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FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

CAPILARIDAD INTRODUCCION La capilaridad es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial (la cual a su vez, depende de la cohesión o fuerza intermolecular del líquido), que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular (o cohesión intermolecular) entre sus moléculas es menor a la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. 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.

MECANICA DE SUELOS I

GRUPO: 13

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OBJETIVOS Objetivo general: Construir un instrumento que nos permita visualizar y analizar la capilaridad del agua en diferentes tipos de agregados y suelo. Objetivos específicos: Analizar la capilaridad de los agregados (arena fina y grava) y suelo (arcilla). Conocer en que clases de agregados o suelos la capilaridad es mayor. Revisar la existencia de la capilaridad. Determinación del diámetro de poros. FUNDAMENTO TEÓRICO Fluido: Un fluido es una sustancia o medio continuo que se deforma continuamente en el tiempo ante la aplicación de una solicitación o tensión tangencial sin importar la magnitud de ésta. La capilaridad: La capilaridad es una propiedad de los fluidos, debida a la tensión superficial, por medio de la cual un líquido asciende por tubos de pequeño diámetro (máximo 5mm) y por entre láminas muy próximas. La capilaridad depende de muchos factores, tales como el material del que está fabricado el tubo o lámina, del fluido, de las fuerzas de adhesión y cohesión existentes entre el fluido y el otro material; todas estas características determinarán la forma del menisco en la superficie del fluido dentro del capilar, así como también la altura a la que éste llegará.

“La atracción adhesiva hacia el vidrio es mayor que la adhesión intermolecular del agua”.

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Tubo capilar: Un tubo capilar es una conducción de fluido muy estrecha y de pequeña sección circular. Su nombre se origina en similitud con el espesor del cabello, y es en estos tubos en los que se manifiestan los fenómenos de capilaridad. Por su parte, estos pueden estar hechos de distintos materiales como vidrio, cobre, aleaciones metálicas, etc., conforme el uso y aplicación.

Tensión superficial: Es la propiedad de un líquido en la interface “líquido ± gas”, por la cual las moléculas de la superficie soportan fuerzas de tensión. Por ella, una masa de agua, acomodándose al área mínima forma gotas esféricas. La tensión superficial explica el rebote de una piedra lanzada al agua. La tensión superficial se expresa con T y se define como la fuerza en Newton por milímetro de longitud de superficie, que el agua es capaz de soportar. (Millar.1993)

APLICACIÓN DE LA CAPILARIDAD EN LA INGENIERÍA CIVIL: Para poder calcular la altura máxima que puede alcanzar un fluido en un capilar, se hace necesario hacer un análisis de las fuerzas que intervienen en el sistema fluido – capilar, así:

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Se realiza sumatoria de fuerzas en el eje y, de la siguiente forma: ∑ 𝐹𝑦 = 0 2𝜋𝑅 + 𝑇 cos 𝛼 + 𝜋𝑅 2 = 0 Donde: R: radio del menisco. α: ángulo del menisco con el capilar. T: Tensión superficial dentro del capilar. Uw: Presión. Luego, despejando la presión se tiene que: 𝑈𝑤 = −2𝑇 cos 𝛼 ⁄𝑅 Como: Uw = - h * ρ, que es la presión expresada en columna de líquido: ℎ = 2𝑇 cos 𝛼 ⁄𝜌𝑅

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 del agua que está dentro del tubo capilar. 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 apetecidos en la construcción cuando se tienen niveles freáticos altos. “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”.

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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.

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MATERIALES       

Instrumento de capilaridad Franela Suelo arcilloso Arena fina Graba TMN ½” Agua potable Cronometro

PROCEDIMIENTO

 Cubrir la malla con la franela para que sirva de filtro, luego llenar de arcilla hasta unos 5 cm de alto.  Verter agua en el instrumento hasta llegar a la parrilla o malla, debe pasar 1 cm de la malla para poder observar el fenómeno de capilaridad.  Controlar un tiempo de 5 minutos y medir hasta que altura ha ascendido el agua.  Medir esa altura de ascensión de agua.  Poner el segundo material a experimentar, que sería la grava y procedemos a hacer lo mismo que con la arcilla controlando en un tiempo de 5 minutos con el cronómetro y medimos la altura ascendida.  Poner el tercer material a experimentar, la arena fina y el procedimiento es el mismo que la de la arcilla controlando 5 minutos y medimos la altura ascendida.  Ahora vemos la ascensión del agua pero con los 3 materiales la arcilla, la grava y la arena fina y en un tiempo de 5 minutos vemos la ascensión del agua a los materiales.

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CALCULOS Caso para Arcilla: H= 5cm – 1cm = 4cm Tiempo 5 min

Altura 3.00 cm

En este caso la arcilla presenta muchos nutrientes minerales, tiene una alta capacidad de retención de agua y presenta poco drenaje; es por eso que la ascensión de agua es rápida.

𝑟= 𝜎 = 72.8

2𝜎𝑐𝑜𝑠𝜃 𝛾𝐻

𝑑𝑖𝑛𝑎 𝑐𝑚

𝑘𝑔

; 𝛾 = 1000 𝑚3

𝜃 = 0 ; 𝑐𝑜𝑠0 = 1 H=3 cm

1 𝑘𝑔 𝑑𝑖𝑛𝑎 1𝑁 𝑥 𝑥 𝑥(1) 𝑐𝑚 105 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑠 9.81𝑁 𝑘𝑔 1 𝑚3 1000 3 𝑋 𝑥(3 𝑐𝑚 ) 𝑚 1003 𝑐𝑚3

2𝑥(72.8 𝑟=

𝑟 = 0.050 𝑐𝑚 El diámetro de poros de la arcilla es 0.1 cm

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Caso para Arena: H= 5cm – 1cm = 4cm Tiempo 1 min

Altura 3.6 cm

En este caso debido a la cantidad de espacio de los poros es pequeña, tiene baja capacidad de retención al agua, ya que este suelo es muy permeable; es por eso que el agua asciende en forma rápida.

