Propiedades Físicas del Suelo: Composición, Hidráulica y Aireación para Ingeniería

El Suelo como Sistema Trifásico: Composición y Propiedades Fundamentales

Un sistema trifásico es aquel que consta de una fase líquida, una fase sólida y una fase gaseosa (aire).

Composición Ideal del Suelo

• Fase Sólida: 50%, compuesta por 45% material mineral (arena, limo, arcilla) y 5% material orgánico.
• Fase Líquida: 25% (agua).
• Fase Gaseosa (Aire): 25% (espacios porosos).

Relación Masa-Volumen de los Constituyentes del Suelo

• Fase de Aire: Se encuentra en los macroporos. Estos no retienen el agua gravitacional y son responsables del drenaje y la aireación.
• Fase de Agua: Se encuentra en los microporos, los cuales retienen el agua disponible para las plantas.

Propiedades de la Fase Sólida del Suelo

La fase sólida del suelo se divide en dos tipos de propiedades:

• Propiedades Estáticas: Intrínsecas del suelo, no afectadas por factores externos.
• Propiedades Dinámicas: Afectadas por fuerzas externas como las mecánicas, climáticas, biológicas y químicas.

Propiedades Estáticas

• Distribución del Tamaño de Partículas:
  • Textura:
    • ARENAS: 2 mm - 0.05 mm
    • LIMO: 0.05 mm - 0.002 mm
    • ARCILLA: < 0.002 mm
• Área Superficial: Es el área superficial total que exponen las partículas por unidad de masa o volumen.

Propiedades Dinámicas

• Estructura: Es la organización o arreglo de las partículas sólidas del suelo para formar agregados o unidades estructurales.
• Partícula Coloidal: Es aquella partícula que posee un tamaño menor de 0.001 mm de diámetro. Sus dimensiones son responsables de la alta superficie específica que las caracteriza, y al poseer cargas eléctricas, les confiere una alta reactividad química.
• Doble Capa Difusa: Las partículas de arcilla de un suelo pueden estar en estado coloidal cuando su dispersión se estabiliza por cargas eléctricas. Estas cargas se adquieren por adsorción y por disociación, influenciadas por el pH del medio. Todo esto contribuye a la estabilidad del estado coloidal. La doble capa difusa estabiliza los coloides, impidiendo que las partículas coloidales se aproximen unas a otras y precipiten. Cuando la doble capa desaparece, el coloide coagula.
• Floculación: Una solución coloidal flocula o coagula cuando las partículas dispersas se unen para disminuir el valor de la carga o el grado de solvatación (esto se consigue por adición de electrolitos como Al³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺).
• Desfloculación: Esto se consigue por variación del pH. Un coloide arcilloso floculado se desflocula por aumento del pH (cargas negativas) o por una fuerte disminución del pH (cargas positivas).
  • Lavado: Las arcillas sódicas de suelos muy salinos, aunque floculadas, pueden hacerse coloidales mediante riegos abundantes.

Características de la Estructura del Suelo

Métodos Directos

• Observaciones con microscopio electrónico.
• Observaciones de la forma típica de los agregados en los horizontes del perfil del suelo.
• Tipos de estructura: granular simple, masiva y agregada (granular, laminar, blocosa, prismática, columnar).

Métodos Indirectos

• Porosidad Total y Distribución del Tamaño de Poros.
• Densidad Aparente.
• Densidad del Sólido.
• Estabilidad Estructural.

Porosidad Total

Es un índice del volumen de poros del suelo. Los suelos arcillosos y orgánicos tienen una porosidad de alrededor del 60%; los suelos arenosos, alrededor del 40%; y los suelos compactos, una porosidad del 30%. Valores menores al 10% pueden acarrear problemas de compactación, infiltración, drenaje, aireación y desarrollo radicular.

Distribución del Tamaño de los Poros

Los poros, por su diámetro, se clasifican en:

• Macroporos: > 30 µm. Permiten el libre movimiento del agua y el aire.
• Microporos: < 30 µm (método de mesa de tensión). Retienen el agua que usan las plantas (entre 30 a 0.2 µm).

Densidad Aparente

Los suelos con alto contenido de materia orgánica y carbonato de calcio presentan densidades < 1 g/cm³. Los suelos con densidades > 1 g/cm³ indican:

• > 1.3 g/cm³ para suelos de textura fina.
• > 1.4 g/cm³ para textura media.
• > 1.6 g/cm³ para textura gruesa.

(Método del cilindro y equipo tipo UHLAND).

Densidad del Sólido o Real

Definida como la masa de las partículas dividida por su volumen ocupado (excluyendo vacíos y agua). Ejemplos de densidades:

• Humus: 1.3-1.5 g/cm³
• Cuarzo: 2.5-2.6 g/cm³
• Biotita: 2.8-3.3 g/cm³
• Hematita: 4.9-5.3 g/cm³

Estabilidad Estructural: Métodos

• Método de Tamizado en Húmedo: Consiste en sumergir una muestra de agregados de suelo en agua, mediante el movimiento ascendente y descendente de tamices de diferentes tamaños. Posteriormente, se recogen los agregados en cada tamiz para pesarlos y se relaciona su masa con el total de suelo tomado.
• Uso de Simulador de Lluvia: Los agregados son sometidos al impacto de las gotas de una lluvia simulada durante un tiempo determinado. Los agregados menos estables se disgregan y tapan los poros, disminuyendo la tasa de permeabilidad del agua y el aire del suelo, y a su vez, aumentando la escorrentía y la erosión superficial.

