La gamma que interviene en el ascenso capilar es la tensión superficial del líquido, representada habitualmente por γ y expresada en N/m. El ascenso capilar se produce cuando las fuerzas adhesivas entre el líquido y las paredes de un tubo o de los poros superan las fuerzas cohesivas del propio líquido, de modo que el líquido puede desplazarse hacia arriba incluso contra la gravedad.
La altura máxima de ascenso depende de la tensión superficial, el ángulo de contacto, la densidad del líquido, la aceleración de la gravedad y el radio del conducto. En un capilar cilíndrico, esta relación se expresa mediante la Ley de Jurin: h = 2γ cos θ/(ρgr).
Qué significa gamma en el ascenso capilar
La tensión superficial es la tendencia elástica de la superficie de un líquido, causada por fuerzas moleculares no equilibradas en la interfaz. Se cuantifica como la energía necesaria para aumentar el área superficial de un líquido.
La tensión superficial permite que los líquidos formen gotas y sostiene el movimiento ascendente del líquido en un tubo capilar. La magnitud de la tensión superficial está determinada por la naturaleza del líquido y la temperatura ambiente.
El agua presenta altos valores de tensión superficial (g = 73 mN/m). En la notación utilizada habitualmente en física, esta magnitud se representa mediante γ.
Origen molecular del ascenso capilar
Cohesión
La cohesión es la atracción intermolecular entre moléculas de la misma sustancia. En líquidos como el agua, la cohesión surge principalmente de los enlaces de hidrógeno, haciendo que las moléculas se mantengan unidas.
Esta propiedad es responsable de fenómenos como la formación de gotas de agua sobre una superficie y el mantenimiento de la tensión superficial. En la acción capilar, la cohesión resiste el movimiento del líquido, pero también permite que la fuerza ascendente de la adhesión se transmita a través de la columna de líquido.
Adhesión
La adhesión se refiere a las fuerzas de atracción entre sustancias diferentes, como las moléculas de un líquido y una superficie sólida. Cuando un tubo de vidrio se introduce en agua, la fuerte atracción entre las moléculas polares del agua y la sílice del vidrio hace que el agua ascienda por el tubo.
La fuerza de la adhesión depende de las propiedades químicas y físicas tanto del líquido como de la superficie, influyendo en si el líquido moja (se extiende sobre) la superficie o forma gotas.
Fuerzas intermoleculares
El equilibrio entre la cohesión (atracción entre moléculas iguales) y la adhesión (atracción líquido-sólido) está gobernado por fuerzas a nivel molecular como enlaces de hidrógeno, interacciones dipolo-dipolo y fuerzas de van der Waals.
Las diferencias relativas en la intensidad de estas fuerzas determinan si un líquido asciende o desciende en un capilar.
Ángulo de contacto y forma del menisco
El ángulo de contacto es el ángulo formado en la intersección de la interfaz líquido-sólido, medido a través del líquido. Cuantifica qué tan bien un líquido moja una superficie.
Un ángulo de contacto pequeño (cerca de 0°) corresponde a un fuerte mojado y mayor ascenso capilar, mientras que un ángulo grande (mayor a 90°) corresponde a un mal mojado y posible depresión capilar.
En las proximidades de la pared de un recipiente, una molécula del líquido experimenta su peso, la fuerza de cohesión que ejercen el resto de las moléculas del líquido y la fuerza de adherencia que ejercen las moléculas de la pared sobre la molécula del líquido.
Cuando las moléculas están alejadas de la pared, la resultante debida al peso y a las fuerzas de cohesión es vertical hacia abajo, por lo que la superficie es horizontal.
Pueden ocurrir dos casos según sea la intensidad de las fuerzas de cohesión y adherencia: que el líquido moje, por ejemplo, agua en un recipiente de vidrio, o que el líquido no moje, por ejemplo, mercurio en un recipiente de vidrio.
Menisco cóncavo
En los líquidos que mojan, las fuerzas de adherencia son mucho mayores que las de cohesión. La resultante de las fuerzas que actúan sobre las moléculas próximas a la pared está dirigida hacia el interior de la pared, por lo que la forma de la superficie del líquido es cóncava.
Si se coloca un capilar verticalmente en un recipiente de líquido que moje, el líquido asciende por el capilar hasta alcanzar determinada altura.
