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Porosidad en general

Storyboard

La formulación del modelo del suelo distingue entre tres materiales diferentes y sus proporciones relativas. Sin embargo, al considerar la forma en que los granos están dispuestos, es evidente que inevitablemente existen espacios entre ellos que deben ser descritos. Estos espacios son fundamentales, ya que el movimiento y la difusión del agua dependen de ellos. Por lo tanto, es necesario primero introducir el concepto de porosidad y establecer algunos criterios para su presencia, así como comprender cómo puede variar. Luego, podremos estudiar su efecto en el comportamiento del suelo.

>Modelo

ID:(361, 0)



Mecanismos

Iframe

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Código
Concepto

Mecanismos

ID:(15198, 0)



Porosidad de un sistema granular

Concepto

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Si tienes un material granular, siempre habrá espacio entre los granos. Incluso en la forma más óptima de empaquetar los granos, siempre habrá un espacio que no se puede utilizar. En el caso de las esferas, la máxima compactación se logra cuando se agrupan tres de ellas y se coloca otra encima, formando una pirámide de base triangular. En este caso, se logra que el espacio no utilizado sea solo el 25%:



Para ilustrar mejor cómo se forman estos espacios, al lado de la pirámide de base triangular se muestra el caso en dos dimensiones, donde se ha resaltado en color celeste el espacio entre los granos.

Lo que aquí se observa como espacio entre algunos granos puede extrapolarse a toda la muestra completa. Por lo tanto, en una muestra de arena que se hace vibrar hasta que los granos se ordenan de manera óptima, se observa que un total del 25% del espacio queda vacío. A nivel macroscópico, esto se conoce como el volumen de los poros (V_p).

ID:(2072, 0)



Porosidad con granos de diferentes tamaños

Concepto

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Como se mencionó anteriormente, si el suelo estuviera compuesto solo por granos de arena, tendríamos una estructura con espacios generados debido a la incapacidad de llenar completamente esos espacios:

Estructura base de un sistema de esferas (discos) con máxima compactación.



Sin embargo, los granos de arena tienen un tamaño del orden de un milímetro, mientras que el limo tiene solo unas decenas de micrones y los de arcilla son aún más pequeños, en el rango de unos pocos micrones.

Comparación entre los granos de arena, limo y arcilla.



Esto significa que un grano de arena es aproximadamente 300 veces más grande que un grano de limo y aproximadamente 1000 veces más grande que un grano de arcilla. Por lo tanto, si agregamos arcilla o limo a la arena, este material podrá llenar los espacios entre los granos:

Espacios entre los granos de arena llenados con granos de limo y arcilla, o de limo llenando con arcilla.

ID:(2079, 0)



Porosidad mínima de la arena

Variable

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En el caso de las esferas, se logra una disposición óptima en la que el espacio vacío en relación al volumen total, que corresponde a la porosidad óptima del modelo, la cual denominaremos como la porosidad propia de la arena (q_a), tiene un valor del orden de:

q_a = 1-\displaystyle\frac{ \pi }{3\sqrt{2}} \sim 0.25

Este valor fue propuesto inicialmente en el siglo XVII por Johannes Kepler y se conoció como la 'conjetura de Kepler'. Sin embargo, no fue demostrado hasta 1998 por Thomas C. Hales.

ID:(3172, 0)



Porosidad mínima del limo

Variable

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En el caso del limo, que se modela como cubos de pequeño tamaño, surgen fuerzas entre los granos a esta escala que distorsionan la forma en que se ordenan. Por esta razón, no existen apilamientos óptimos de cubos uno sobre otro, sino una estructura en la que la porosidad propia del limo (q_i) tiene un orden de magnitud aproximado de:

q_i \sim \displaystyle\frac{1}{3}

.

