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• NOE CHINGUEL CULQUI

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ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL

I.

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.

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II.

OBJETIVOS:

Objetivo Principal: 

Demostrar el fenómeno de la capilaridad de los suelos

Objetivos Específicos: 

Identificar cuáles son los factores que inciden en la capilaridad



Conocer que tipos de suelos son los más afectados por este fenómeno.

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL III. CAPILARIDAD DE LOS SUELOS 3.1. 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.

Ilustración 1: La atracción adhesiva hacia el vidrio es mayor que la adhesión intermolecular del agua

3.2. Humedad por capilaridad La humedad por capilaridad es uno de los problemas que aparece en todo tipo de viviendas y edificios. La humedad de capilaridad la podemos encontrar prácticamente en todos los edificios antiguos y en la mayoría de los de reciente construcción. Podemos definir humedad como la diferencia en volumen de agua contenida en un material con su comparación con la cantidad que tendría en estado seco. Se produce por el fenómeno de ascensión capilar del agua y se transmite a través de los materiales porosos (cemento, etc.) del muro. La gravedad depende de varios factores. Uno de los más importantes es la cantidad de agua contenida en el subsuelo por los efectos del nivel freático, por saturación del terreno por agua de lluvia que no tiene como evacuar o por rotura de instalaciones conductoras de aguas. Una característica es su aparición en la parte baja de los muros. Empiezan a aparecer una o más manchas en la pared, que parten del suelo, y aparece en la planta baja. El establecimiento de una línea de coronación de la ascensión capilar, marcada unos 60 ó 70 cms., del suelo por el apurgaramiento de los revestimientos

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL y pinturas, debido al ataque de las sales que el agua ascendente transporta en cabeza, no es sino una situación de equilibrio en la que participan como variables, la tensión superficial (acción capilar) la acción gravitatoria (peso de la columna), presión del flujo (en el pié y en razón de la estructura del muro) y la superficie de evaporación. Su capacidad de ascensión depende del material, de la evaporación y la humedad del mismo recinto y es frecuente que las manchas presenten un abombamiento de la pintura y también desmoronamiento del revoque. La terca y odiosa humedad por capilaridad repele la pintura (si lo limpias y pintas, con el tiempo vuelven a aparecer las manchas) y con el tiempo acaba degradando el enfoscado. Los daños producidos en los muros pueden ser de distinto tipo y magnitud, pudiendo afectar a la estética, con manchas y desconchones, a la estabilidad, por la pérdida de masa o a la salubridad, por la aparición de mohos y hongos. Las manchas de humedad por capilaridad no desaparecen por si solas, para solucionar el problema de capilaridad hay que atacar la causa evitando que las paredes se humedezcan, y no solo hacer mantenimiento del área afectada, aunque si bien es cierto en épocas cálidas y de pocas lluvias estas humedades tienden a desaparecer y una leve pintura podrá cubrirlos, pero en épocas invernales o de lluvias aparecerán de nuevo sino se remedia el problema.

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3.3. 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”. 3.4. Aplicación de la Capilaridad en la Ingeniería Civil:

ESCUELA PROFESIONAL DE 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:

Se realiza sumatoria de fuerzas en el eje y, de la siguiente forma: ∑ 𝑭𝒚 = 𝟎 𝟐𝝅𝑹 + 𝑻 𝐜𝐨𝐬 𝜶 + 𝝅𝑹𝟐 = 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 3.5. En la construcción. 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. Muchos profesionales de la construcción están de acuerdo de que la capilaridad se puede disminuir si existe cierta responsabilidad. La capilaridad amenaza la vivienda con mayor fuerza que el moho, se dice que es crucial para el mantenimiento de la estructura de la casa. Hay que destacar que cuando los materiales están mojados tienden a podrirse, es por ello que deben de ser reemplazados.

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3.6. 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.

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL IV. TENSION SUPERFICIAL

4.1. Tensión superficial en el suelo 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)

4.2. Naturaleza de la deformación del suelo Los esfuerzos al interior del suelo se aplican por dos razones: El peso propio del suelo, El efecto de las cargas exteriores aplicadas al suelo.  Deformación elástica: el suelo puede recobrar formas y dimensiones originales, cuando cesa la fuerza de deformación.  Deformación plástica: se da corrimiento de la masa del suelo, pero la relación de vacíos permanece más o menos constante. Al retirar las cargas el suelo queda deformado, pero su volumen casi se mantiene.  Deformación compresiva: En este caso, existe Reducción de volumen en el suelo sometido a carga, y la deformación se conserva después de esa acción. Esta deformación puede ser por: CONSOLIDACIÓN o por COMPACTACIÓN.  Consolidación: Es la reducción gradual de volumen del suelo por compresión debido a cargas estáticas. También puede darse por pérdida de aire o agua, o por un reajuste de la fábrica textural.  Compactación: Es la densificación del suelo, lograda por medios dinámicos, con el propósito de mejorar sus propiedades ingenieriles.