Menisco convexo
En los líquidos que no mojan, las fuerzas de cohesión son mayores que las de adherencia. La resultante de las fuerzas que actúan sobre las moléculas próximas a la pared está dirigida hacia el interior del líquido, por lo que la superficie del líquido será convexa.
Si se coloca un capilar verticalmente en un recipiente de líquido que no moje, el nivel de líquido en el capilar es menor que en el recipiente.
Recibe el nombre de ángulo θ de contacto al formado por la tangente a la superficie del menisco en el punto de contacto con la pared. Este ángulo es agudo cuando el líquido moja y es obtuso cuando el líquido no moja.
Ley de Jurin
La altura máxima (h) que un líquido asciende o desciende en un capilar viene dada por la Ley de Jurin:
h = 2γ cos θ/(ρgr)
Donde:
- γ: tensión superficial, expresada en N/m.
- θ: ángulo de contacto.
- ρ: densidad del líquido, expresada en kg/m³.
- g: aceleración debida a la gravedad, 9.81 m/s².
- r: radio del tubo, expresado en m.
- h: altura de ascenso o profundidad de descenso del líquido.
La altura a la que se eleva o desciende un líquido en un capilar es directamente proporcional a su tensión superficial y está en razón inversa a la densidad del líquido y del radio del tubo.
Los puntos clave son que la altura es inversamente proporcional al radio del tubo, que los tubos más pequeños producen mayor ascenso, que una mayor tensión superficial o una adhesión más fuerte aumenta el ascenso y que los líquidos de mayor densidad ascienden menos.
Relación con la presión de Laplace
Debido a la curvatura de una superficie se produce una sobrepresión en su interior. La superficie del menisco en el capilar se puede considerar como un casquete esférico de radio R.
La relación entre el radio del capilar r, el radio del menisco R y el ángulo de contacto θ es:
r = R cos θ
Debido a la curvatura de la superficie habrá una sobrepresión hacia el centro del menisco, que de acuerdo con la ley de Laplace produce el ascenso del líquido.
Por efecto de esta sobrepresión, el líquido asciende una altura h. El peso de la columna de líquido genera una presión hidrostática que se opone al ascenso, hasta que ambas acciones se equilibran.
Cómo influyen γ, θ, ρ y r
| Magnitud | Influencia en el ascenso capilar |
|---|---|
| Tensión superficial γ | Una mayor tensión superficial aumenta la altura de ascenso. |
| Ángulo de contacto θ | Un ángulo pequeño y un mojado intenso favorecen el ascenso. |
| Densidad ρ | Una mayor densidad reduce la altura alcanzada. |
| Radio r | Un radio menor produce un ascenso mayor. |
| Gravedad g | La gravedad se opone al ascenso y participa en el equilibrio final. |
En esta experiencia simulada, se supone que el ángulo de contacto θ de los líquidos con la pared del capilar es pequeño, de modo que cos θ es aproximadamente igual a 1.
Ejemplo de cálculo con agua
Para agua a 20 °C se toman los valores γ = 0.0728 N/m, ρ = 1000 kg/m³, r = 0.0005 m, θ = 0° y g = 9.81 m/s².
h = [2 × 0.0728 × 1]/[1000 × 9.81 × 0.0005] = 0.0297 m = 2.97 cm
Así, el agua asciende aproximadamente 3 cm en un tubo de vidrio de 1 mm de diámetro.
Comprobación experimental de la Ley de Jurin
Se elige el líquido entre los disponibles en el control de selección titulado Líquidos. Se pulsa el botón titulado Nuevo.
Pulsando en el botón titulado Siguiente, se van utilizando sucesivamente capilares de los siguientes radios r: 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 y 3.0 mm.
Se mide la altura h del líquido en cada uno de los capilares. Los datos, radio r del capilar y altura h, se recogen en el área de texto.
Cuando se han recogido todos los pares de datos (radio del capilar, altura del nivel de líquido en el capilar), se representa la altura h del líquido en el capilar en función de la inversa del radio 1/r del capilar.
La recta que pasa por dichos puntos permite comprobar la Ley de Jurin. A partir de la medida de la pendiente de la recta, se puede obtener el valor de la tensión superficial del líquido considerado.
Para ello, se necesita el dato de la densidad del líquido seleccionado.
| Líquido | Densidad (kg/m³) |
|---|---|
| Agua | 1000 |
| Aceite | 900 |
| Alcohol | 790 |
| Glicerina | 1260 |
Eligiendo como líquido el agua, la pendiente de la recta sale 14.897. Sabiendo que la densidad del agua es 1000 kg/m³ se puede calcular el valor de su tensión superficial.
