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CAPÍTULO 3

Clasificación

La taxonomía es uno de los aspectos primordiales en cualquier ámbito de investigación. La clasificación permite establecer tipologías, y sobre la base de esto es factible comparar, discriminar, con la finalidad de entender. Un sistema de clasificación es una herramienta útil que puede llevar a anticipar el comportamiento de un elemento a partir de aspectos índices más simples. Desde los inicios de la mecánica de suelos los especialistas se preocuparon por establecer un método de clasificación de materiales. El sistema de clasificación de suelos para aeropuertos, propuesto por Casagrande, que luego se transformó en el Sistema Unificado (SUCS) es el más grande ejemplo. En este capítulo se presentan los fundamentos de los sistemas de clasificación de suelos más aceptados en la actualidad, a saber: SUCS y HRB (o AASHTO). Además, se introduce el sistema de clasificación de RAMCODES que, a lo largo de este libro, servirá para referenciar el comportamiento de los geomateriales a la clasificación mediante una escala cuantitativa. Se presenta también la expresión de Fuller para ajustar la granulometría de agregados, que será de gran ayuda en la anticipación del comportamiento de mezclas asfálticas.

3.1 ASPECTOS FUNDAMENTALES

Aunque existen otros aspectos tales como la microestructura, la composición mineralógica, la textura, la forma y competencia de los granos, el color, etc., según RAMCODES, los aspectos fundamentales de la clasificación de geomateriales orientada a anticipar su potencial de densificación y su comportamiento mecánico son dos, a saber, la gradación de la fracción gruesa, y la superficie específica de

31 los finos. La gradación o proporción entre tamaños de granos explica el potencial de las partículas para acomodarse formando arreglos estructurales; estos arreglos permiten el desarrollo de la trabazón que contribuye de manera importante a la resistencia. La superficie específica de los finos, por otra parte, describe el aporte de la interacción entre el material y el líquido con que es mezclado, que se traduce, por medio de la succión en la matriz del suelo, en fuerzas de cohesión. El análisis de estos aspectos fundamentales, sin embargo, no podría ser utilizado para determinar una propiedad o describir un comportamiento mecánico por cuanto esto es materia de la conformación del arreglo geométrico de las partículas, aglomeradas y sostenidas por las tensiones de succión luego del proceso de compactación del material, aspecto este que no puede, hasta ahora, ser cuantificado por medios prácticos. La gradación de la fracción gruesa y la superficie específica de los finos explican, pues, el potencial de densificación y de comportamiento mecánico. 3.1.1 Gradación de la fracción gruesa

La gradación o análisis granulométrico del geomaterial se obtiene a través de la representación de las proporciones acumuladas de material que se va pasando a través de las distintas mallas y tamices que componen una batería de cribado. Como ejemplo, la Tabla 3.1 muestra una batería de cribado típica para clasificación de suelos con fines de ingeniería. Una representación granulométrica se realiza convencionalmente en una gráfica semi-logarítmica con las proporciones pasantes en las ordenadas en escala natural, y los diámetros de partícula en las abscisas en escala logarítmica de base 10, tal como la mostrada en la Figura 3.1. Tabla 3.1a. Batería de cribado para suelo Abertura nominal de malla, en pulgadas

(mm)

Número de tamiz

3

2

1 1/2

1

3/4

3/8

1/4

N°4

N°10

N°40

N°60

N°200

75.000

50.000

37.500

25.000

19.000

9.500

6.875

4.750

2.000

0.425

0.250

0.075

Tabla 3.1b. Batería de cribado para agregado en mezclas asfálticas Abertura nominal de malla, en pulgadas

(mm)

Número de tamiz

1

¾

1/2

3/8

N°4

No 8

No 16

No 30

N°50

N°100

N°200

25.000

19.000

12.500

9.500

4.750

2.057

1.003

0.500

0.297

0.149

0.075

32

Figura 3.1. Representación de la granulometría de un geomaterial

Un aspecto importante de la curva granulométrica es la distribución de las proporciones en los distintos tamaños de partícula; a esto se le ha llamado graduación o gradación. En un material bien gradado las proporciones están distribuidas en cantidades parecidas en cada uno de los tamaños. En un material mal graduado, o uniforme, por el contrario, la mayor parte del material se concentra en un solo tamaño. La gradación tiene una influencia significativa en el potencial de densificación y en el comportamiento mecánico de materiales gruesos, de allí la importancia de su determinación; materiales bien gradados, por ejemplo, son propensos a alcanzar las más altas densidades, y también resistencias considerables.

Allen Hazen propuso el coeficiente de uniformidad, Cu, como medida simple de la uniformidad de un suelo o agregado.

Cu

D60 D10

(3.1)

33

En donde: D60: diámetro o tamaño por donde pasa hasta el 60% del peso del material, D10: diámetro o tamaño por donde pasa hasta el 10% del peso del material; Hazen llamó a este el diámetro efectivo.

Este coeficiente en realidad expresa la no uniformidad del material, pues su valor numérico decrece cuando la uniformidad aumenta. Se consideran bien gradadas las gravas cuando Cu>6, y las arenas cuando Cu>4. Los suelos con Cu < 3 se consideran muy uniformes. Como coeficiente complementario para definir la gradación de un geomaterial, se introdujo el coeficiente de curvatura, Cc, según la expresión:

Cc

D30 2

(3.2)

D60 u D10

D30 es define de manera análoga que D60 y D10. Esta relación tiene un valor entre 1 y 3 en suelos bien gradados.

