2: Descriptores geotécnicos
2.5: Plasticidad, límites de Atterberg, consistencia y fluidez
Se denomina plasticidad a la propiedad que presentan algunos suelos de modificar su consistencia (o dicho de otra forma, su resistencia al corte) en función de la humedad.
Existe una correspondencia entre la plasticidad de un suelo y su cohesión. La plasticidad es una propiedad exclusiva de los suelos finos (arcillas y limos), siendo producto de las relaciones electroquímicas que se establecen entre las superficies de los elementos que forman el agregado que compone el suelo (partículas elementales de limo o arcilla). Los suelos granulares, formados exclusivamente por elementos de granulometría gruesa (arena, gravilla, grava o cantos) no presentan plasticidad.
2.5.1. Límites de Atterberg
Albert Mauritz Atterberg definió para el uso en agronomía cuatro estados en los que puede encontrarse un suelo plástico en función de su consistencia, que varía según la humedad: sólido, semisólido, plástico y líquido. Un suelo plástico seco se encuentra en estado sólido; al incrementar su humedad varía de forma gradual su consistencia hasta llegar al estado líquido. Los umbrales de humedad que separan cada uno de los estados son denominados límites de Atterberg.
La aplicación ingenieril de los conceptos de Atterberg se debe a Arthur Casagrande, quien normalizó una metodología de laboratorio para determinar la humedad a la cual un suelo se encuentra en la frontera entre dos estados de consistencia.
Conceptualmente el límite líquido (wL) corresponde a la humedad por encima de la cual la resistencia al corte de un suelo es nula (propia de un líquido) y se determina mediante un ensayo que relaciona este umbral de humedad con un cierto número de golpes que es necesario dar a un dispositivo en forma de cuchara para que dos porciones de suelo separadas por un surco se unan en una longitud preestablecida (en el procedimiento original media pulgada; en paises que adoptan el sistema métrico se toman 12 mm); comunmente a este test se le denomina como ensayo de la cuchara de Casagrande.
Cuchara de Casagrande
Desplazamiento de la muestra de suelo y cierre del surco en la cuchara de Casagrande
El límite plástico (wP) corresponde al umbral de humedad de un suelo por encima del cual el material muestra una deformación de tipo plástica en relación a las tensiones aplicadas, y empíricamente se relaciona con la humedad por debajo de la cual resulta imposible moldear un cilindro de 3 mm de diámetro (en el procedimiento original se consideraba un diámetro de una décima de pulgada.)
El apelativo coloquial de este test es el del ensayo «del churrito», por motivos evidentes.
El límite de retracción (wS), denominado también «de contracción» en la literatura técnica hispanoamericana, se define como la humedad por debajo de la cual el suelo deja de presentar una disminución de volumen pareja a la disminución de la humedad (proceso de retracción); por debajo de dicho umbral se entiende que parte de los poros del suelo se encuentran ya ocupados por aire, por lo que se asume que el límite de retracción corresponde con la humedad de saturación de una arcilla (que al contrario de lo que ocurre en un suelo granular, no equivale al máximo contenido en agua que pueda presentar el suelo.)
Cambio de volumen asociado a la variación de humedad en arcillas
Cuanto mayor sea el rango de humedad entre los diferentes límites de plasticidad, mayor cantidad de agua podrá asumir un suelo sin variar su estado de consistencia, entendiéndose por este comportamiento el concepto cualitativo de «plasticidad»; la diferencia entre el valor de humedad correspondiente al límite líquido y al límite plástico se define como «índice de plasticidad» (Ip), siendo pues «más plástico» pues un suelo cuanto mayor sea este índice.
Ip = wL – wP
La clasificación de los suelos finos según su plasticidad tiene en consideración los valores del límite líquido y del índice de plasticidad. El valor del límite líquido wL = 50 se considera como umbral que distingue los suelos de alta y media plasticidad, y el de wL = 30 distingue entre suelos de plasticidad media y baja; una clasificación más habitual y simplificada considera los suelos de plasticidad media y baja en un único grupo de suelos de baja plasticidad.
Representando la pareja de valores (wL, Ip) por un punto en un gráfico de coordenadas, situando en abscisas wL y en ordenadas Ip, es posible clasificar el suelo en uno de los grupos definidos por A. Casagrande, según muestra la siguiente figura.
Gráfico de Casagrande
En el gráfico hay dos líneas rectas principales que separan cuatro regiones. Una línea es vertical y corresponde a wL = 50 (delimita los suelos de plasticidad alta o baja). La otra es una diagonal, la llamada línea “A”, que delimita las arcillas (por encima de la línea) y los limos (por debajo de la misma) y tiene por ecuación:
Ip = 0,73 • (wL – 20)
Las clases de suelos definidas en función del grafico de Casagrande son:
- Arcilla inorgánica de baja plasticidad (CL).
- Arcilla inorgánica de alta plasticidad (CH).
- Limo inorgánico de baja plasticidad (ML).
- Suelo con materia orgánica coloidal y baja plasticidad (OL).
- Limo orgánico de alta plasticidad (MH).
- Suelo con materia orgánica coloidal y alta plasticidad (OH).
2.5.2. Consistencia e índice de fluidez
Una arcilla muy seca presenta una consistencia dura, y un aspecto en forma de terrón. Esa misma arcilla muy húmeda muestra en cambio una consistencia muy blanda: resulta obvio que la consistencia de la arcilla disminuye al aumentar la humedad. Con el fin de cuantificar el grado de consistencia se emplea un índice de fluidez (IL) que da idea de la relación entre la humedad del suelo en el intervalo de plasticidad:
Valores de IL negativos indican una arcilla de consistencia sólida. Si 0 < IL < 1 la arcilla presenta una consistencia plástica, mientras que para IL > 1 la arcilla muestra una consistencia líquida.