Textura del suelo

El análisis manual es un método sencillo y eficaz para evaluar y clasificar rápidamente la condición física de un suelo. Si se realiza correctamente, permite una evaluación rápida y frecuente de las características del suelo con poco o ningún equipo. Por lo tanto, es una herramienta útil para identificar la variación espacial tanto dentro como entre campos, así como para identificar cambios progresivos y límites entre unidades cartográficas de suelos ( series de suelos ). La textura por tacto es un método cualitativo, ya que no proporciona valores exactos de arena, limo y arcilla. Aunque cualitativo, el diagrama de flujo de textura por tacto puede ser una forma precisa para que un científico o una persona interesada analice las proporciones relativas de arena, limo y arcilla. ^{[ 10 ]}

El método de textura por tacto consiste en tomar una pequeña muestra de suelo y hacer una cinta. Para ello, se toma una bola de tierra, se presiona entre el pulgar y el índice y se estira hacia arriba hasta formar una cinta. Se deja que la cinta se extienda sobre el índice, rompiéndose por su propio peso. Medir la longitud de la cinta puede ayudar a determinar la cantidad de arcilla en la muestra. Después de hacer la cinta, se humedece abundantemente una pequeña pizca de tierra en la palma de la mano y se frota con el índice para determinar la cantidad de arena. Los suelos con un alto porcentaje de arena, como el franco arenoso o la arcilla arenosa, tienen una textura granulosa. ^{[ 3 ]} Los suelos con un alto porcentaje de limo, como el franco limoso o la arcilla limosa, tienen una textura suave. ^{[ 3 ]} Los suelos con un alto porcentaje de arcilla, como el franco arcilloso, tienen una textura pegajosa. Aunque el método de textura por tacto requiere práctica, es una forma útil de determinar la textura del suelo, especialmente en el campo. ^{[ 11 ]}

El sistema internacional de clasificación de suelos Base de Referencia Mundial para los Recursos del Suelo (WRB, por sus siglas en inglés) utiliza un método alternativo para determinar la textura al tacto, ofreciendo otro diagrama de flujo.

El tamizado es una técnica de análisis de suelos de larga tradición, pero aún muy utilizada. En este proceso, una cantidad conocida de muestra pasa a través de tamices cada vez más finos. La cantidad recogida en cada tamiz se pesa para determinar el porcentaje de peso de cada fracción de tamaño.

El método se utiliza para determinar la distribución del tamaño de grano de suelos con un  diámetro superior a 75 μm, ya que el tamizado presenta una gran desventaja en el límite inferior de medición. De hecho, en el caso de la fracción más fina con alto contenido de arcilla y limo (inferior a 60  μm), la dispersión se vuelve difícil debido a la alta cohesión de las partículas, la adherencia del polvo al tamiz y las cargas electrostáticas . Además, durante el tamizado, las partículas pasan por la abertura de la malla con el lado más pequeño, lo que significa que las partículas de arcilla y limo en forma de placa también podrían ser tamizadas. En general, todo esto conduce a una subestimación masiva de la fracción fina. ^{[ 12 ]}

Para medir el limo y la arcilla (con un tamaño de partícula inferior a 60  μm), se utiliza un segundo método de análisis granulométrico independiente (generalmente hidrómetro o pipeta ) en la muestra tomada del tamiz inferior. La distribución granulométrica obtenida mediante el análisis granulométrico debe combinarse con los datos del análisis de sedimentación para establecer una distribución granulométrica completa de la muestra.

El análisis de sedimentación (por ejemplo, el método de la pipeta, el hidrómetro) se utiliza comúnmente en la industria del suelo o en geología para clasificar sedimentos. El método del hidrómetro se desarrolló en 1927 ^{[ 13 ]} y todavía se utiliza ampliamente en la actualidad.