Como en la gráfica las alturas h están en mm y las inversas de los radios r están en mm⁻¹, la pendiente es 14.897 × 10⁻⁶ en unidades del Sistema Internacional.
Conocida la pendiente se calcula el valor de la tensión superficial γ.
Ascenso capilar en medios porosos
La acción capilar es la capacidad de un líquido para fluir en espacios estrechos sin la asistencia de fuerzas externas. Este movimiento es resultado de la delicada interacción entre las fuerzas cohesivas del líquido y las fuerzas adhesivas entre el líquido y una superficie sólida.
La acción capilar se observa cuando el agua asciende por un tubo delgado sumergido en un recipiente, o cuando un pañuelo de papel absorbe un derrame.
Este proceso es fundamental en muchos sistemas naturales y tecnológicos, desde el transporte de agua en plantas hasta el flujo de tinta en plumas y el funcionamiento de dispositivos microfluídicos.
La altura del ascenso o la profundidad de la depresión depende del radio del tubo, la tensión superficial, la densidad del líquido y el ángulo de contacto.
Radio equivalente
En medios porosos naturales, no es adecuado hablar de radios capilares, como lo hemos hecho con los tubos cilíndricos.
Sin embargo, en los casos más complejos, se emplea un concepto general de «radio equivalente» de modo que, aunque la cuantificación de los fenómenos sea mucho más compleja, los conceptos principales siguen teniendo validez.
En los materiales porosos, el tamaño, la distribución y la conectividad de los poros determinan la facilidad con la que el agua puede pasar a través del sustrato.
La porosidad del material influye significativamente en la eficacia del ascenso capilar. Los poros finos pueden favorecer alturas de ascenso importantes, mientras que la geometría irregular, la tortuosidad y la discontinuidad de los poros modifican la velocidad y la distribución de la humedad.
Superficie de contacto y equilibrio
Debido a las condiciones geométricas y a la tendencia de los sistemas en equilibrio termodinámico a minimizar la superficie de las interfases, cuando el ángulo de contacto es cero, el radio de curvatura de la superficie de contacto entre fases coincide con el radio del capilar.
En un nivel genérico por encima del nivel de agua libre, existen capilares con agua y capilares con petróleo, dependiendo del diámetro de los mismos y del nivel elegido.
Ascenso capilar en suelos
Las moléculas de agua se desplazan hacia arriba en el suelo incluso contra las fuerzas gravitacionales debido a un fenómeno llamado capilaridad o efecto capilar.
El agua que asciende recibe el nombre de agua capilar. El efecto capilar es la capacidad de un líquido para fluir en espacios estrechos sin la asistencia de fuerzas externas.
Un suelo está compuesto por pequeñas partículas sólidas que se denominan granos del suelo. Al depositarse, estos granos se organizan de forma que queda una cierta cantidad de espacio vacío entre ellos, denominado poros o vacíos.
Las tres fases observables en un suelo, sólida, líquida y gaseosa, le otorgan el carácter de poroso que facilita el ascenso capilar del agua.
Composición y comportamiento del suelo
El suelo empleado en construcción presenta en general una matriz conformada por material grueso o incoherente y arcillas. Una interpretación simplista asigna al primero la capacidad portante y a las arcillas un efecto aglutinante y estructurador del material grueso.
Las propiedades electroquímicas presentes en los minerales de las arcillas dan origen a la cohesión y plasticidad del material.
Esta agua intersticial interfiere el equilibrio electrostático de la matriz y además genera un importante trabajo mecánico en el umbral que separa la zona saturada y no saturada, y entre ésta y la zona seca.
Estos umbrales varían su posición en función del nivel freático y, en particular, de la humedad relativa del ambiente.
Esfuerzos efectivos y presión intersticial durante el ascenso capilar
Las partículas del suelo soportan el peso de todo lo que se encuentra sobre ellas, incluido el peso de las partículas superiores, el peso del agua y el peso de cualquier estructura situada encima. Por ello experimentan un esfuerzo denominado esfuerzo total.
Si la masa de suelo se coloca en agua, la fuerza de flotación reduce la fuerza total neta que actúa hacia abajo sobre las partículas del suelo. En consecuencia, se reduce el esfuerzo sobre las partículas. Este esfuerzo reducido se denomina esfuerzo efectivo.