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FACTORES

DE

FORMACIÓN

DEL

SUELO

FACTORES

DE

COMPORTAMIENTO  Suelo Consolidado:  Naturaleza de los sedimentos (Esfuerzos).  Método de transporte y sedimentación (Tiempo).  Naturaleza del medio de sedimentación (Agua).  Suelo Compacto:  Naturaleza del suelo (Entorno físico).  Energía y tipo de compactación (Perturbación).  Humedad de la muestra en obra (Medio y factores intrínsecos).

La consolidación de un suelo un proceso de reducción de volumen de los suelos finos cohesivos (arcillas y limos plásticos), provocado por la actuación de solicitaciones (cargas) sobre su masa y que ocurre en el transcurso de un tiempo generalmente largo.

DIFERENCIA ENTRE CONSOLIDACIÓN Y COMPACTACIÓN La consolidación es proceso natural, que ocurre en función de la carga aplicada en un suelo y el tiempo que transcurra soportando esta carga. Por el contrario, la compactación es un proceso mecánico llevado a cabo por el hombre, generalmente con apisonadoras, para la obtención de un estado mayor consistencia (solidez, más compacto) del suelo.

En estos casos y en otros similares, las características de la consolidación de los estratos de arcilla pueden investigarse cualitativamente, con aproximación razonable, realizando la prueba de compresión confinada o de consolidación unidimensional sobre especímenes representativos del suelo, extraídos en forma inalterada. Se puede así calcular la magnitud y la velocidad de los asentamientos probables a las cargas aplicadas.  Compactación. Proceso de expulsión de aire cuando el suelo no está saturado que provoca una disminución de volumen.

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL  Consolidación. Proceso de expulsión de agua cuando el suelo está saturado que provoca una disminución de volumen. La consolidación puede durar desde un instante hasta años, dependiendo de la permeabilidad del suelo. Las aplicaciones de determinadas cargas a un suelo pueden aumentar su densidad, disminuyendo su volumen, y producir una disminución de la permeabilidad y un aumento de su resistencia. Cuando se somete a compresión a un suelo saturado la disminución de su volumen se produce expulsando el agua contenida en sus poros, a este proceso se le llama “consolidación”. A diferencia de la compactación que es la disminución de volumen.

4.3. Gravedad absoluta y relativa del suelo.  Gravedad absoluta: Los primeros gravímetros absolutos fueron los péndulos que permiten conocer el valor de la gravedad a través de la medición de períodos de oscilación del péndulo. Estos instrumentos dejaron de emplearse a mediados de 1900 cuando se empiezan a construir los primeros gravímetros de caída libre. Hoy en día los gravímetros absolutos tienen una forma compacta para facilitar su uso en exteriores. Trabajan midiendo la aceleración de una masa en caída libre a través de un vacío mientras un acelerómetro está fijo en el suelo. La masa incluye un retro reflector el cual atraviesa el haz de un interferómetro Michelson. Se puede medir la velocidad de la masa contando los tiempos de las interferencias. Un nuevo método consiste en “levantar y tirar” el cual lanza la masa hacia arriba y mide las velocidades de ascenso y descenso. Esto permite evitar algunos errores de lectura. Los gravímetros absolutos se utilizan para calibrar los gravímetros relativos y para establecer una red de control vertical.  Gravedad relativa: Los gravímetros relativos más comunes funcionan con resortes. Se utilizan en análisis gravitacionales de áreas grandes para establecer la figura del geoide sobre estas. Un gravímetro de resorte es, básicamente, una pesa colgando de un resorte en la cual se mide el alargamiento de este con el fin de conocer la gravedad local. La resistencia del resorte debe ser calibrada ubicando el instrumento en un punto con una aceleración gravitacional conocida.

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL Los gravímetros relativos más exactos son los gravímetros superconductores, que funcionan suspendiendo una esfera superconductora diamagnética de niobio enfriada con helio líquido en un campo magnético extremadamente estable. La corriente necesaria para generar el campo magnético en el cual está suspendida la esfera de niobio es proporcional al campo gravitacional terrestre. El gravímetro superconductor alcanza niveles extraordinarios de exactitud hasta de un nanogal, es decir, la milésima parte de una mil millonésima de la gravedad terrestre. En una sorprendente demostración de la exactitud del gravímetro superconductor, Virtanen (2006)1 describe cómo uno de estos instrumentos ubicado en Metsähovi, Finlandia, detecta el incremento gradual de la gravedad en la superficie mientras unos trabajadores limpian la nieve del techo de su laboratorio.

También existen los gravímetros relativos transportables, que emplean una plataforma de inercia sumamente estable para compensar los efectos del movimiento y la vibración, todo un logro de ingeniería. Según reportes, los primeros gravímetros relativos transportables eran una tecnología militar secreta desarrollada en las décadas de 1950 a 1960 como auxiliar en la navegación de submarinos. Más adelante, en la década de 1980, estos gravímetros fueron rediseñados por el sector civil para ser usados en barcos, después en aeronáutica y, por último, para llevar a cabo análisis gravitatorios vía satélite.