El método del hidrómetro para determinar la textura del suelo es una medición cuantitativa que proporciona estimaciones del porcentaje de arena, arcilla y limo en el suelo según la ley de Stokes , que expresa la relación entre la velocidad de sedimentación y el tamaño de las partículas. ^{[ 14 ]}

Según esta ley, las partículas se asientan debido a su peso y a la acción de la gravedad. Sin embargo, existen dos fuerzas adicionales que actúan en dirección opuesta al movimiento de las partículas y que determinan la condición de equilibrio en la que la partícula cae a una velocidad constante denominada velocidad terminal .

El método del hidrómetro requiere el uso de hexametafosfato de sodio , que actúa como agente dispersante para separar los agregados del suelo. El suelo se mezcla con la solución de hexametafosfato de sodio en un agitador orbital durante toda la noche. La solución se transfiere a cilindros graduados de un litro y se llena con agua. La solución de suelo se mezcla con un émbolo metálico para dispersar las partículas de suelo. ^{[ 14 ]} Las partículas de suelo se separan según su tamaño y se depositan en el fondo. Las partículas de arena se depositan primero en el fondo del cilindro. Las partículas de limo se depositan después de la arena. Las partículas de arcilla se separan por encima de la capa de limo.

Las mediciones se realizan utilizando un hidrómetro de suelo. Un hidrómetro de suelo mide la densidad relativa de los líquidos (densidad de un líquido en comparación con la densidad del agua). El hidrómetro se introduce en el cilindro que contiene la mezcla de suelo en diferentes momentos: cuarenta y cinco segundos para medir el contenido de arena, una hora y media para medir el contenido de limo y entre seis y veinticuatro horas (dependiendo del protocolo utilizado) para medir la arcilla. Se registra el número visible en el hidrómetro (por encima de la solución del suelo). ^{[ 14 ]} Se utiliza un blanco (que contiene solo agua y el agente dispersante) para calibrar el hidrómetro. Los valores registrados de las lecturas se utilizan para calcular el porcentaje de arcilla, limo y arena. El blanco se resta de cada una de las tres lecturas. Los cálculos son los siguientes: ^{[ 14 ]}

Porcentaje de limo = (masa seca del suelo – lectura del hidrómetro de arena – lectura en blanco) / (masa seca del suelo) * 100

Porcentaje de arcilla = (lectura del hidrómetro de arcilla – lectura del blanco) / (masa seca del suelo) * 100

Porcentaje de arena = 100 – (porcentaje de arcilla + porcentaje de limo)

El diámetro de Stokes determinado mediante el método de sedimentación es el diámetro de una esfera con la misma velocidad de sedimentación y la misma densidad que la partícula. ^{[ 15 ]} Por esta razón, el análisis de sedimentación se aplica bien cuando se supone que las partículas son esféricas, tienen densidades similares, interacciones insignificantes y son lo suficientemente pequeñas como para asegurar que el flujo del fluido se mantenga laminar. ^{[ 16 ]} Se esperan desviaciones de la ecuación de Stokes en el caso de partículas de forma irregular, como las partículas de arcilla, que en su mayoría son laminares o tubulares. La posición estable durante la sedimentación de partículas con tales formas es cuando el área de sección transversal máxima es perpendicular a la dirección del movimiento. ^{[ 16 ]} Por esta razón, la resistencia al arrastre de las partículas aumenta y la velocidad de sedimentación disminuye. El diámetro de la partícula es directamente proporcional a la velocidad de sedimentación. Por lo tanto, con una velocidad menor, el diámetro calculado también disminuye, lo que determina una sobreestimación de la fracción de tamaño fino. ^{[ 16 ]}

El análisis de sedimentación muestra límites para partículas menores de 0,2 micras, ya que estas partículas tan pequeñas experimentan movimiento browniano en la suspensión y no se sedimentan según la ley de Stokes. ^{[ 17 ]} El análisis de sedimentación puede realizarse de forma continua con un alto grado de precisión y repetibilidad. La distribución del tamaño de partícula de un suelo que contiene una cantidad significativa de partículas finas (limo y arcilla) no puede determinarse únicamente mediante análisis de tamizado; por lo tanto, el análisis de sedimentación se utiliza para determinar el límite inferior de la distribución del tamaño de partícula.

