Mecánica de Suelos – Capilaridad
Ascensión del agua por encima del nivel freático del terreno a través de los espacios intersticiales del suelo, en un movimiento contrario al de la gravedad.
El movimiento ascendente del agua en un tubo capilar representa el fenómeno de capilaridad. Dos fuerzas son responsables por la capilaridad: 1 – atracción del agua por superficies sólidas (adhesión o adsorción) y 2 – tensión superficial del agua, que en gran parte está debida a la atracción entre las moléculas de agua (cohesión).
Las fuerzas de cohesión entre moléculas de agua y de adhesión entre el agua y superficies sólidas en un sistema suelo-agua. Esas fuerzas son en gran parte, resultado de los puentes de hidrógeno representados por las líneas punteadas.
La fuerza de adhesión o adsorción disminuye rápidamente con la distancia de la superficie sólida. La cohesión entre moléculas de agua resulta en la formación de agrupaciones temporales que están constantemente cambiando de tamaño y forma a medida que moléculas individuales de agua son liberadas o se unen a otras. La cohesión entre moléculas de agua también hace que la fase sólida se restrinja indirectamente la libertad del movimiento del agua hasta determinada distancia, además de la interface sólido-líquido.
Además, es importante destacar que la capilaridad tiene un papel crucial en la distribución y el movimiento del agua en el suelo, lo que afecta directamente a la disponibilidad de agua para las plantas y a la eficiencia de los sistemas de riego. La capilaridad también puede influir en la estabilidad de las estructuras de ingeniería, como los cimientos de los edificios, ya que puede provocar cambios en la humedad del suelo que pueden llevar a la expansión y contracción del mismo.
Teoría del Tubo Capilar
Donde:
P: Es el peso de la columna de agua
F: Fuerza de ascensión capilar:
Ts: tensión superficial del agua por unidad de línea de contacto entre el agua y el tubo (≅0,0764 g/cm para agua pura y vidrio limpio).
hc: altura de la ascensión capilar;
d: diámetro del tubo
γa = peso específico del agua
α = ángulo de contacto (en el caso del agua y vidrio limpio este ángulo es cero).
Además de estos factores, otros factores como la temperatura y la presión también pueden afectar la capilaridad. Por ejemplo, a temperaturas más altas, la tensión superficial del agua disminuye, lo que puede reducir la altura de la ascensión capilar. Del mismo modo, a presiones más altas, la densidad del agua aumenta, lo que puede aumentar la altura de la ascensión capilar.
Observaciones:
En suelos arenosos es común que la ascensión capilar alcance alturas del orden de 30cm a 50cm. Sin embargo, en terrenos arcillosos la capilaridad puede alcanzar hasta los 80 m de
Según Souza Pinto (2003), la altura de ascensión capilar máxima es de pocos centímetros para pedregullos, 1 a 2 metros para arenas, 3 a 4 metros para el limo y decenas de metros para las arcillas.
Es importante tener en cuenta que estas alturas son aproximadas y pueden variar dependiendo de las condiciones específicas del suelo y del agua. Por ejemplo, la presencia de sales disueltas en el agua puede alterar la tensión superficial y, por lo tanto, la altura de la ascensión capilar.
Fórmula Empírica de Hazen
Puede ser empleada para una estimativa grosso modo de la altura de la ascensión capilar.
La Importancia de los Fenómenos Capilares
- En la construcción de pavimentos de carreteras: si el terreno donde se funda un pavimento está constituido por un suelo limoso y el nivel freático está poco profundo, para evitar la ascensión capilar de agua es necesario substituir el material limoso por otro con menor potencial de capilaridad.
- La contracción de los suelos: Cuando toda la superficie de un suelo esta sumergida en agua, no hay fuerza capilar, pues α = 90º. Sin embargo, a medida que el agua va siendo evaporada, se van formando meniscos apareciendo fuerzas capilares que aproximan las partículas.
- Cohesión aparente de arenas húmedas: Si la arena fuese seca o saturada, la cohesión se deshace. Los meniscos se deshacen cuando el movimiento entre los granos aumenta y las deformaciones son muy grandes.
Además, la capilaridad también juega un papel importante en la formación de suelos, ya que puede influir en la distribución de los minerales y en la formación de horizontes del suelo. Por ejemplo, en los suelos áridos, la capilaridad puede llevar a la formación de horizontes de acumulación de sales en la superficie del suelo.
Sifón Capilar: Observado en las presas, el sifón, o sifonamiento capilar consiste en la filtración del agua bajo el núcleo impermeable de la presa.
En resumen, la capilaridad es un fenómeno físico que tiene una amplia gama de aplicaciones y efectos en la ingeniería y las ciencias de la tierra. Su comprensión y manejo adecuado son esenciales para la gestión eficiente del agua y la construcción de estructuras seguras y duraderas.