El esfuerzo ejercido por el agua presente en los poros del suelo se denomina presión intersticial del agua.
El esfuerzo efectivo es diferente a distintas profundidades bajo la superficie del terreno porque el esfuerzo total y la presión intersticial cambian con la profundidad.
El esfuerzo en cualquier punto o plano bajo el suelo puede expresarse como la fuerza que actúa sobre ese plano dividida por el área del plano.
La fuerza que actúa sobre el plano corresponde al peso del suelo situado encima, es decir, al peso unitario del suelo multiplicado por su volumen. Como el volumen es el área multiplicada por la altura de la masa de suelo, se obtiene:
σ = γH
Por tanto, el esfuerzo bajo cualquier material puede escribirse directamente como el peso unitario del material multiplicado por la altura del material situado sobre ese punto.
Suelo completamente saturado por ascenso capilar
Se considera una masa de suelo de peso unitario total γ y se supone que el nivel freático se encuentra a una profundidad H1 bajo la superficie.
Debido al nivel freático, el suelo situado por debajo queda completamente saturado y su peso unitario pasa a ser γsat. El suelo situado por encima del nivel freático también queda saturado por el ascenso capilar, por lo que su peso unitario pasa igualmente a ser γsat.
El agua situada por debajo del nivel freático está sometida a compresión debido al peso del agua y la presión intersticial es positiva, es decir, superior a la presión atmosférica.
En el ascenso capilar, el agua situada por encima del nivel freático está sometida a tensión porque las fuerzas intermoleculares la atraen hacia arriba. La presión intersticial en esta región es negativa, es decir, inferior a la presión atmosférica.
Esfuerzo en la superficie
Si el agua capilar asciende hasta la superficie y el suelo queda completamente saturado hasta ella, el esfuerzo total en la superficie es cero porque no existe ninguna carga sobre ese plano:
σ = 0
No hay agua situada por encima de la superficie, pero sí existe agua capilar y está sometida a tensión. Por tanto, la presión intersticial no es cero en la superficie:
u = −γwH1
El esfuerzo efectivo en la superficie del suelo se obtiene mediante:
σ’ = σ − u
σ’ = 0 − (−γwH1)
Por tanto:
σ’ = γwH1
Si el agua capilar está ausente en el suelo, la presión intersticial en la superficie sería cero y también lo sería el esfuerzo efectivo.
Esfuerzo dentro de la zona de saturación capilar
En un plano situado dentro de la zona de saturación capilar, el esfuerzo total se debe al suelo saturado situado por encima. Si la altura de suelo sobre el plano es H1’, se obtiene:
σ = γsatH1’
La presión intersticial en ese plano es negativa debido al agua capilar. Si la altura de ascenso capilar desde el plano hasta la superficie es H1’’, se obtiene:
u = −γwH1’’
También puede escribirse:
H1’’ = H1 − H1’
Por tanto:
u = −γw(H1 − H1’)
El agua situada por encima de este plano no aumenta la presión intersticial porque también es agua capilar y está sometida a tensión. No puede comprimir el agua situada debajo.
El esfuerzo efectivo en este plano es:
σ’ = σ − u
σ’ = γsatH1’ − [−γw(H1 − H1’)]
Esta expresión puede escribirse como:
σ’ = (γsat − γw)H1’ + γwH1
Como la diferencia entre el peso unitario saturado y el peso unitario del agua puede expresarse mediante el peso unitario sumergido del suelo, también se obtiene:
σ’ = γ’H1’ + γwH1
Esfuerzo en el nivel freático
En el plano situado en el nivel freático, el esfuerzo total producido por el suelo saturado situado por encima es:
σ = γsatH1
La presión intersticial en el nivel freático es cero porque el agua se encuentra a presión atmosférica y no está sometida ni a tensión ni a compresión:
u = 0
Por tanto, el esfuerzo efectivo es igual al esfuerzo total:
σ’ = σ − u
σ’ = γsatH1
Esfuerzo por debajo del nivel freático
Se considera ahora un plano situado a una profundidad H2 por debajo del nivel freático.
