INFORME N°02: CAPILARIDAD

1. INTRODUCCIÓN:

Dentro del campo de la ingeniería civil es muy importante el estudio de la capilaridad debido a que esta propiedad física que tiene el agua afecta a la construcción ya que  la capilaridad es un fenómeno natural que se produce por la absorción del agua a través de materiales porosos como lo son todos los materiales de construcción. Así, la humedad contenida en la tierra es absorbida por la cimentación y las paredes. Las consecuencias son: la caída del revestimiento, manchas, mohos, malos olores, salitre, ácaros, etc. Es por eso que en el presente informe hemos realizado la práctica correspondiente a capilaridad para ver que tan importante es está propiedad del agua para fututos casos de construcción de obras civiles.

La capilaridad se puede controlar con aditivos u otros materiales

2. OBJETIVOS :

Visualizar la capilaridad de dos tipos de suelo: Arcilla y Arena.

Mediante la deducción de la siguiente fórmula: r=2.δ . cosθ(γ . H)

determinar el radio de

los tubos capilares que se forman en las masas de arena y arcilla.

Determinar los factores de los cuales depende la capilaridad en suelos.

Realizar la comparación de ambos tipos de suelos y concluir con la determinación

del mejor de estos, según factores de capilaridad.

Observar cómo actúa la capilaridad ante un mejoramiento de terreno.

Describir problemas y beneficios que esta capilaridad genera.

MECÁNICA DE FLUIDOS I - CAPILARIDAD

3. REVISIÓN DE LITERATURA :

3.1 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). El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y ésta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin utilizar energía para vencer la gravedad.

3.2 TUBO CAPILAR

Un aparato comúnmente empleado para demostrar la capilaridad es el tubo capilar; cuando la parte inferior de un tubo de vidrio se coloca verticalmente, en contacto con un líquido como el 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 de la gravedad se equilibre con las fuerzas intermoleculares.

Cuanto más pequeño es el diámetro del tubo capilar mayor será la presión capilar y la altura alcanzada.

Entre algunos materiales, como el mercurio y el vidrio, las fuerzas intermoleculares del líquido exceden a las existentes entre el líquido y el sólido, por lo que se forma un menisco convexo y la capilaridad trabaja en sentido inverso.

Efectos de capilaridad en agua y mercurio

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3.3 TENSIÓN SUPERFICIAL

En física se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para disminuir su superficie por unidad de área.[] Esta definición implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. Este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero (Gerris lacustris), desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad.

3.4 DE QUE DEPENDE LA CAPILARIDAD

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.

3.5 CAPILARIDAD EN SUELOS.

Al contrario que en los tubos capilares los huecos en suelos tienen ancho variable y se

comunican entre sí formando un enrejado. Si este enrejado se comunica por abajo con el

agua, su parte inferior se satura completamente. Más arriba el agua solo ocupa los huecos

pequeños y los mayores quedan con aire.

La ascensión del agua por los poros de una arena seca se puede estudiar en el laboratorio.

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3.6 HUMEDADES POR CAPILARIDAD. FILTRACIONES DE AGUA DEL SUBSUELO

Las humedades y filtraciones causadas por capilaridad son quizá las más problemáticas de tratar. Tanto por la dificultad para detectar el punto de origen de la filtración, como por los trabajos que deben llevarse a cabo para corregir el problema. Son también las más peligrosas pues pueden afectar a los cimientos y estructuras de soporte de una casa deteriorándolos si no se toman medidas.

Las humedades por capilaridad tienen dos orígenes fundamentalmente: filtraciones de agua de lluvia, y filtraciones de agua subterránea.

3.7 LEY DE JURIN:

La ley de Jurin define la altura que se alcanza cuando se equilibra el peso de la columna de

líquido y la fuerza de ascensión por capilaridad. La altura h en metros de una columna

líquida está dada por la ecuación:

Para un tubo capilar de vidrio limpio sus ángulos toman los siguientes valores:

Agua: θ = 0°

Mercurio: θ = 140°

Donde: = tensión superficial interfacial (N/m)

θ = ángulo de contacto

ρ = densidad del líquido (kg/m³)

g = aceleración debido a la gravedad, por lo tanto:(m/s²)

r = radio del tubo (m)

