Una prueba de textura del suelo o un análisis granulométrico del suelo (también llamado análisis de la textura del suelo o análisis granulométrico) es lo que utilizan los investigadores para analizar la fracción mineral de un suelo. Medir con precisión la textura del suelo es fundamental para comprender la retención de agua del suelo, la conductividad hidráulica, la lixiviación del agua del suelo, el potencial de erosión, el almacenamiento de nutrientes del suelo, la dinámica de la materia orgánica, la capacidad de secuestro de carbono, etc.
La textura del suelo o el tamaño del grano es una propiedad física fundamental del suelo, y la distribución del tamaño del grano o del tamaño de las partículas de un suelo puede variar desde piedras y rocas hasta arcillas de tamaño inferior a una micra. Por lo general, al analizar el tamaño de grano y la textura del suelo, las partículas de éste serán inferiores a 2.000 micras. Estas partículas suelen dividirse en tres clases: arena, limo y arcilla. Un buen ejemplo de esta división se muestra en el triángulo de textura del suelo (Figura 2), reconocible para quienes están familiarizados con el sistema de clasificación del USDA. Este triángulo toma el tamaño de las partículas sólidas y las divide en diferentes fracciones de arena, limo y arcilla.
A la hora de elegir un método de análisis granulométrico para crear una curva de distribución granulométrica, es importante comprender cómo realizaban tradicionalmente los científicos estos análisis y cómo ha evolucionado la medición a lo largo del tiempo.
Durante muchos años, investigadores y cultivadores hemos texturizado el suelo a mano, utilizando cintas y comprobando la tosquedad con las manos. Aunque este método sigue siendo útil cuando se trata de caracterizar suelos sobre el terreno, es subjetivo y propenso a errores. Funciona como herramienta cualitativa para hacer una caracterización rápida; sin embargo, hoy en día disponemos de métodos más precisos.
Un método para obtener mediciones precisas de la granulometría es el análisis granulométrico mediante tamices de tamaño normalizado ASTM (en ocasiones, se utilizan otros sistemas de clasificación con normas diferentes para los tamaños de los tamices). En este método, el tamaño de las partículas del suelo se mide a medida que el suelo pasa a través de los tamices para capturar los diferentes rangos de tamaño. Normalmente, este método es mejor para las fracciones más gruesas del suelo.
Cuando se intenta caracterizar algo por debajo de 2000 micras o dos milímetros, los métodos de sedimentación basados en la ley de Stokes son más eficaces(Gee et al, 2002). Los más comunes son los métodos del hidrómetro y de la pipeta (Gee et al, 2002). Los avances tecnológicos también han introducido nuevos métodos ópticos, como la atenuación de rayos X, la difracción láser y la espectroscopia VisNIR. Este artículo y el siguiente vídeo se centran en comparar los fundamentos y la teoría científica que subyacen a los métodos más utilizados: la sedimentación y la difracción láser.
Como ya se ha mencionado, las partículas del suelo tienen una amplia gama de tamaños variables, desde piedras y rocas (que suelen superar los 0,25 metros de tamaño) hasta arcillas micrométricas (que suelen tener menos de una micra), como se muestra en la figura 5. Aquí nos centramos en las medidas de partículas inferiores a dos mm o 2000 um, pero todos estos componentes (o fracciones de tamaño) forman parte de sus clasificaciones y deben tenerse en cuenta. Por lo tanto, al intentar caracterizar los suelos, hay que tener en cuenta las fracciones mayores que puedan estar presentes.
La Figura 5 ilustra los distintos sistemas de clasificación por tamaños y suelos, como el USDA y el Sistema Unificado de Clasificación de Suelos, ambos utilizados habitualmente en Estados Unidos. El sistema utilizado puede cambiar en función del caso de uso y la ubicación (por ejemplo, también existe una norma alemana para la clasificación del suelo). El sistema de clasificación del USDA se utiliza con fines agrícolas y medioambientales, mientras que el Sistema Unificado se emplea principalmente en ingeniería. También es importante saber qué se necesita a la hora de comunicar los resultados. El tipo de sistema de clasificación que elija dependerá de a quién informe y de cómo se vayan a utilizar los resultados.
También es importante tener en cuenta cómo se van a presentar los datos. Hay muchas formas de presentar los datos del análisis granulométrico. Una de las más comunes es la curva de distribución granulométrica acumulativa (o curva de distribución granulométrica). Una curva de distribución granulométrica, como la de la Figura 6, muestra diferentes texturas del suelo y cómo son sus distribuciones acumulativas en función del diámetro de las partículas.
Los datos del análisis granulométrico también pueden presentarse como un porcentaje basado en la masa de las diferentes clases de tamaño. En otras palabras, puede informar de las clases de tamaño como porcentaje de arcilla, porcentaje de arena y porcentaje de limo. Y una forma aún más sencilla de clasificar un suelo es indicarlo como textura.
El método de notificación que elija dependerá del nivel de detalle que necesite. Una curva de distribución granulométrica acumulativa (Figura 6) proporcionará la información más detallada, pero los datos de la curva de distribución no siempre son fáciles de interpretar. Por lo tanto, dependiendo de su caso de uso, puede decidir utilizar un método más sencillo.
El tratamiento previo del suelo es un proceso importante, ya que puede influir en la precisión de los datos. Muchos investigadores se remiten al libro Métodos de Análisis de Suelos, Parte 4: Métodos Físicos para obtener un método fiable de preparación de muestras. Pero hay otros métodos de pretratamiento disponibles, incluyendo el método ASTM y diferentes métodos en normas internacionales.