ID:(15079, 0)



Porosidad mínima de arcilla

Variable

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En el caso de la arcilla, que se modela como láminas de pequeño tamaño, surgen fuerzas entre los granos a esta escala que modifican la forma en la que se organizan. Por esta razón, no existen apilamientos óptimos de láminas una sobre otra, sino más bien una estructura en la que la porosidad propia del limo (q_i) tiene un orden de magnitud aproximado de:

q_c\sim \displaystyle\frac{2}{5}

.

ID:(15080, 0)



Distribución de granos de suelo

Concepto

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Los granos de suelo pueden estar distribuidos de manera aleatoria, es decir, no formar concentraciones de un tipo de grano en particular. Esto llevaría a que los granos de arena y limo, debido a su tamaño y número, estén dispersos en una matriz de arcilla:

Distribución homogénea de granos.



Sin embargo, existe la posibilidad de que estén agrupados por tipo y que haya una penetración limitada. En otras palabras, los granos de arcilla pueden ocupar, al menos parcialmente, los espacios en una estructura de granos de arena y limo de manera separada:

Distribución de granos con conglomerados específicos por tipo.

La sedimentación del suelo puede dar lugar a capas de arena, limo y arcilla, cada una por separado. Por otro lado, el movimiento del suelo puede desencadenar procesos de mezcla.

ID:(925, 0)



Cálculo de volumen por componente

Concepto

>Top


Si consideramos un grano, podemos distinguir su volumen propio V_q y la fracción en el volumen total V que corresponde al espacio vacío (porosidad):



Esto significa que 1-q corresponde a la fracción del volumen V que ocupa el volumen sólido V_q. Por lo tanto,

V_q = (1-q)V



Por lo tanto, el volumen que corresponde a un grano (volumen sólido y porosidad asociada al grano) es

V=\displaystyle\frac{1}{1-q}V_q

Lo que se expresa aquí con respecto a un grano también se aplica a todos los granos de un componente. Es decir, podemos considerar V_q como el volumen sólido de toda la componente q.

ID:(2075, 0)



Volumen de macroporos

Concepto

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La porosidad inherente a la estructura de los granos se refiere a un tipo de porosidad que es microscópica y se conoce como porosidad primaria. Sin embargo, el suelo también puede contener espacios que pueden cerrarse debido a deformaciones, ya sea de forma natural o como resultado de intervenciones externas.

Las deformaciones naturales pueden estar relacionadas con procesos de secado que provocan una reducción de volumen y la formación de grietas. Otro mecanismo implica fuerzas geológicas como sismos o movimientos inducidos por la gravedad. Por otro lado, las intervenciones humanas incluyen actividades agrícolas comunes como el arado y otros procesos de movimiento de tierra.

A estos espacios resultantes de las deformaciones los llamaremos el volumen de los macroporos (V_m).

Este tipo de porosidad se puede observar directamente en una muestra de suelo. En el siguiente ejemplo, se muestra una muestra con un alto contenido de macroporos, otra con algunos macroporos, y una última prácticamente sin presencia de ellos:

Visual Soil assessment, Beata Houskova, 2nd European Summer School on Soil Survey 12-16 June 2004

ID:(2071, 0)



Modelos volumen y porosidad

Concepto

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La porosidad se refiere al espacio vacío dentro de la estructura del suelo. Sin embargo, existen dos tipos de porosidad: micro y macro porosidad. La diferencia radica en que la primera es inherente a la estructura de los granos del suelo y no se puede modificar sin afectar la forma en que se apilan los granos a nivel microscópico. La segunda es la porosidad que se genera por procesos internos o por la forma en que se manipula el suelo.

En consecuencia, existen dos formas de desglosar el volumen total del suelo:

En función de la macroporosidad:

• el volumen de los macroporos (V_m): Macroporosidad que no depende de la estructura microscópica del suelo.
• el volumen propio (V_z): Volumen propio de los granos, incluyendo los microporos que se generan al apilarlos.

