua en la muestraσ: Tensión superficial del aguaα: Angulo del menisco y el tubo capilarγ: Peso especifico del aguar: Radio capilar

Cálculos:

Considerando que agua estaba a 20º C, se tiene los siguientes valores (tabla).

σ : 0.0728 N/m

α : 0º

H: 0.0523 m

r=2σ cosαγ .h

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γ : 9790 N/m3

r: ¿?

Se calcula el radio del tubo capilar.

r=2σcosθhγ

=2 (0.0728 )(1)0.0523∗9790

r=2.844∗10−4m

r=0.2844mm

Calculamos el diámetro como el doble del radio

D=0.5688 mm

Conocer el principio de la capilaridad de los diferentes tipos de suelo.

Encontrar el radio del tubo capilar de los tipos de suelos.

Determinar con que velocidad asciende el agua, en los tres tipos de suelos.

Identificar que otros factores influyen en el ascenso capilar del agua.

IV. CONCLUSIONES

Por el principio de capilaridad se pudo deducir empíricamente que la capilaridad varía de acuerdo al tamaño de las partículas de los diferentes tipos de suelos

El ascenso capilar es mucho más rápido en la arena de cerro ya que en esta sus partículas están más unidas, en cambio en el

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agregado global es un poco más lento y no alcanzo la altura de la que alcanzo la arena.

Mediante cálculos se logro determinar los radios capilares del agregado fino, grueso y de la combinación de estos dos.

RADIO CAPILAR (mm)

AGREGADO GRUESO 0,1807

mm

AGREGADO FINO 0,2577

mm

COMBINACIÓN 0,5668

mm

Se determino la velocidad de ascenso del agregado fino, agregado grueso y de la combinación de los mismos.

Velocidad de ascenso

A. Grueso 1,37* 10^-4

A. Fino 6,41*10^-5

Combinación 8,72*10^-5

Los factores que influyen en el ascenso capilar son la Presión manométrica ejercida por la columna del fluido contenida en el tubo de plástico.

Materiales con componentes finos ocasionan que el agua fluya hacia arriba más allá que lo que podría hacer el agua en materiales con componentes más gruesos.

Si un suelo tiene una mezcla de componentes de distintos tamaños, la tendencia del agua será, moverse más arriba en la zona donde los componentes sean más finos.

El siguiente cuadro muestra la relación de radios capilar para los diferentes tipos de suelos. Donde especifica los diámetros de los componentes; para nuestro caso podemos observar que la ARENA posee diámetros MEDIOS, lo cual es

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contradictorio con los diámetros obtenidos en el laboratorio, sin embargo haciendo un análisis llegamos a la conclusión de que los radios capilares obtenidos.

V. RECOMENDACIONES

Los suelos a usar en la práctica, en este caso el agregado fino y agregado grueso deben estar en un estado de humedad natural.

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Al momento de verter el agua, se debe hacer paulatinamente con la finalidad de no sobrepasar el nivel de la esponja.

La manguera debe estar bien colocada ya que por ella va a permitir la salida del aire del interior al exterior del recipiente.

Llevar un embudo para verter el agua para poder desarrollar el ensayo.

VI. BIBLIOGRAFÍA

Alejandro Martínez U. - Ricardo Ortega P. Seminario 2006.

http://mmc.geofisica.unam.mx/cursos/tfs/TFSPresentaciones/ Presentacion4Jorge.pdf

http://www.construaprende.com/t/04/T4p3.php

Robert L. Mott : “Mecánica de fluidos” Sexta Edición

www.astm.org

www.flowcontrolnetwork.com

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Anotaciones de clase.