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Guía de laboratorio: Límites de Atterberg

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Andrés Gracia
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Introducción

Los suelos pueden comportarse de manera muy diferente dependiendo de su contenido de agua. En ciertos niveles, pueden pasar de ser sólidos a semisólidos, plásticos o incluso fluidos. Para entender mejor estos cambios, el ingeniero sueco Albert Atterberg desarrolló en 1911 una serie de pruebas que hoy llevan su nombre y son esenciales en la clasificación y caracterización de suelos finos.

Los Límites de Atterberg - límite líquido (LL), límite plástico (PL) y límite de contracción (SL) - nos ayudan a definir cómo un suelo responde al agua y, en consecuencia, cómo se comportará en el campo. Estos parámetros son fundamentales en el diseño geotécnico, desde la estabilidad de taludes hasta la compactación de suelos en proyectos de infraestructura.

Límite de contracción

El límite de contracción es el contenido de agua por debajo del cual una reducción adicional de humedad no provoca una disminución en el volumen del suelo. Es el punto en el que el suelo ha perdido suficiente agua para que sus partículas se compacten al máximo, sin espacios adicionales que puedan reducirse aún más. Su determinación en laboratorio se realiza secando progresivamente una muestra de suelo saturado y midiendo los cambios de volumen, a menudo mediante el método de la cera, que consiste en sellar la muestra con una fina capa de cera y sumergirla en agua para calcular su volumen desplazado.

Límite plástico

El límite plástico es el contenido de agua en el que el suelo pasa de un estado semisólido a un estado plástico, lo que significa que puede ser moldeado sin fracturarse. Para determinarlo, se realiza la prueba de rollo, en la cual una muestra de suelo se amasa y se estira hasta formar cilindros de aproximadamente tres milímetros de diámetro. Si la muestra se agrieta o desmorona antes de alcanzar este grosor, se considera que ha alcanzado su límite plástico.

Límite líquido

El límite líquido es el contenido de agua a partir del cual el suelo pierde su resistencia al corte y se comporta como un fluido bajo cargas ligeras. Su determinación en laboratorio se realiza con el dispositivo de Casagrande, donde una muestra de suelo se coloca en una copa de latón y se somete a golpes controlados hasta que una ranura trazada en la muestra se cierra después de 25 golpes.

Instrumentos

A continuación se detallan los instrumentos necesarios para realizar los límites de Atterberg.

Generales

  • Recipientes para medir el contenido de agua
  • Balanza con precisión de 0.01 g y capacidad mínima de 200 g para análisis de humedad
  • Desecador para secado y conservación de muestras
  • Botella para almacenamiento de agua
  • Agua destilada para ensayos
  • Recipiente para mezclar muestras
  • Espátula para esparcir y manipular materiales

Límite Líquido por método de la cazuela de Casagrande

  • Aparato de límite líquido tipo Casagrande
    Cazuela de Casagrande
  • Herramienta para realizar ranuras en la muestra

Límite Plástico por método de los rollos

  • Superficie de vidrio para manipulación del suelo
  • Varilla de referencia con diámetro aproximado de 3.2 mm

Límite de Contracción por método de la cera

  • Cera calibrada para recubrimiento de muestras
  • Recipiente para fundir la cera
  • Molde para la prueba de contracción
  • Lubricante, como grasa de vacío, para facilitar la extracción de la muestra
  • Agua corriente para calibración del molde
  • Tubo cilíndrico con tapa para formar especímenes de aproximadamente 5 cm de diámetro y 4 cm de altura
  • Regla metálica para nivelar superficies
  • Calibrador con precisión de 0.01 mm para medición de dimensiones
  • Materiales para medir volumen por desplazamiento, incluyendo hilo, vaso medidor y soporte para suspensión

Procedimiento

A continuación se detallan los pasos para realizar los límites de Atterberg en laboratorio.