En función de la porosidad independiente de su origen:

• el volumen de los poros (V_p): Porosidad en general independiente de su origen.
• el volumen sólido (V_s): Volumen propio de los granos sin incluir la microporosidad generada al apilarlos.

Esta estructura se puede representar de la siguiente manera:

ID:(15090, 0)



Modelo

Top

>Top



Parámetros

Símbolo
Texto
Variable
Valor
Unidades
Calcule
Valor MKS
Unidades MKS

Variables

Símbolo
Texto
Variable
Valor
Unidades
Calcule
Valor MKS
Unidades MKS
g_c
g_c
Fracción de masa de arcilla en la muestra
-
g_a
g_a
Fracción de masa de arena en la muestra
-
g_i
g_i
Fracción de masa de limo en la muestra
-
f
f
Porosidad
-
q_c
q_c
Porosidad propia de la arcilla
-
q_a
q_a
Porosidad propia de la arena
-
q_i
q_i
Porosidad propia del limo
-
V_m
V_m
Volumen de los macroporos
m^3
V_p
V_p
Volumen de los poros
m^3
V_z
V_z
Volumen propio
m^3
V_s
V_s
Volumen sólido
m^3
V_c
V_c
Volumen sólido de arcilla
m^3
V_a
V_a
Volumen sólido de arena
m^3
V_i
V_i
Volumen sólido de limo
m^3
V_s
V_s
Volumen sólido de una componente
m^3
V_t
V_t
Volumen total
m^3

Cálculos


Primero, seleccione la ecuación: a , luego, seleccione la variable: a
f = V_p / V_t V_p = f * V_s /(1- f ) V_p = V_m + q_a * V_a /(1- q_a ) + q_i * V_i /(1- q_i ) + q_c * V_c /(1- q_c ) V_p = V_m + V_z - V_s V_t = V_m + V_z V_t = V_s + V_p V_z = V_a /(1- q_a ) + V_i /(1- q_i ) + V_c /(1- q_c )g_cg_ag_ifq_cq_aq_iV_mV_pV_zV_sV_cV_aV_iV_sV_t

Cálculos

Símbolo
Ecuación
Resuelto
Traducido

Cálculos

Símbolo
Ecuación
Resuelto
Traducido

Variable Dado Calcule Objetivo : Ecuación A utilizar
f = V_p / V_t V_p = f * V_s /(1- f ) V_p = V_m + q_a * V_a /(1- q_a ) + q_i * V_i /(1- q_i ) + q_c * V_c /(1- q_c ) V_p = V_m + V_z - V_s V_t = V_m + V_z V_t = V_s + V_p V_z = V_a /(1- q_a ) + V_i /(1- q_i ) + V_c /(1- q_c )g_cg_ag_ifq_cq_aq_iV_mV_pV_zV_sV_cV_aV_iV_sV_t




Ecuaciones

#
Ecuación

f =\displaystyle\frac{ V_p }{ V_t }

f = V_p / V_t


V_p =\displaystyle\frac{ f }{1- f } V_s

V_p = f * V_s /(1- f )


V_p = V_m + \displaystyle\frac{ q_a }{1- q_a } V_a + \displaystyle\frac{ q_i }{1- q_i } V_i + \displaystyle\frac{ q_c }{1- q_c } V_c

V_p = V_m + q_a * V_a /(1- q_a ) + q_i * V_i /(1- q_i ) + q_c * V_c /(1- q_c )


V_p = V_m + V_z - V_s

V_p = V_m + V_z - V_s


V_t = V_m + V_z

V_t = V_m + V_z


V_t = V_s + V_p

V_t = V_s + V_p


V_z = \displaystyle\frac{1}{1- q_a } V_a + \displaystyle\frac{1}{1- q_i } V_i + \displaystyle\frac{1}{1- q_c } V_c

V_z = V_a /(1- q_a ) + V_i /(1- q_i ) + V_c /(1- q_c )

ID:(15217, 0)



