La determinación correcta de la plasticidad de los suelos finos es determinante para prever el comportamiento mecánico de cimentaciones, terraplenes y capas de pavimentos. Errores sistemáticos en la preparación de la muestra o en la manipulación del aparato de Casagrande alteran la clasificación HRB/USCS y comprometen la liberación de frentes de obra. Este artículo analiza los procedimientos normalizados, las fuentes frecuentes de desviación experimental y el protocolo de garantía de calidad de laboratorio.
1. ¿Qué es el ensayo y qué problema resuelve?
Los Límites de Atterberg definen las fronteras de humedad que delimitan los estados de consistencia de un suelo de grano fino: líquido, plástico, semisólido y sólido. La transición entre estos estados depende del contenido de agua presente en la fracción que pasa el tamiz de 0,425 mm (N.º 40).
En la práctica geotécnica, los suelos con alta plasticidad presentan una gran variación volumétrica (retracción y expansión) en presencia de agua, además de una menor capacidad de carga cuando están saturados. La determinación del Límite Líquido (LL) y del Límite Plástico (LP) resuelve el problema de caracterización y selección de materiales para movimientos de tierra, permitiendo rechazar suelos expansivos o inadecuados antes de su aplicación en la obra.
2. ¿Para qué sirve y cuándo debe utilizarse?
La determinación del LL y LP es obligatoria en las siguientes fases y aplicaciones:
• Clasificación geotécnica de suelos por los sistemas AASHTO/HRB y USCS (ASTM D2487).
• Evaluación de la aptitud de suelos para la construcción de terraplenes, zonas de coronación y subbases de carreteras.
• Verificación del Índice de Plasticidad (IP = LL - LP) y del Índice de Consistencia (IC) para el estudio de estabilidad de taludes y cimentaciones.
• Control de calidad en la recepción de préstamos y yacimientos de suelos finos.
• Monitorización de alteraciones mineralógicas o de contaminación a lo largo de un trazado vial.
3. Normas de referencia
La ejecución del ensayo debe obedecer rigurosamente a las especificaciones técnicas vigentes en el proyecto. Las principales normas de referencia son:
• NP 143: Suelos - Determinación de los límites de consistencia (Límite líquido y límite plástico).
• ASTM D4318: Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils.
• EN ISO 17892-12: Geotechnical investigation and testing - Laboratory testing of soil - Part 12: Determination of Liquid and Plastic Limits.
• LNEC E 198: Suelos - Determinación del límite líquido por el aparato de Casagrande.
• DNIT 122/2010 - ME: Suelos - Determinación del límite de plasticidad.
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4. Preparación de la muestra
La preparación adecuada de la muestra es crucial para garantizar la reproducibilidad de los ensayos. El procedimiento estándar implica:
- Secado previo de la muestra al aire o en estufa a temperatura controlada (no superior a 60 °C para evitar la alteración de la estructura mineralógica de las arcillas orgánicamente activas).
- Desagregación cuidadosa de los terrones con molino de mortero o mortero de goma, sin fracturar los granos minerales individuales.
- Tamizado de la fracción representativa a través del tamiz ASTM N.º 40 (0,425 mm), recogiendo el pasado integralmente.
- Humedecimiento inicial del suelo con agua destilada o desmineralizada y homogeneización con espátula hasta obtener una masa uniforme.
- Curado de la pasta de suelo en recipiente hermético por un período mínimo de 12 a 24 horas (se exigen curados prolongados para arcillas montmorilloníticas o de alta plasticidad), permitiendo la hidratación completa de las partículas minerales.
5. Equipos y materiales
El equipo debe estar debidamente calibrado y en buen estado de conservación:
• Aparato de Casagrande accionado manualmente o por motor eléctrico (frecuencia de 2 golpes por segundo).
• Cazoleta de bronce de masa normalizada (120 g a 130 g) y base de goma dura con resiliencia calibrada.
• Ranurador estándar tipo ASTM (curvo) o tipo Casagrande (recto), de metal endurecido o plástico calibrado.
• Placa de vidrio deslustrado o mármol para el moldeo de los rollos de plasticidad.
• Espátula flexible de acero inoxidable con hoja de aproximadamente 75 mm a 100 mm.
• Pesafiltros o recipientes metálicos herméticos con tapa para la determinación de la humedad.
• Estufa de secado con circulación de aire forzada, mantenida a 110 °C ± 5 °C.
• Balanza analítica o semianalítica con precisión de 0,01 g.
• Frasco lavador con agua destilada.
6. Procedimiento paso a paso
La determinación experimental debe seguir la secuencia técnica descrita:
Determinación del Límite Líquido (LL):
- Colocar una porción del suelo preparado en la cazoleta del aparato de Casagrande, nivelando la superficie con la espátula paralelamente a la base hasta un espesor máximo de 10 mm en el punto de mayor profundidad.
- Abrir una ranura en el centro de la muestra a lo largo del eje de simetría de la cazoleta, utilizando el ranurador calibrado mantenido estrictamente perpendicular a la superficie interna de la cazoleta.