Límite de Contracción

De acuerdo con la norma D4943, basta con realizar una única prueba para determinar el límite de contracción. Sin embargo, en laboratorios educativos, se recomienda realizar tres pruebas sobre la misma muestra para identificar posibles variaciones en los resultados.

  1. Anotar la información de identificación del recipiente que se usará en la prueba.

  2. Aplicar una fina capa de lubricante en el interior del recipiente para facilitar la extracción del suelo más adelante.

  3. Pesar el recipiente con el lubricante aplicado (m) con una precisión de 0.01 g.

  4. Depositar aproximadamente un tercio del suelo con la consistencia adecuada dentro del recipiente. Golpear suavemente el recipiente contra una superficie firme y acolchada para distribuir el material de manera uniforme, evitando la formación de burbujas de aire.

  5. Repetir el paso anterior con otras dos porciones de suelo hasta llenar el recipiente.

  6. Utilizar una regla o espátula para nivelar la superficie del suelo, eliminando cualquier exceso y limpiando las partículas adheridas en el exterior del recipiente.

  7. Medir de inmediato el peso del recipiente con el suelo húmedo (mw) con una precisión de 0.01 g.

  8. Dejar secar el suelo al aire hasta que su color se vuelva más claro. Si la muestra se agrieta durante el secado, reiniciar la prueba y reducir la velocidad de pérdida de humedad.

  9. Una vez que el suelo ha cambiado de color, colocarlo en un horno con ventilación forzada a 110 ± 5 °C hasta que su peso se estabilice.

  10. Pesar nuevamente el recipiente con el suelo completamente seco (md) con una precisión de 0.01 g.

  11. Retirar el suelo del recipiente y atarle un hilo alrededor.

  12. Sosteniendo la muestra con el hilo, sumergirla completamente en cera derretida, asegurándose de que toda la superficie quede cubierta y sin burbujas de aire atrapadas.

  13. Sacar la muestra de la cera y dejar que se enfríe completamente.

  14. Pesar la muestra recubierta de cera en aire (msxa) con una precisión de 0.01 g.

  15. Llenar un recipiente con agua y colocarlo sobre una balanza, ajustando la lectura a cero.

  16. Suspender la muestra con cera de un soporte y sumergirla completamente en el agua, asegurándose de que no queden burbujas adheridas a la superficie o al hilo. Registrar el peso de la muestra sumergida (mwsx) con una precisión de 0.01 g.

Límite Plástico

  1. Tomar un tercio de la muestra destinada a la prueba de límite plástico y estirarla sobre una superficie de vidrio hasta formar un rollo de aproximadamente 3.2 mm de diámetro.

Rollos de límite plástico

  1. Recoger el material y darle forma de bola.

  2. Repetir el proceso de estirado y compactado hasta que el hilo comience a desmoronarse al alcanzar los 3.2 mm de diámetro, lo que indica el límite plástico.

  3. Colocar la muestra en un recipiente adecuado para la determinación del contenido de humedad y taparlo. Repetir el procedimiento hasta reunir al menos 6 g de suelo para el análisis.

  4. Determinar la cantidad de agua presente en la muestra correspondiente al límite plástico.

  5. Repetir todo el procedimiento con las dos porciones restantes de la muestra.

Límite Líquido

  1. Depositar el suelo preparado en una copa de Casagrande limpia y calibrada, asegurándose de que la capa no supere los 12 mm de profundidad. La superficie del suelo debe quedar nivelada y alineada con el borde inferior de la copa. Para verificar el volumen adecuado, se puede llenar la copa con agua en su posición de golpeo, eliminando cualquier burbuja de aire y alisando la superficie.

  2. Formar una ranura en la muestra utilizando una herramienta conforme a la norma ASTM, manteniéndola en posición perpendicular respecto a la copa.

Cazuela de Casagrande llena

  1. Girar la manivela a una velocidad constante de 2 golpes por segundo hasta que la ranura se cierre a lo largo de 12 mm. Anotar la cantidad de golpes necesarios para el cierre.