Volumen propio

Ecuación

>Top, >Modelo


El volumen propio (V_z) se define en función de el volumen sólido de arena (V_a), el volumen sólido de limo (V_i) y el volumen sólido de arcilla (V_c) con la porosidad propia de la arena (q_a), la porosidad propia del limo (q_i) y la porosidad propia de la arcilla (q_c) mediante:

V_z = \displaystyle\frac{1}{1- q_a } V_a + \displaystyle\frac{1}{1- q_i } V_i + \displaystyle\frac{1}{1- q_c } V_c

q_c
Fracción de masa de arcilla en la muestra
-
10099
q_a
Fracción de masa de arena en la muestra
-
5797
q_i
Fracción de masa de limo en la muestra
-
10098
V_z
Volumen propio
m^3
10108
V_c
Volumen sólido de arcilla
m^3
6556
V_a
Volumen sólido de arena
m^3
6554
V_i
Volumen sólido de limo
m^3
6555
V_z = V_a /(1- q_a ) + V_i /(1- q_i ) + V_c /(1- q_c ) f = V_p / V_t V_t = V_s + V_p V_p = V_m + V_z - V_s V_p = f * V_s /(1- f ) V_p = V_m + q_a * V_a /(1- q_a ) + q_i * V_i /(1- q_i ) + q_c * V_c /(1- q_c ) V_t = V_m + V_z g_cg_ag_ifq_cq_aq_iV_mV_pV_zV_sV_cV_aV_iV_sV_t

La porosidad propia de la arena (q_a) representa la fracción del volumen V que corresponde a los espacios vacíos entre los granos de arena. Por lo tanto, 1-q_a es la fracción de el volumen sólido de arena (V_a) en relación a V:

1 - q_a = \displaystyle\frac{V_a}{V}



De esta manera, el volumen ocupado por los granos de arena es:

\displaystyle\frac{V_a}{1 - q_a}



Análogamente, para el limo, utilizamos la porosidad propia del limo (q_i) y el volumen sólido de limo (V_i), por lo que el volumen ocupado por los granos de limo es:

\displaystyle\frac{V_i}{1 - q_i}



Y para la arcilla, empleamos la porosidad propia de la arcilla (q_c) y el volumen sólido de arcilla (V_c). Por lo tanto, el volumen ocupado por los granos de arcilla es:

\displaystyle\frac{V_c}{1 - q_c}



En resumen, el volumen total es la suma de estos volúmenes, es decir,

V_z = \displaystyle\frac{1}{1- q_a } V_a + \displaystyle\frac{1}{1- q_i } V_i + \displaystyle\frac{1}{1- q_c } V_c

ID:(2077, 0)



Volumen total con macroporos

Ecuación

>Top, >Modelo


El volumen total (V_t) es la suma el volumen propio (V_z), que incluye los microporos dados por la geometría de los granos, y el volumen de los macroporos (V_m), de modo que:

V_t = V_m + V_z

V_m
Volumen de los macroporos
m^3
10109
V_z
Volumen propio
m^3
10108
V_t
Volumen total
m^3
4946
V_z = V_a /(1- q_a ) + V_i /(1- q_i ) + V_c /(1- q_c ) f = V_p / V_t V_t = V_s + V_p V_p = V_m + V_z - V_s V_p = f * V_s /(1- f ) V_p = V_m + q_a * V_a /(1- q_a ) + q_i * V_i /(1- q_i ) + q_c * V_c /(1- q_c ) V_t = V_m + V_z g_cg_ag_ifq_cq_aq_iV_mV_pV_zV_sV_cV_aV_iV_sV_t

ID:(15085, 0)



Volumen total con porosidad general

Ecuación

>Top, >Modelo


El volumen total (V_t) es la suma de el volumen de los poros (V_p), que engloba tanto los microporos como los macroporos en el suelo, y la masa seca total de la muestra (M_s), de modo que:

V_t = V_s + V_p

V_p
Volumen de los poros
m^3
5806
V_s
Volumen sólido de una componente
m^3
6038
V_t
Volumen total
m^3
4946
V_z = V_a /(1- q_a ) + V_i /(1- q_i ) + V_c /(1- q_c ) f = V_p / V_t V_t = V_s + V_p V_p = V_m + V_z - V_s V_p = f * V_s /(1- f ) V_p = V_m + q_a * V_a /(1- q_a ) + q_i * V_i /(1- q_i ) + q_c * V_c /(1- q_c ) V_t = V_m + V_z g_cg_ag_ifq_cq_aq_iV_mV_pV_zV_sV_cV_aV_iV_sV_t

ID:(4726, 0)



Porosidad total

Ecuación

>Top, >Modelo


Al igualar las dos ecuaciones para el cálculo de el volumen total (V_t), se obtiene una relación para el cálculo de el volumen de los poros (V_p) en función de el volumen de los macroporos (V_m), el volumen propio (V_z) y el volumen sólido (V_s) de la siguiente manera:

V_p = V_m + V_z - V_s

V_m
Volumen de los macroporos
m^3
10109
V_p
Volumen de los poros
m^3
5806
V_z
Volumen propio
m^3
10108
V_s
Volumen sólido
m^3
5995
V_z = V_a /(1- q_a ) + V_i /(1- q_i ) + V_c /(1- q_c ) f = V_p / V_t V_t = V_s + V_p V_p = V_m + V_z - V_s V_p = f * V_s /(1- f ) V_p = V_m + q_a * V_a /(1- q_a ) + q_i * V_i /(1- q_i ) + q_c * V_c /(1- q_c ) V_t = V_m + V_z g_cg_ag_ifq_cq_aq_iV_mV_pV_zV_sV_cV_aV_iV_sV_t

Con el volumen total (V_t) expresado en términos de el volumen de los macroporos (V_m) y el volumen propio (V_z) con

V_t = V_m + V_z



y considerando el volumen sólido (V_s) y el volumen de los poros (V_p), llegamos a

V_t = V_s + V_p



lo que nos conduce a la ecuación

V_m + V_z = V_s + V_p



y, por lo tanto,

V_p = V_m + V_z - V_s

ID:(10556, 0)



Volumen de poros

Ecuación

>Top, >Modelo


En el caso de suelos arcillosos, los granos de arena y limo se distribuyen dentro de una matriz de arcilla. Como resultado, los granos de arena y limo no contribuyen a la porosidad, a diferencia de la arcilla, que lo hace en función de su propiedad intrínseca la fracción de volumen de arena en la muestra (f_a), la fracción de volumen del limo en la muestra (f_i) y la fracción de volumen de arcilla en la muestra (f_c). Por lo tanto, el volumen de los poros (V_p) se compone de el volumen de los macroporos (V_m), la porosidad propia de la arena (q_a), la porosidad propia del limo (q_i) y , la porosidad propia de la arcilla (q_c), así como de el volumen sólido de arena (V_a), el volumen sólido de limo (V_i) y el volumen sólido de arcilla (V_c):

V_p = V_m + \displaystyle\frac{ q_a }{1- q_a } V_a + \displaystyle\frac{ q_i }{1- q_i } V_i + \displaystyle\frac{ q_c }{1- q_c } V_c

q_c
Porosidad propia de la arcilla
-
10104
q_a
Porosidad propia de la arena
-
10102
q_i
Porosidad propia del limo
-
10103
V_m
Volumen de los macroporos
m^3
10109
V_p
Volumen de los poros
m^3
5806
V_c
Volumen sólido de arcilla
m^3
6556
V_a
Volumen sólido de arena
m^3
6554
V_i
Volumen sólido de limo
m^3
6555
V_z = V_a /(1- q_a ) + V_i /(1- q_i ) + V_c /(1- q_c ) f = V_p / V_t V_t = V_s + V_p V_p = V_m + V_z - V_s V_p = f * V_s /(1- f ) V_p = V_m + q_a * V_a /(1- q_a ) + q_i * V_i /(1- q_i ) + q_c * V_c /(1- q_c ) V_t = V_m + V_z g_cg_ag_ifq_cq_aq_iV_mV_pV_zV_sV_cV_aV_iV_sV_t