- Girar la manivela del aparato a razón constante de 2 golpes por segundo hasta que las dos medias lunas de suelo se unan en una extensión continua de 13 mm (aproximadamente 1/2 pulgada) en el fondo de la ranura.
- Registrar el número de golpes (N) necesario para el cierre de la ranura. El ensayo es válido solo si el cierre ocurre entre 15 y 35 golpes.
- Retirar una alícuota de suelo de la zona donde ocurrió la unión, colocar en pesafiltro identificado y determinar la humedad (w) por secado en estufa a 110 °C ± 5 °C durante un mínimo de 16 horas.
- Repetir el procedimiento para al menos cuatro puntos con contenidos de agua crecientes/decrecientes distribuidos entre 15-25, 20-30 y 25-35 golpes.
Determinación del Límite Plástico (LP):
- Moldear una pequeña porción del suelo humedecido en forma de esfera y enrollarla manualmente sobre la placa de vidrio deslustrado con la palma de la mano.
- Ejercer presión suficiente para formar un cilindro (rollo) de diámetro uniforme.
- Continuar el moldeo hasta que el rollo alcance el diámetro de 3,0 mm (utilizando la varilla de comparación como referencia) y comience a fisurarse, desmoronarse o fragmentarse longitudinal y transversalmente.
- Recoger inmediatamente los fragmentos del rollo fisurado, colocar en pesafiltro con tapa y determinar el contenido de agua por secado en estufa.
- Ejecutar el procedimiento hasta obtener al menos tres determinaciones válidas cuyo contenido de humedad no difiera en más de 1,0% a 1,5% entre sí.
7. Cálculos y tratamiento de los resultados
El tratamiento matemático de los datos de laboratorio cumple las siguientes etapas:
1. Cálculo del Contenido de Humedad (w):
w = ((M1 - M2) / (M2 - M3)) * 100 (%)
Donde M1 es la masa del pesafiltro con suelo húmedo (g), M2 es la masa del pesafiltro con suelo seco (g) y M3 es la masa del pesafiltro vacío (g).
2. Obtención del Límite Líquido (LL):
Representar gráficamente los puntos en un diagrama semilogarítmico (eje horizontal logarítmico: número de golpes N; eje vertical lineal: contenido de humedad w en %). Ajustar la recta de flujo a los puntos experimentales. El Límite Líquido (LL) es el contenido de humedad correspondiente a la intersección de la recta con la línea de los 25 golpes, expresado en número entero (redondeado sin decimales).
Alternativamente, cuando sea aplicable por la norma y para ensayo de punto único:
LL = w * (N / 25)^0.121 (para N entre 20 y 30 golpes).
3. Obtención del Límite Plástico (LP):
El LP es la media aritmética de las humedades de los rollos de 3 mm que fisuraron, expresada en número entero.
4. Cálculo del Índice de Plasticidad (IP):
IP = LL - LP (%)
Si el LP es mayor o igual al LL, o si no es posible moldear los rollos de 3 mm con cualquier contenido de humedad, el suelo se clasifica como No Plástico (NP).
8. Interpretación de los resultados
La combinación entre LL e IP permite encuadrar el suelo en la Carta de Plasticidad de Casagrande y determinar su comportamiento geotécnico:
• Suelos por debajo de la Línea A (IP = 0,73 * (LL - 20)): Predominio de limos orgánicos o inorgánicos de compresibilidad media a alta.
• Suelos por encima de la Línea A: Predominio de arcillas inorgánicas de baja plasticidad (CL) o alta plasticidad (CH).
• Región sombreada (IP entre 4 y 7 y LL entre 12 y 25): Suelos limítrofes con doble clasificación (CL-ML).
• IP < 7: Suelo de baja plasticidad, poco cohesivo, susceptible a la erosión rápida y con comportamiento predominantemente granular.
• 7 <= IP <= 15: Plasticidad media, adecuado para terraplenes y subbases siempre que se compacte en la humedad óptima.
• IP > 15: Suelo de alta plasticidad, altamente expansivo y susceptible a grandes variaciones de volumen con la alteración del contenido de agua.
9. Errores comunes y cómo evitarlos
En la práctica diaria de laboratorio, se destacan los siguientes errores operativos:
• Altura de caída de la cazoleta descalibrada: Si la altura de caída es diferente de 10,0 mm ± 0,2 mm, la energía transmitida altera el cierre de la ranura. Solución: Verificar diariamente con el calibrador del ranurador antes del ensayo.
• Desgaste de la base de goma o de la cazoleta: Cavidades formadas en el punto de impacto alteran la resiliencia. Solución: Inspeccionar y reemplazar componentes desgastados.
• Ranura mal ejecutada: Usar ranuradores gastados o inclinados crea una holgura irregular en el fondo. Solución: Mantener el ranurador estrictamente perpendicular y reemplazarlo cuando la dimensión del bisel pierda la tolerancia.
• Tiempo insuficiente de curado de la pasta: Arcillas secas añadidas de agua sin tiempo de reposo proporcionan un LL falsamente inferior. Solución: Respetar el curado mínimo de 12 horas en cámara húmeda.