𝑟= 𝜎 = 72.8

2𝜎𝑐𝑜𝑠𝜃 𝛾𝐻

𝑑𝑖𝑛𝑎 𝑐𝑚

𝑘𝑔

; 𝛾 = 1000 𝑚3

𝜃 = 0 ; 𝑐𝑜𝑠0 = 1 H=3.6 cm

1 𝑘𝑔 𝑑𝑖𝑛𝑎 1𝑁 2𝑥(72.8 𝑐𝑚 𝑥 5 𝑥 9.81𝑁 𝑥(1) 10 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑟= 𝑘𝑔 1 𝑚3 1000 3 𝑋 𝑥(3.6 𝑐𝑚) 𝑚 1003 𝑐𝑚3

𝑟 = 0.041 𝑐𝑚 El diámetro de poros de la arena fina es 0.082 cm

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Caso para Grava:

H= 5cm – 1cm = 4cm Tiempo 05 min

Altura 2.59

En este caso la capacidad de retención de agua en la grava es pequeña ya que sus espacios porosos son muy grandes y esos hacen que la capilaridad casi desaparezca

𝑟= 𝜎 = 72.8

2𝜎𝑐𝑜𝑠𝜃 𝛾𝐻

𝑑𝑖𝑛𝑎 𝑐𝑚

𝑘𝑔

; 𝛾 = 1000 𝑚3

𝜃 = 0 ; 𝑐𝑜𝑠0 = 1 H=2.59 cm

1 𝑘𝑔 𝑑𝑖𝑛𝑎 1𝑁 2𝑥(72.8 𝑐𝑚 𝑥 5 𝑥 9.81𝑁 𝑥(1) 10 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑟= 𝑘𝑔 1 𝑚3 1000 3 𝑋 𝑥(2.59 𝑐𝑚) 𝑚 1003 𝑐𝑚3

𝑟 = 0.057 𝑐𝑚 El diámetro de poros de la Grava es 0.114 cm

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Caso para Grava, Arena y Arcilla:

H= 5cm – 1cm = 4cm Tiempo 05 min

Altura 3.10

En este caso se vio que el agua ascendió con dificultad y hasta un altura determinada debido a que los poros entre cada roca son muy grandes para qué se produzca el fenómeno de capilaridad.

𝑟= 𝜎 = 72.8

2𝜎𝑐𝑜𝑠𝜃 𝛾𝐻

𝑑𝑖𝑛𝑎 𝑐𝑚

𝑘𝑔

; 𝛾 = 1000 𝑚3

𝜃 = 0 ; 𝑐𝑜𝑠0 = 1 H=2.59 cm

1 𝑘𝑔 𝑑𝑖𝑛𝑎 1𝑁 2𝑥(72.8 𝑐𝑚 𝑥 5 𝑥 9.81𝑁 𝑥(1) 10 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑠 𝑟= 𝑘𝑔 1 𝑚3 1000 3 𝑋 𝑥(3.1 𝑐𝑚) 𝑚 1003 𝑐𝑚3

𝑟 = 0.048 𝑐𝑚

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CONCLUSIONES Observamos que el fenómeno de la capilaridad no se da por igual en los distintos suelos, siendo en algunos el ascenso del agua más rápido tardando pocos minutos en algunos casos y en otros pudiéndose demorar hasta un día entero. Saber el mecanismo de la capilaridad es determinante para saber cómo actuar en un determinado suelo para definir el pro y el contra de la labor que se va hacer en el suelo. Conocer cuando es bueno o malo la capilaridad y dar la solución depende del conocimiento que tengamos sobre esta ascensión de agua. Con los experimentos hechos podemos dar soluciones en cualquier tipo de suelo agregando convenientemente capas de material o mejorando la resistencia del mismo. Con la determinación de poros podemos saber cuál es la mejor opción para colocar los agregados o en suelos cual el mejor terreno para una construcción. RECOMENDACIONES Seguir con las investigaciones de este tipo de trabajos ya que nos brinda conocimientos que son indispensables para nuestra formación estudiantil. Realizar Prácticas de campo para tener una concepción más real de lo que se investiga. Se debe hablar acerca del tema de investigación una vez presentado el informe (Práctica) con el fin de resolver las dudas e incógnitas que se puedan acarrear en el proceso de investigación. Se tiene que realizar este tipo de análisis para ver cómo será el comportamiento del agua ya sea para la construcción y agricultura. Realizar pruebas y comparaciones de capas de suelo en distintas posiciones buscando la más adecuada. Se recomienda dejar espacios de aire de lo contrario el agua ascenderá por presión y no por capilaridad

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BIBLIOGRAFIA     

Manual de laboratorio de suelos en ingeniería civil, Joseph E. Bowie. Fundamentos de mecánica de suelos, Juárez Badillo – Rico Rodríguez http://www.arqhys.com/arquitectura/capilaridad-construccion.html http://www.constructorcivil.org/2010/01/problemas-de-capilaridad-en-la.html http://www.euroresidentes.com/jardineria/sistemas_de_riego/riego/riego_en_cas a/capilaridad.htm

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