El esfuerzo total en ese plano se debe al suelo saturado situado por encima del nivel freático y al suelo saturado situado por debajo:
σ = γsatH1 + γsatH2
La presión intersticial en ese plano es compresiva y se debe al agua situada por debajo del nivel freático:
u = γwH2
Por tanto, el esfuerzo efectivo es:
σ’ = σ − u
σ’ = γsatH1 + γsatH2 − γwH2
También puede expresarse mediante el peso unitario sumergido:
σ’ = γ’H1 + γ’H2
Ascenso capilar incompleto
En otro caso, el ascenso capilar puede saturar el suelo únicamente hasta cierta altura por encima del nivel freático, sin alcanzar la superficie.
La parte saturada del suelo tiene peso unitario γsat y el suelo no saturado, posiblemente húmedo, tiene peso unitario total γ.
En la superficie del suelo, el esfuerzo total es cero:
σ = 0
La presión intersticial también es cero porque no hay agua por encima de la superficie y el agua capilar no ha alcanzado ese nivel:
u = 0
Por tanto, el esfuerzo efectivo en la superficie también es cero:
σ’ = σ − u
σ’ = 0
En el plano hasta el que el agua capilar ha saturado el suelo, el esfuerzo total se debe al suelo situado por encima, con peso unitario γ y altura H1’:
σ = γH1’
La presión intersticial en ese plano es negativa y depende de la altura del plano sobre el nivel freático, H1’’:
u = −γwH1’’
El esfuerzo efectivo se expresa como:
σ’ = σ − u
σ’ = γH1’ − (−γwH1’’)
Por tanto:
σ’ = γH1’ + γwH1’’
En el nivel freático, el esfuerzo total se debe al suelo húmedo de altura H1’ y al suelo saturado por ascenso capilar de altura H1’’:
σ = γH1’ + γsatH1’’
La presión intersticial en el nivel freático es cero porque el agua se encuentra a presión atmosférica:
u = 0
El esfuerzo efectivo es, por tanto:
σ’ = σ − u
σ’ = γH1’ + γsatH1’’
Por debajo del nivel freático, a una profundidad H2, el esfuerzo total es:
σ = γH1’ + γsatH1’’ + γsatH2
La presión intersticial es positiva y se debe al agua situada por debajo del nivel freático:
u = γwH2
El esfuerzo efectivo queda definido por:
σ’ = σ − u
σ’ = γH1’ + γsatH1’’ + γsatH2 − γwH2
También puede escribirse utilizando el peso unitario sumergido:
σ’ = γH1’ + γsatH1’’ + γ’H2
Ascenso capilar en adobe, tapia y construcciones de tierra
El grado de humedad derivado del ascenso capilar es un indicador del estado de conservación de las construcciones de tierra y, por ende, de su respuesta mecánica ante diversas solicitaciones, en particular bajo la acción sísmica.
Las edificaciones disminuyen su capacidad resistente justamente donde se encuentran más exigidas por el corte basal.
Cuando la subestructura de la edificación no tiene una adecuada resolución de aislación hidráulica, el agua capilar puede subir por dentro del muro hasta que el peso de la columna de agua se equilibra con la fuerza de ascenso generada por la tensión superficial.
Después, en busca de un equilibrio higroscópico, el muro intercambia humedad con el ambiente.
La combinación de estos efectos genera una reducción de los valores de cohesión, de la capacidad portante del muro y una disgregación progresiva del material que se acentúa en las zonas de interfase.
El ascenso capilar en muros constituye, por tanto, una patología importante y ciertamente peligrosa en un entorno de alta sismicidad.
Daños asociados a la humedad ascendente
En construcciones de adobe, tapia y quincha, el agua capilar puede provocar revoques sin adherencia al sustrato, desmenuzamientos, eflorescencias y pintura descascarada.
La humedad en los materiales de construcción puede causar manchas de sales, eflorescencias, crecimiento de moho y degradación de la integridad del material.
En edificios históricos afectados por humedad ascendente, la altura alcanzada medida desde el solado puede variar entre 20 cm y 120 cm.
Importancia en edificios patrimoniales
En una evaluación de más de 1200 edificios patrimoniales de la región de Cuyo, Argentina, el 37% de los edificios históricos evaluados eran parcial o totalmente de adobe, tapia o quincha.
De estos edificios, el 96% se encontraban afectados por humedad ascendente desde la subestructura.
En el caso de edificios histórico-patrimoniales afectados por esta patología, el estudio del ascenso capilar permite diseñar y probar procedimientos de rehabilitación estructural antes de aplicarlos en la construcción.