La difracción láser es una técnica de medición para determinar la distribución del tamaño de partícula de muestras, ya sean dispersas en un líquido o en forma de polvo seco. La técnica se basa en la desviación de las ondas de luz al interactuar con las partículas de la muestra. ^{[ 18 ]} El diámetro esférico equivalente medido es el diámetro de una esfera cuya área transversal presenta el mismo patrón de difracción que la partícula analizada. ^{[ 19 ]}

El ángulo de difracción depende del tamaño de partícula; por lo tanto, el patrón de difracción depende de las cantidades relativas de partículas de diferentes tamaños presentes en la muestra. Este patrón de difracción se detecta y analiza mediante los modelos de difracción de Mie y Fraunhofer . El resultado de la medición es una distribución del tamaño de partícula (DTP). ^{[ 18 ]}

Mediante la difracción láser no solo se puede determinar la distribución del tamaño de las partículas y los correspondientes valores D ponderados por volumen, sino también el porcentaje de partículas en las principales clases de tamaño utilizadas para la clasificación del suelo.

En comparación con otras técnicas, la difracción láser es un método rápido y económico para medir el tamaño de las partículas y analizar rápidamente muestras de suelo. Una gran ventaja es la unidad de dispersión integrada (por ejemplo, mediante presión de aire o ultrasonidos ) de los instrumentos de difracción láser. Por lo tanto, se pueden medir muestras secas sin necesidad de pasos de preparación externos, que son necesarios para el análisis por tamizado y sedimentación. Además, dado que la muestra se puede dispersar adecuadamente, no es necesario combinar dos técnicas de medición diferentes para obtener la distribución completa del tamaño de las partículas, incluyendo el contenido de limo y arcilla.

Las teorías de difracción láser de Fraunhofer y Mie asumen que las partículas tienen forma esférica. Esto genera un pequeño error de medición, ya que las partículas pequeñas en las muestras de suelo, como la arcilla y el limo en particular, son alargadas y anisotrópicas. ^{[ 20 ]} El diámetro de la partícula en el método de difracción láser se determina en relación con su volumen potencial, que se calcula a partir de una imagen de difracción óptica en los bordes de la sección transversal de la partícula. El volumen de las partículas de arcilla es el diámetro de la sección transversal de la placa, que en los cálculos se trata como el diámetro de la esfera. Por lo tanto, sus dimensiones suelen sobreestimarse en comparación con las medidas mediante análisis de sedimentación. ^{[ 20 ]}

El error asociado a la suposición de esfericidad de las partículas depende, además, del grado de anisotropía . Las propiedades ópticas de las partículas anisotrópicas, como el índice de refracción y el índice de absorción, varían según su orientación respecto al haz láser , que también es variable. Por lo tanto, con diferentes orientaciones de las partículas se medirán diferentes secciones transversales y se producirán diferentes patrones de difracción.

Para arcillas con tamaños cercanos a la longitud de onda de un haz láser, sería deseable la teoría de Mie . Esto requiere un conocimiento preciso del índice de refracción complejo del material de las partículas, incluido su coeficiente de absorción. ^{[ 21 ]} Debido a que estos parámetros suelen ser difíciles de obtener, especialmente los coeficientes de absorción de luz para diversas partículas y granos de suelo, la teoría de Fraunhofer , que solo toma en cuenta los fenómenos de difracción de la luz en el borde de las partículas, se recomienda a menudo para suelos naturales. ^{[ 20 ]}

Existen varios métodos cuantitativos adicionales para determinar la textura del suelo. Algunos ejemplos de estos métodos son el método de la pipeta, la sedimentación por rayos X, el método de materia orgánica particulada (MOP) y el método rápido. ^{[ 22 ]}