  2. Extraer el suelo de la copa y regresarlo al recipiente de mezcla.

  3. Mezclar nuevamente la muestra y repetir los pasos anteriores hasta obtener dos mediciones consecutivas con una diferencia máxima de ±1 golpe.

  4. Para determinar el contenido de humedad, tomar aproximadamente 10 g de muestra en un punto transversal a la ranura cerrada.

  5. Realizar cuatro mediciones del contenido de agua dentro de un rango de entre 15 y 35 golpes, secando ligeramente el suelo y repitiendo el procedimiento desde el primer paso.

Cálculos

Límite de Contracción

La siguiente serie de cálculos y los símbolos utilizados han sido formulados de manera consistente con la norma ASTM D4943.

  1. Determinar la masa del suelo seco:
ms=md−mm_s = m_d - m

Donde:

  • msm_s = masa del suelo seco en horno (g)
  • mdm_d = masa del recipiente con el suelo seco en horno (g)
  • mm = masa del recipiente con el lubricante (g)
  1. Calcular el contenido inicial de agua del suelo en el recipiente:
ωC=(mw−md)ms×100\omega_C = \frac{(m_w - m_d)}{m_s} \times 100

Donde:

  • ωC\omega_C = contenido inicial de agua del suelo en el recipiente (%)
  • mwm_w = masa del recipiente con el suelo húmedo (g)
  1. Calcular el volumen del suelo seco recubierto de cera:
Vdx=mwsxρwV_{dx} = \frac{m_{wsx}}{\rho_w}

Donde:

  • VdxV_{dx} = volumen del suelo seco recubierto de cera (cm³)
  • mwsxm_{wsx} = masa del agua desplazada por la muestra con cera (g)
  1. Determinar la masa de la cera:
mx=msxa−msm_x = m_{sxa} - m_s

Donde:

  • mxm_x = masa de la cera (g)
  • msxam_{sxa} = masa de la muestra recubierta de cera en aire (g)
  1. Determinar el volumen de la cera:
Vx=mxρxV_x = \frac{m_x}{\rho_x}

Donde:

  • VxV_x = volumen de la cera (cm³)
  1. Calcular el volumen del suelo seco en horno:
Vd=Vdx−VxV_d = V_{dx} - V_x

Donde:

  • VdV_d = volumen del suelo seco en horno (cm³)
  1. Calcular el límite de contracción:
SL=ωC×ρwVdms×100SL = \omega_C \times \frac{\rho_w V_d}{m_s} \times 100
  1. Reportar el promedio de las tres mediciones redondeado al número entero más próximo como el límite de contracción (SL).

Límite Plástico

Obtener el promedio de los resultados de las tres pruebas del límite plástico. Redondear al número entero más próximo y registrarlo como el límite plástico (PL).

Límite Líquido

Graficar el contenido de agua en función del logaritmo del número de golpes, trazar la curva de fluencia y determinar el límite líquido en el punto donde esta curva cruza la línea correspondiente a 25 golpes. Redondear al número entero más próximo y registrar este valor como el límite líquido (LL).

Reporte

Registra y presenta los resultados de:

  • Límite líquido (LL)
  • Límite plástico (PL)
  • Límite de contracción (SL)
  • Índice de plasticidad (PI):
PI=PL−LLPI = PL - LL
  • Índice de liquidez (LI):
LI=ωC−PLPILI = \frac{\omega_C - PL}{PI}
  • Contenido de agua natural de la muestra analizada (ωC\omega_C)

Asegúrate de incluir detalles sobre la identificación de la muestra, las condiciones en las que se realizaron los ensayos, los métodos empleados y cualquier otra información relevante sobre el proyecto en el que se enmarca el estudio.

Referencias

  • Germaine, J. T., & Germaine, A. V. (2009). Geotechnical laboratory measurements for engineers.
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