La conservación de edificios históricos exige mantener la integridad de los materiales tradicionales mientras se controla la humedad. Las mediciones de ascenso capilar permiten orientar medidas de restauración que protejan la autenticidad histórica sin comprometer el control de la humedad.
Medición de la absorción y del ascenso capilar en probetas
La medición del ascenso capilar permite evaluar la velocidad de ascenso y la variación del contenido de humedad en probetas de suelo destinadas a su uso en obra nueva o extraídas de muros existentes de adobe y tapia.
El conocimiento de estos parámetros permite evaluar la aptitud del material en la edificación, la eficiencia de las mejoras introducidas mediante la modificación de su textura, compacidad o composición, y la elección de aditivos y sus dosificaciones para el control de la humedad.
En muestras donde se han incorporado aditivos, el ensayo ayuda a establecer el tipo y la dosificación en relación con la efectividad observada para reducir o suprimir el ascenso capilar.
Entre los aditivos estudiados pueden encontrarse emulsiones asfálticas, cal, cemento, siloxano y gomas.
Dispositivo de ensayo
El ensayo tiene como objetivo evaluar el agua capilar durante su proceso de ascenso y se aplica a muestras que se disgregan fácilmente en contacto con el agua, como arenas finas limo-arcillosas.
El ensayo utiliza determinaciones gravimétricas y fotográficas, con equipos económicos en comparación con otros procedimientos que permiten obtener cuantificaciones similares mediante equipos sensiblemente más costosos.
El dispositivo consiste en una base porosa compuesta por una placa de piedra volcánica, denominada comúnmente pómez, enmarcada por un cuadro de latón o bronce sostenido por dos apoyos transversales del mismo material y una hoja de papel poroso que cubre la placa.
Esta base se sumerge parcialmente en una pileta con agua, manteniendo el nivel constante y levemente por debajo de la base de la muestra.
El marco metálico y la elevación proporcionada por los apoyos transversales permiten el ingreso de agua por la parte inferior de la base. El agua se transfiere a la probeta a través del papel filtro, evitando que la muestra tome contacto directo con el agua y reduciendo así su disgregación.
Preparación de las probetas
Las probetas pueden tallarse a partir de muestras procedentes de muros existentes, en proyectos de restauración, o de prototipos de adobes y tapias que posteriormente se emplearán en mamposterías.
En el segundo caso es posible modificar las variables que controlan la permeabilidad del suelo, como la granulometría, la compacidad y la plasticidad, para obtener relaciones óptimas.
En un procedimiento experimental, las probetas se tallaron a partir de muestras provenientes de muros existentes, correspondientes a un suelo areno-arcilloso tipo SC según IRAM 10509.
Las muestras tenían bases de entre 80 cm² y 200 cm² y una altura variable entre 8 cm y 40 cm. Cada muestra se llevó a una estufa a 60 °C hasta alcanzar peso constante.
Montaje
La probeta se deposita sobre la base porosa parcialmente sumergida en una pileta con nivel de agua constante, con una variación de ±1.5 mm.
La base de la probeta queda situada 4 mm por encima del nivel del agua.
Fase de humedecimiento
El conjunto formado por la base porosa y la muestra se retira de la pileta, reposa durante 90 segundos sobre un paño humedecido sin superficie brillante, se pesa y después retorna a la pileta.
El procedimiento continúa hasta verificar una diferencia entre dos pesadas consecutivas inferior al 2%.
Al mismo tiempo, se realiza un registro fotográfico del ascenso de la interfase seco-húmedo.
A partir del registro fotográfico se obtiene la variación de la altura capilar en función del tiempo, así como la velocidad media e instantánea de ascenso capilar.
Fase de secado
Finalizada la fase de humedecimiento, la probeta se retira de su base porosa y se lleva a secado natural.
Se deposita sobre una mesa ubicada al aire libre, bajo techo para evitar el asoleamiento directo y la lluvia.
Se registra la variación del peso en el tiempo hasta que la diferencia entre dos pesadas consecutivas sea inferior al 2%.
El secado comienza en la superficie de la muestra y después continúa progresivamente hacia el núcleo de la misma.
Por esta razón, sobre la superficie de la probeta no se observa claramente una interfase húmedo-seca.
Durante esta fase, el registro fotográfico brinda principalmente una evaluación cualitativa del proceso de retracción.
El secado puede acelerarse en una estufa a 60 °C.