Efecto Directo sobre la Estabilidad Estructural

La estabilidad estructural influye en:

• La aireación del suelo.
• La velocidad de infiltración del agua.
• La resistencia del suelo a la penetración de las raíces.
• La facilidad de laboreo y emergencia de las plántulas.
• La permeabilidad y el escurrimiento.

Consistencia del Suelo

Es la resistencia que el suelo opone a la deformación o ruptura; es el grado de cohesión o adhesión de la masa de suelo.

• Cohesión: Es la atracción molecular que se lleva a cabo por las cargas superficiales de las partículas de arcilla, por los enlaces rotos en las láminas y por la atracción entre partículas.
• Adhesión: Es la fuerza de atracción molecular entre la fase sólida y líquida.

Límites de Atterberg (Límites de Consistencia)

• Límite Líquido (LL) o Límite Plástico Superior: Es el contenido de humedad con el cual el suelo comienza a fluir bajo la fuerza de una acción aplicada. Operacionalmente, está dado por el contenido de humedad que presenta el suelo cuando, al colocarlo en la cápsula del equipo Casagrande, una ranura de forma trapezoidal se cierra 1 cm en la base de la cazuela a los 25 golpes.
• Límite Plástico (LP) o Límite Plástico Inferior: Es el contenido de humedad que presenta el suelo cuando este se deja amasar en rollos de 3 a 4 mm de diámetro y de 5 a 6 cm de longitud sin que se desmenuce.
• Índice de Plasticidad (IP): Comprende el porcentaje de agua entre el límite líquido y el límite plástico (IP = LL - LP). Indica la reducción del contenido de humedad necesaria para convertir un suelo del estado líquido al semisólido.

Factores que Afectan la Consistencia

• Contenido de Humedad: Suelo seco > mayor consistencia.
• Textura: Arenoso < menor consistencia.
• Calidad y Tipo de Arcilla: Arcillas 2:1 > arcillas 1:1 (mayor consistencia).
• Estructura: Blocosa > mayor consistencia; granular < menor consistencia.
• Cationes Presentes: Na⁺⁺ (alto grado de hidratación) < menor consistencia; Ca⁺⁺ (menor radio de hidratación) > mayor consistencia.
• Materia Orgánica: Mayor materia orgánica < menor consistencia.

Propiedades Hídricas del Suelo

Propiedades del Agua con Importancia en el Suelo

• Alto Calor Específico: Número de calorías necesarias para elevar en 1 °C la temperatura de un gramo de agua.
• Presión de Vapor: Es la presión de la fase gaseosa del agua cuando está en equilibrio con la fase líquida.
• Viscosidad del Agua: Es la resistencia a fluir o el grado de dificultad con que una molécula se desliza sobre otra.
• Tensión Superficial: Está relacionada con la interfaz líquido-aire.
• Polaridad: Por ser una molécula polar, tiene una constante dieléctrica muy elevada (medida de la capacidad de “neutralizar” la atracción entre cargas eléctricas).

Movimiento del Agua en los Microporos del Suelo

El movimiento del agua hacia arriba en los microporos o poros capilares del suelo se debe a dos fuerzas:

1. La fuerza de atracción del agua por las partículas sólidas de las paredes de los poros (adhesión).
2. La tensión superficial del agua, la cual tiende a resistir la formación de un plano recto en la superficie de la interfaz aire-agua (cohesión).

Fenómeno de Capilaridad en el Suelo

Es el ascenso o descenso de un líquido en un tubo de pequeño diámetro (tubo capilar) o en un medio poroso (por ejemplo, un suelo), debido a la acción de la tensión superficial del líquido sobre la superficie del sólido y por los microespacios de aire que quedan entre las partículas del suelo o sustrato. Allí queda el agua retenida hasta que finalmente es encontrada por las raíces de las plantas.

Fuerzas Responsables de la Retención del Agua en el Suelo

• Fuerza Mátrica: Consiste en la atracción de agua por las partículas sólidas, creando las fuerzas de adhesión y cohesión.
• Fuerza Osmótica: Es la atracción del agua por iones y otros solutos del suelo.
• Fuerza de Gravedad: Es la fuerza que actúa sobre el agua del suelo y tiende a atraerla hacia abajo; por lo tanto, es la fuerza responsable de la infiltración y percolación en el perfil del suelo.

Unidades de Potenciales Negativos en el Suelo

Los potenciales negativos en el suelo se expresan comúnmente en Bares (bar) y Atmósferas (atm).