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5 RESULTADOS Y DISCUSION

1. DATOS GENERALES DEL AGUA :

DATOS

Tº (ºC) = 25 ºγ (N/m3)= 9810

θ = 0ºδ (N/m) = 0.0728

2. DATOS DEL LABORATORIO :

CAPILARIDAD DE LA ARCILLA

Cuadro 1Tiempo = 3 min

Nº MEDIDAS LADO 1 LADO 2 LADO 3 LADO 4H1 (cm) 3 2.4 2.8 2.7H2 (cm) 2.9 2.5 2.7 2.9H3 (cm) 3 2.2 2.8 2.2H4 (cm) 2.6 2.7 2.4 2.4H5 (cm) 2.4 2.7 2.3 2.4Promd. De lado 2.78 2.5 2.6 2.52H prom. = 2.6 cm = 0.026 m

Cuadro 2

Cuadro 3

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Tiempo = 5 min

Nº MEDIDAS LADO 1 LADO 2 LADO 3 LADO 4H1 (cm) 3.2 2.8 2.9 2.9H2 (cm) 3 2.7 2.8 3.2H3 (cm) 3.3 2.5 3.1 2.7H4 (cm) 2.9 3.1 2.6 2.8H5 (cm) 2.7 2.8 2.8 2.9Promd. De lado 3.02 2.78 2.84 2.9H prom. (cm)= 2.88 cm = 0.0288 m

Tiempo = 8 min

Nº MEDIDAS LADO 1 LADO 2 LADO 3 LADO 4H1 (cm) 3.5 3.1 3.3 3.4H2 (cm) 3.3 3.3 3.1 3.5H3 (cm) 3.4 2.8 3.2 2.9H4 (cm) 3.1 3.2 2.9 2.9H5 (cm) 2.9 3.1 3 3.2H prom. (cm)= 3.155 cm = 0.03155 m

CÁLCULOS: Determinación del radio de los tubos capilares de la arcilla

FORMULA APLICATIVA

H=(2.δ . cosθ) /(γ . r )

H : Es laalturade lacapilaridad del aguaδ :Tensión superficial del aguaa25 .Θ : Anguloγ :Peso especificodel agua .r : Elradio de los poros .

Despejando tenemos:

r=2.δ . cosθ(γ . H)

r=(2∗0.0728

Nm

∗cos0)

(9810N

m3∗0.03155m)

r=0.00047m

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CAPILARIDAD DE LA ARENA

Cuadro 1Tiempo=¿ 3min

Nº MED IDAS LADO 1 LADO 2 LADO 3 LADO 4H 1(cm) 1.5 1.2 1 0.9

H 2(cm) 2 1 0.7 1.5

H 3(cm) 1.3 1.5 1.5 1.4

H 4 (cm) 1.2 2 1.7 1.4

H 5(cm) 0.5 0.5 1 0.8

Promd . De lado 1.36 1.24 1.18 1.2

H prom. (cm)=¿ 1.40cm=0.014 m

Cuadro 2Tiempo=¿ 5min

Nº MEDIDAS LADO 1 LADO 2 LADO 3 LADO 4H 1(cm) 1.5 1.6 1 1.3

H 2(cm) 2.4 1.4 1 1.7

H 3(cm) 1.4 1.7 1.8 1.8

H 4 (cm) 1.4 2.1 2.1 1.7

H 5(cm) 0.8 1.6 1.6 1.2

Promd . De lado 1.5 1.68 1.5 1.54

H prom. (cm)=¿ 1.555cm=0.01555m

Cuadro 3Tiempo=¿ 8min

Nº MEDIDAS LADO 1 LADO 2 LADO 3 LADO 4H 1(cm) 1.5 2 1 1.5

H 2(cm) 2.8 2.1 1.5 2.1

H 3(cm) 1.7 1.9 2 2

H 4 (cm) 1.2 2.1 2.5 1.9

H 5(cm) 0.9 1.6 2 1.8

Promd . De lado 1.62 1.6167 1.8 1.86

H prom. (cm)=¿ 1.72418cm=0.0172418 m

CÁLCULOS: Determinación del radio de los tubos capilares de la arena

MECÁNICA DE FLUIDOS I - CAPILARIDAD

FORMULA APLICATIVA

H=(2.δ . cosθ) /(γ . r )

H : Es laalturade lacapilaridad del aguaδ :Tensión superficial del agua .Θ : Anguloγ :Peso especificodel agua .r : Elradio de los poros .

Despejando tenemos:

r=2.δ . cosθ(γ . H)

r=(2∗0.0728

Nm

∗cos0)

(9810N

m3∗0.0172418 m)

r=0.00086m

DISCUSIÓN

MECÁNICA DE FLUIDOS I - CAPILARIDAD

Se realizó un análisis comparativo para determinar el material de mayor radio, así

mismo comparar la variación de valores obtenidos en la práctica y valores establecidos

para cada material.