Mediante diferencias de pesada se determina la cantidad de agua absorbida o perdida por la muestra y la variación del grado de humedad medio durante la humectación y el secamiento.
Interpretación de los resultados del ensayo
En una serie de ensayos sobre 60 probetas, la variación del contenido de humedad en función del tiempo quedó definida, para la fase de humedecimiento, por una función logarítmica del tipo:
w = a·ln(x) + b
En esta expresión, w es el contenido de humedad, calculado como el peso de agua acumulada multiplicado por 100 y dividido por el peso de suelo seco; t es el tiempo; a es un coeficiente comprendido entre 1.5 y 3.5; y b es un coeficiente que aumenta con la altura de la probeta.
Las curvas de humedecimiento de dos ciclos para una misma probeta mostraron una buena correlación, con R = 0.99675.
Las fases de secamiento quedaron representadas por una función lineal del tipo:
y = −mx + b
La pendiente correspondiente al secado natural es más suave que la correspondiente al secado en estufa, ya que la estufa seca la probeta aproximadamente cuatro veces más rápido.
No se observó alteración en la curva de humedecimiento entre probetas secadas al ambiente y probetas secadas en estufa a 60 °C.
Velocidad de ascenso
La velocidad de ascenso capilar durante la fase de humedecimiento queda definida por una función potencial del tipo:
h = a·tᵇ
En esta expresión, h es la altura de ascenso, a es un coeficiente comprendido entre 2 y 4.5, t es el tiempo transcurrido y b es un coeficiente menor o igual que 0.5.
El ensayo puede abarcar intervalos de tiempo importantes para definir claramente las tendencias del comportamiento.
Sin embargo, como herramienta de trabajo, la fase de humedecimiento queda plenamente descrita con un ensayo de 24 horas.
La duración de la fase de secamiento puede abarcar el intervalo comprendido entre su inicio y el momento en que la proyección del tramo lineal intercepta las abscisas.
Reproducibilidad y perturbación del procedimiento
Se evaluó la perturbación introducida por el retiro y reingreso del conjunto formado por la base porosa y la probeta a la pileta.
Se compararon los valores de altura capilar con los obtenidos en probetas patrón que no fueron retiradas de la pileta.
Se halló una alta correlación entre los valores, con R = 0.999994, lo que indica que el retiro y reingreso no influyen de manera significativa.
Esta perturbación despreciable se explica porque la tasa de secado de la muestra es siete veces superior a la de la base porosa. Por lo tanto, durante el retiro y el reposo, la misma placa retiene el agua por succión.
El ensayo también mostró una reproducibilidad clara, ya que aplicado a probetas con iguales características granulométricas y dimensionales proporciona resultados semejantes.
Aplicaciones en construcción y diagnóstico de humedad
La velocidad de ascenso capilar cuantifica la rapidez con la que la humedad asciende a través de materiales de construcción debido a la acción capilar.
Su medición es importante para diagnosticar la entrada de humedad, orientar las estrategias de tratamiento y evaluar el cumplimiento de las normas de construcción aplicables.
Una comprensión precisa de la dinámica del ascenso capilar permite seleccionar intervenciones adecuadas y gestionar de forma eficiente los problemas de humedad a largo plazo.
El diagnóstico de la humedad considera las propiedades capilares de los distintos sustratos para permitir intervenciones específicas.
Este parámetro también influye en el diseño y la instalación de barreras contra la humedad y de capas aislantes horizontales en edificios nuevos y rehabilitados.
Tipos de humedad relacionados
- Humedad ascendente: aparece cuando el agua migra verticalmente desde el terreno a través de muros porosos y suele asociarse con eflorescencias salinas y olor a humedad.
- Humedad penetrante: se relaciona principalmente con la entrada externa de agua, aunque en algunos casos las fuerzas capilares pueden intensificar o interactuar con su dinámica.
- Humedad vinculada a la condensación: está impulsada por diferencias de temperatura, aunque el movimiento capilar puede contribuir a mantener las condiciones húmedas.
- Humedad higroscópica: aparece cuando los materiales absorben humedad directamente del ambiente, a menudo moderada por la acción capilar.
- Humedad lateral: no está impulsada completamente por fuerzas capilares verticales, pero el movimiento lateral del agua puede caracterizarse mediante procesos similares.
La diferenciación entre estas variantes es esencial para diagnosticar correctamente el tipo de humedad y planificar medidas correctoras adaptadas.