Métodos de Medición del Contenido de Humedad del Suelo: Ventajas y Desventajas

• Gravimétrico:
  • Ventajas: Requiere poco equipo especializado; buena precisión; aplicable a cualquier profundidad y contenido de agua.
  • Desventajas: Es laborioso; resultados diferidos en el tiempo; es destructivo.
• Bloque de Resistencia Eléctrica:
  • Ventajas: Muy económico; mide tensiones de humedad entre 1 y 15 atm; lectura continua y rápida; fácil instalación.
  • Desventajas: La vida útil de los bloques es limitada; la calibración original de los bloques cambia con el tiempo; no son útiles a tensiones menores a 0.33 atm.
• Tensiómetro:
  • Ventajas: Precio reducido; medida directa del potencial del agua; fácil instalación.
  • Desventajas: Los vacuómetros no son muy precisos; trabaja solo en el rango de 0 a 0.80 bar; sensible a la salinidad.

Penetración y Movimiento del Agua en el Suelo

• Infiltración: Es la entrada de agua desde la superficie hacia el interior del perfil.
• Tasa de Infiltración: Es la velocidad con que el agua penetra el suelo (relacionada con la conductividad hidráulica).

Constantes de Humedad del Suelo y Tensión de Retención del Agua

• Saturación: ~0 bar
• Capacidad de Campo: ~0.33 bar
• Punto de Marchitez Permanente: ~15 bar
• Coeficiente Higroscópico: ~31 bar
• Seco al Horno: ~10,000 bar

Propiedades Gaseosas del Suelo (Aireación)

Composición del Aire en el Suelo en Comparación con la Atmósfera

El aire en el suelo es una mezcla de nitrógeno, oxígeno y CO₂ con cantidades variables de vapor de agua. Existen diferencias entre el aire del suelo y el aire atmosférico, especialmente en muestras superficiales. El contenido de nitrógeno en el aire del suelo no varía mucho y se mantiene alrededor del 79%, valor similar al del aire atmosférico. La variación de concentración ocurre principalmente en el CO₂ y el oxígeno.

Comparación (valores aproximados):

• Oxígeno (O₂): Suelo ~20.40%, Atmosférico ~20.97%
• Dióxido de Carbono (CO₂): Suelo ~0.25%, Atmosférico ~0.03%
• Nitrógeno (N₂): Suelo ~79.4%, Atmosférico ~79.2%

Mecanismos de Renovación del Aire en el Suelo

• Difusión de moléculas de gases a través del espacio poroso, debido al gradiente de concentración y presión parcial.
• Flujo de masa como respuesta a cambios de presión, turbulencia del viento y variaciones de temperatura.
• Oxígeno disuelto en el agua.

Tasa de Difusión de Oxígeno (TDO)

Es un índice de aireación del suelo que indica la tasa a la cual el oxígeno puede ser incorporado al suelo a medida que es usado por las raíces de las plantas y los microorganismos.

Valores Óptimos de la Tasa de Difusión de Oxígeno (TDO) para Suelos Superficiales

Valores entre 70 y 80 mg/cm²/min generalmente se asocian a suelos con buena aireación.

Otros Indicadores de Aireación del Suelo

• Una presión parcial de oxígeno < 0.5 bar indica condiciones de pobre aireación.
• Mal olor debido a la presencia de compuestos provenientes de procesos de fermentación y putrefacción en el suelo.
• Presencia de coloración gris azulada (Fe(OH)₃) o manganeso (MnO₂) se asocian a pobre aireación.

Factores que Afectan la Aireación del Suelo

• Grado de compactación.
• Textura.
• Tipo de drenaje.
• Contenido de humedad.
• Estructura.
• Profundidad del suelo.
• Contenido y tipo de materia orgánica.

Fórmulas Fundamentales en Mecánica de Suelos

Definición de Variables

• V_c: Volumen total de la muestra de suelo (volumen del cilindro).
• M_s: Masa seca del suelo (a 105 °C durante 24 horas).
• V_s: Volumen de la fase sólida.
• V_pores: Volumen de poros totales.
• V_a: Volumen de aire en el suelo.
• V_w: Volumen de agua en el suelo.
• M_w: Masa de agua.
• M_húmeda: Masa de suelo húmedo.
• M_seca: Masa de suelo seco.

Cálculos de Propiedades Físicas

• Densidad del Sólido (DS): DS = Ms / Vs
• Densidad Aparente (Da): Da = Ms / Vc
• Porosidad Total (f): f = (Vpores / Vc) * 100% o f = (1 - (Da / DS)) * 100%
• Porosidad Llena de Aire (f_a): fa = (Va / Vc) * 100%
• Porosidad Llena de Agua (f_w): fw = (Vw / Vc) * 100%
• Humedad Gravimétrica (w): w = (Mw / Ms) * 100%
• Humedad Volumétrica (Φ): Φ = (Vw / Vc) * 100% o Φ = w * Da (si 'w' es fracción y 'Da' en g/cm³)
• Humedad Gravimétrica (w) - Alternativa: w = ((Mhúmeda - Mseca) / Mseca) * 100%