El volumen de los poros (V_p) puede calcularse utilizando el volumen de los macroporos (V_m), el volumen propio (V_z), y el volumen sólido (V_s) a través de la ecuación

V_p = V_m + V_z - V_s



donde el volumen sólido (V_s) se calcula mediante el volumen sólido de arena (V_a), el volumen sólido de limo (V_i), y el volumen sólido de arcilla (V_c) según

V_s = V_a + V_l + V_c



y se utiliza la relación

V_z = \displaystyle\frac{1}{1- q_a } V_a + \displaystyle\frac{1}{1- q_i } V_i + \displaystyle\frac{1}{1- q_c } V_c



para obtener con la porosidad propia de la arena (q_a), la porosidad propia del limo (q_i) y la porosidad propia de la arcilla (q_c)

V_p = V_m + \displaystyle\frac{ q_a }{1- q_a } V_a + \displaystyle\frac{ q_i }{1- q_i } V_i + \displaystyle\frac{ q_c }{1- q_c } V_c

ID:(15081, 0)



Porosidad

Ecuación

>Top, >Modelo


La porosidad (f) expresa la relación entre el volumen de los poros (V_p) y el volumen total (V_t), lo que nos permite definir la ecuación de la siguiente manera:

f =\displaystyle\frac{ V_p }{ V_t }

f
Porosidad
-
5805
V_p
Volumen de los poros
m^3
5806
V_t
Volumen total
m^3
4946
V_z = V_a /(1- q_a ) + V_i /(1- q_i ) + V_c /(1- q_c ) f = V_p / V_t V_t = V_s + V_p V_p = V_m + V_z - V_s V_p = f * V_s /(1- f ) V_p = V_m + q_a * V_a /(1- q_a ) + q_i * V_i /(1- q_i ) + q_c * V_c /(1- q_c ) V_t = V_m + V_z g_cg_ag_ifq_cq_aq_iV_mV_pV_zV_sV_cV_aV_iV_sV_t

ID:(4245, 0)



Volumen de porosidad calculado de porosidad

Ecuación

>Top, >Modelo


El volumen de los poros (V_p) se puede representar utilizando la porosidad (f):

f =\displaystyle\frac{ V_p }{ V_t }



y se calcula el volumen de los poros a partir del el volumen sólido (V_s) de la siguiente manera:

V_p =\displaystyle\frac{ f }{1- f } V_s

f
Porosidad
-
5805
V_p
Volumen de los poros
m^3
5806
V_s
Volumen sólido
m^3
5995
V_z = V_a /(1- q_a ) + V_i /(1- q_i ) + V_c /(1- q_c ) f = V_p / V_t V_t = V_s + V_p V_p = V_m + V_z - V_s V_p = f * V_s /(1- f ) V_p = V_m + q_a * V_a /(1- q_a ) + q_i * V_i /(1- q_i ) + q_c * V_c /(1- q_c ) V_t = V_m + V_z g_cg_ag_ifq_cq_aq_iV_mV_pV_zV_sV_cV_aV_iV_sV_t

Si se dispone de la porosidad (f) según la ecuación:

f =\displaystyle\frac{ V_p }{ V_t }



y del el volumen sólido (V_s) mediante la ecuación:

V_t = V_s + V_p



se puede eliminar el volumen total (V_t) y obtener el volumen de los poros (V_p) de la siguiente manera:

V_p =\displaystyle\frac{ f }{1- f } V_s

ID:(10590, 0)