Herramientas para medir la acción capilar
Ensayo de ascenso capilar
El ensayo de ascenso capilar consiste en sumergir una muestra del material en agua y medir la altura hasta la que asciende la humedad durante un periodo determinado.
Este ensayo sirve como referencia para determinar la capacidad de absorción de humedad del material.
Medidores de humedad
Los medidores de humedad portátiles proporcionan mediciones en tiempo real del contenido de agua dentro de un sustrato.
Estos dispositivos son importantes para identificar zonas con niveles de humedad anormalmente elevados.
Termografía e imagen térmica
La imagen térmica es un método no invasivo que detecta variaciones de temperatura relacionadas con la presencia de humedad y permite cartografiar indirectamente las zonas afectadas por la acción capilar.
La termografía infrarroja puede indicar la presencia de humedad al mostrar anomalías térmicas asociadas a las manchas húmedas.
Análisis higrométrico
El análisis higrométrico evalúa la humedad ambiental y su interacción con los materiales de construcción, proporcionando información adicional para interpretar las mediciones directas de humedad.
Sensores y equipos de laboratorio
Los sensores digitales de humedad registran datos continuos y permiten analizar tendencias a lo largo del tiempo.
Su integración con sistemas de registro de datos facilita una gestión preventiva de la humedad.
Los dispositivos de ensayo capilar permiten simular y medir el ascenso capilar en condiciones controladas, facilitando la calibración y la repetibilidad de las pruebas.
Las cámaras térmicas se emplean tanto en inspecciones puntuales como en estudios de grandes superficies para detectar problemas de humedad ocultos que no siempre son visibles a simple vista.
En investigaciones y diagnósticos de alta precisión se utilizan equipos de laboratorio para evaluar propiedades como la distribución del tamaño de los poros y la permeabilidad a la humedad.
Condiciones para obtener mediciones fiables
Un marco metodológico riguroso es esencial para obtener mediciones fiables del ascenso capilar.
Los ensayos deben realizarse bajo condiciones controladas y siguiendo protocolos normalizados para garantizar la coherencia y la comparabilidad de los resultados.
Los instrumentos de diagnóstico requieren una calibración periódica frente a patrones de referencia establecidos para mantener la exactitud de las mediciones.
Los datos cuantitativos obtenidos durante los ensayos pueden analizarse mediante modelos computacionales que incorporen variables como la temperatura ambiente, el tipo de material y el contenido de humedad.
Este análisis permite una interpretación más precisa del comportamiento capilar.
Aplicaciones naturales y tecnológicas
En la naturaleza
En las plantas, la acción capilar en los vasos del xilema permite que el agua y los nutrientes disueltos asciendan desde las raíces hasta las hojas.
En los suelos, el agua se mueve a través de los poros por capilaridad, abasteciendo las raíces y redistribuyendo la humedad.
Los conductos lagrimales y algunos mecanismos de alimentación, como la espiritrompa de las mariposas, también dependen de la acción capilar para el movimiento de fluidos.
En la tecnología y la vida cotidiana
La tinta fluye de forma fiable a través de fibras estrechas en plumas de fieltro y estilográficas por acción capilar.
En toallas de papel y esponjas, el líquido se desplaza a través de los espacios finos entre las fibras de celulosa, permitiendo la absorción.
Los dispositivos microfluídicos aprovechan la capilaridad para manipular volúmenes diminutos de líquidos en diagnósticos médicos, análisis químicos y tecnologías de laboratorio en chip.
En la construcción, el ascenso capilar en los materiales puede causar daños por humedad si no se gestiona adecuadamente.
En las rocas porosas, la acción capilar influye en la distribución de fluidos y en la eficiencia de la recuperación de petróleo.
Importancia interdisciplinar
La acción capilar es un concepto interdisciplinar con implicaciones en la física, la biología, la química, la ingeniería y las ciencias ambientales.
- Física: mecánica de fluidos y fenómenos de superficie.
- Biología: transporte de agua y nutrientes en plantas y animales.
- Química: cromatografía, comportamiento de soluciones y mojado.
- Ingeniería: microfluidos, medios porosos y diseño de materiales.
- Ciencias ambientales: movimiento de humedad en el suelo y ciclos del agua.
Comprender la acción capilar permite desarrollar aplicaciones en dispositivos médicos, ciencia de materiales, agricultura, conservación de edificios y control de la humedad en medios porosos.