Para el material representado en la Figura 3.1 estos coeficientes tienen el siguiente valor:

Cu

Cc

15 mm 0.075 mm

2.5 2 15u 0.075

200

5.6

Es importante resaltar que el establecimiento de la gradación sólo tiene sentido en materiales gruesos, es decir, con pasantes del tamiz No. 200 iguales o inferiores al 12%.

34 La curva de distribución granulométrica de un material grueso puede ser expresada por la conocida ecuación de Fuller (3.3a), que se describe a continuación:

n

pi

§ Di · ¸¸ ¨¨ © D max ¹

Di

Dmax u ( pi) n

(3.3a)

1

(3.3b)

Donde, pi es el pasante acumulado, en decimal, para el diámetro de partícula Di. Dmax es el tamaño máximo del geomaterial. n es un valor asociado a la forma de la curva.

La ecuación de Fuller, expresada en su forma inversa, (ver 3.3b), es un modelo clásico de Freundlich de los usados en estudios de alometría (v.g., estudio del crecimiento o decrecimiento de una parte de un organismo con respecto a su totalidad). Con esta expresión se consiguen aceptables ajustes para las curvas granulométricas. La Figura 3.2 muestra el ajuste para el material representado en la Figura 3.1. Se consiguió un buen ajuste con n=0.335. Con la expresión 3.3b se calculan D60=16.3 mm, D30=2.06 mm, D10=0.078 mm, y de allí Cu=210.3 y Cc=3.35. La literatura reseña que cuando el exponente «n» de la ecuación de Fuller se encuentra entre 0.45 y 0.5 se alcanzan densidades máximas con el material. Esto se podría interpretar como que para geomateriales con curvas granulométricas donde «n» está entre 0.45 y 0.50, las densidades alcanzadas en la compactación son mayores, comparadas con las de otros geomateriales, compactados bajo la misma energía y método de compactación, y con el mismo tamaño máximo, pero con «n» fuera del mencionado rango. Dado que un alto potencial de densificación está asociado con una buena gradación, se infiere que el rango de 0.45-0.50 para «n» coincide con el rango para un material bien gradado. La deducción de expresiones para Cu y Cc (3.4 y 3.5) basadas en la ecuación de Fuller (3.3b) permiten «traducir» los rangos de buena gradación, en valores del exponente «n», ejercicio que se grafica en la Figura 3.3. De aquí se tiene que para gravas bien gradadas, el «n» debe estar entre 0.37 y 1.00, y para arenas bien gradadas, este exponente debe estar entre 0.37 y 1.29. Obsérvese que las expresiones 3.4 y

35 3.5 son independientes del tamaño máximo, Dmax, del geomaterial, por lo que estas conclusiones son aplicables de manera general. Estos rangos para «n» demarcan, en consecuencia, las regiones para granulometrías con elevado potencial de densificación; en la Figura 3.4 se representa lo que sería la región «bien gradada» o de «máximo potencial de densificación» para una grava con Dmax = 3! (75 mm). Esta figura muestra también la curva para una grava «desuniforme» (n = 0.30) pero con poca curvatura. Para una grava desuniforme y con buena curvatura (n = 0.5), y para una grava con buena curvatura, pero uniforme (n = 1.50).

1

Cu

Cc

6n

1.5

(3.4)

1 n

Figura 3.2. Ajuste de datos experimentales de Fig. 3.1 con la ecuación de Fuller

(3.5)

36

Figura 3.3. Límites para coeficientes de gradación expresados según ecuación de Fuller

Figura 3.4. Región «bien gradada» expresada en términos de «n»

37 3.1.2. Superficie específica de los finos

Los finos, definidos como la proporción de material que pasa el tamiz No. 200 (0.075 mm), van a tener una importancia en el comportamiento geomecánico del material cuando estos se encuentran presentes en proporciones iguales o superiores al 12%. De esta manera, su investigación corresponde generalmente a los casos cuando el geomaterial en estudio es un suelo, pues, en los casos de estudio de agregado para mezclas asfálticas, la cantidad de finos permitida por la mayoría de las especificaciones de diseño están por debajo de este límite del 12%.

Los finos están asociados corrientemente con arcilla, limo, y también con polvo de roca; sin embargo, por su constitución, son las arcillas las que contribuyen en mucho mayor grado con la cuantificación de la superficie específica de los finos. Las arcillas están compuestas por varios minerales que tienen diferentes valores de superficie específica. Por lo general, los minerales arcillosos se dividen en tres grandes grupos que, según Grim (1962), son las caolinitas, las montmorillonitas y las illitas, aunque también existen las cloritas, las vermiculitas, un grupo llamado interestratificado, y el grupo de la sepiolita y la attapulgita (Díaz y Sánchez, 1992). Desde luego existe en la literatura abundante información descriptiva de la composición y propiedades de cada uno de estos grupos; no obstante, para el interés de este capítulo conviene establecer los rangos típicos para superficie específica de los grupos más importantes, datos que se resumen en la Tabla 3.2. Se han colocado también, con fines ilustrativos, rangos para la superficie específica de arenas y limos. Tabla 3.2. Valores de superficie específica para minerales arcillosos Mineral arcilloso

Superficie específica (m2/g)

Montmorillonita

800

Vermiculita

200-600

Illita

40-60

Caolinita

5-20

Arena

3

D

Arenas con Finos

Los finos clasifican ML o MH

D

Los finos clasifican CL o CH

inorgánicos

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la línea «A»

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