Observamos que el radio de la arcilla es menor que el radio de la arena,

además que el radio obtenido en el caso de la arena fina se encuentra

dentro del rango de los radios teóricos promedio. Pero en el caso de la

arcilla presenta un radio mucho mayor al radio teórico de la arcilla, esto

puede deberse a que la arcilla usada para la práctica no se encontró

completamente pura, es decir pudo haber estado con impurezas que no

permitieron encontrar el radio más próximo.

Se comparó el ascenso capilar obtenido de ambos materiales para tres tiempos. La

siguiente tabla presenta los resultados obtenidos:

MECÁNICA DE FLUIDOS I - CAPILARIDAD

CUADRO COMPARATIVO DE RADIOS

RADIO OBTENIDO DE LA ARCILLA (mm) 0.47

RADIO TEÓRICO DE LA ARCILLA (mm) < 0,002

RADIO OBTENIDO DE LA ARENA (mm) 0.86

RADIO TEÓRICO DE LA ARENA (mm) 0,06-2

CUADRO COMPARATIVO DE ALTURAS PARA TRES TIEMPOS

De la gráfica se observa que el ascenso capilar de la arcilla es mayor al de la

arena para cualquiera de los tres tiempos.

Relación entre el radio de cada material y el ascenso capilar.

MECÁNICA DE FLUIDOS I - CAPILARIDAD

TIEMPO (min) 3 min 5 min 8 min

ALTURA PROMEDIO OBTENIDA DE LA ARCILLA (cm) 2.6 2.88 3.16

ALTURA PROMEDIO OBTENIDA DE LA ARENA (cm)1.4 1.56 1.72

ARCILLA ARENA

RADIO (mm) 0.47 0.86

ALTURA (cm) 3.16 1.72

Para los datos se tiene que: entre más pequeño sea el radio del material mayor

será el ascenso capilar, es por dicha razón que en nuestro ensayo la arcilla tuvo

un mayor ascenso capilar debido a que el radio de sus tubos capilares son de

menor radio y por lo tanto menor diámetro. Esto también se puede deducir de la

fórmula:

R=2.δ.cosθ/ (γ. H)

Si H (altura) aumenta el radio R es menor y

Si H (altura) disminuye el radio R aumenta.

Se procedió a realizar una simulación de mejoramiento de terreno, para observar

la influencia de la capilaridad ANTES y DESPUÉS del mejoramiento.

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Capilaridad de Arena

Capilaridad de Arena + Piedra chancada

Se puede observar que cuando se realizó el ensayo de capilaridad de la arcilla sola,

el agua ascendía conforme transcurría el tiempo, mientras que cuando se realizó el

ensayo colocando una capa de piedra chancada entre la arcilla y el agua de contacto

la capilaridad fue casi nula debido a que esta fue obstruida por los espacios

pronunciados entre piedras.

CONCLUSIONES:

MECÁNICA DE FLUIDOS I - CAPILARIDAD

ARCILLA

CONTACTO CON AGUA

PIEDRA CHANCADA

ARCILLA

CONTACTO CON AGUA

Se observó el proceso de ascensión capilar para la arcilla y arena en el

laboratorio.

Se calculó los radios capilares que se generan para las masas de suelos

ensayadas: arcilla y arena; siendo el radio capilar de la arcilla menor al de la

arena.

La ascensión capilar de suelos depende de la dimensión (diámetro) de los tubos

capilares; es así que: la ascensión será menor si el diámetro es mayor, y será

mayor si el diámetro es menor.

De acuerdo a los ensayos realizados se observa que la arcilla presenta mayor

capilaridad y por ende es no recomendable la construcción de edificaciones en

zonas con elevado nivel freático y presencia de arcillas, salvo se realice

mejoramientos de terreno.

Ante la presencia de suelos saturados se debe realizar mejoramiento de terreno

para obstruir la capilaridad, lo cual se puede realizar por ejemplo con

membranas geotextiles, pedraplenes, ect; de tal forma que el terreno resultante

sea apto para su uso.

La capilaridad en suelos produce muchos problemas en el campo de la

construcción ya que muchas de las edificaciones tienen como elementos

constitutivos principales al acero y cemento; los cuales se ven muy perjudicados

en sus propiedades mecánicas cuando son atacados por agua.

BIBLIOGRAFÍA:

http://ingevil.blogspot.com/2008/09/capilaridad.html http://www.tesisymonografias.net/capilaridad/3/

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