Para todos los métodos de medición, el suelo se somete a una preparación inicial idéntica. Las partículas de arena, limo y arcilla se separan para su análisis individual. La materia orgánica, el óxido de hierro y el carbono orgánico también pueden eliminarse (si están presentes en cantidades significativas) porque pueden interferir en la medición.
Algunos de los métodos más utilizados se basan en la sedimentación y en la ley de Stokes. El análisis por sedimentación se basa en la relación que existe entre la velocidad de sedimentación y el diámetro de las partículas. Las partículas se ponen en suspensión en una solución acuosa y, con el tiempo, estas partículas caerán, o sedimentarán, a distintas velocidades en función de su tamaño (Figura 7).
Esta relación fue definida por primera vez en 1851 por George Gabriel Stokes, un físico irlandés-inglés de la Universidad de Cambridge que desarrolló lo que hoy se conoce como ley de Stokes.
La ley de Stokes y los métodos basados en la sedimentación parten de algunos supuestos básicos. Estos supuestos son:
Estas suposiciones no son perfectas, pero incluso con los problemas potenciales de estas suposiciones, los métodos de sedimentación están bien establecidos y se han probado ampliamente con resultados precisos. Comprender esto ayudará a la hora de decidir entre diferentes métodos de medición.
Los dos métodos más utilizados para medir la sedimentación son el hidrómetro y el método de la pipeta. Un tercer método, la presión de suspensión integral, es un avance de los métodos de sedimentación, basado en lo que hemos aprendido con el tiempo.Hay algunas diferencias notables entre los métodos, ya que cada uno está midiendo una zona específica dentro del cilindro. Estas diferencias se analizan a continuación, a medida que exploramos cada método, su precisión y lo que se espera de esa medición.
El método del hidrómetro depende de los fundamentos de la ley de Stokes. Se pone en suspensión una solución acuosa de suelo, se aparta y se deja sedimentar durante un periodo de tiempo determinado. Normalmente, la medición tarda 24 horas si se trata de cuantificar arcillas de dos micras de tamaño. Durante este período, se utiliza el hidrómetro (figura 9) para medir el cambio de densidad de la solución a medida que las partículas comienzan a sedimentarse. Existe una relación entre ese cambio de densidad (o la profundidad de sedimentación del hidrómetro) y los distintos tamaños de partículas que siguen en suspensión.
Para realizar una medición precisa, es necesario separar y cuantificar previamente la fracción de arena mediante un análisis granulométrico. Este paso es fundamental para obtener una estimación precisa de la fracción de arcilla con el método del hidrómetro. Las partículas de arena son tan grandes que se sedimentan demasiado rápido, lo que dificulta la obtención de una medición precisa. Por último, este método requiere un cilindro de control "en blanco". En casi todas las pruebas, se añade hexametafosfato sódico (un dispersante químico) al cilindro de sedimentación, lo que modifica la densidad del agua. El cilindro blanco actúa como control, corrigiendo los efectos de la temperatura y la dispersión debidos al hexametafosfato sódico.
Por último, este método requiere un cilindro de control "en blanco". En casi todas las pruebas, se añade hexametafosfato sódico (un dispersante químico) al cilindro de sedimentación, lo que modifica la densidad del agua. El cilindro blanco actúa como control, corrigiendo los efectos de la temperatura y la dispersión debidos al hexametafosfato sódico.
Ventajas del método del hidrómetro: A pesar de las dificultades, el método del hidrómetro es barato, y la precisión de este método es de alrededor de +/- 3%.
Contras del método del hidrómetro Como ocurre con la mayoría de los métodos de sedimentación, el hidrómetro tiene sus inconvenientes. El método del hidrómetro requiere mucho tiempo y una atención constante a intervalos de tiempo fijos, a veces no en el mejor momento del día o en mitad de la noche. Además, todo se realiza manualmente, lo que puede dar lugar a errores.
Reto 1: El método del hidrómetro es una medición manual. Las mediciones manuales son siempre propensas a errores porque dependen de que usted haga una lectura precisa del hidrómetro, al tiempo que vigila atentamente las botellas durante largos periodos.
Reto 2: La perturbación del proceso de sedimentación provocada al introducir el hidrómetro en los cilindros puede ser una fuente de error. Muchas cosas pueden salir mal con este enfoque, sobre todo porque este método requiere tiempos de medición fijos. Para utilizar este procedimiento correctamente, las mediciones deben realizarse a intervalos específicos en función de los puntos de la curva de distribución granulométrica, ya sean intervalos de 30 segundos, un minuto, cuatro minutos o 12 horas.
Reto 3: La temida lectura de 24 horas. A menudo empezarás una medición el viernes y tendrás que volver el sábado para la medición de 24 horas.
En general, cuando se habla de métodos de sedimentación para el análisis granulométrico o el análisis de la textura del suelo, el método de la pipeta es el patrón oro. Permite una medición más precisa y, dependiendo de su enfoque, puede dar cuenta de las arcillas más finas mejor que el método del hidrómetro.
Al igual que en el método del hidrómetro, sigue siendo necesario separar previamente la fracción de arena y cuantificarla por separado mediante un análisis granulométrico. Sin embargo, a diferencia del hidrómetro, la pipeta toma muestras directas de una zona de muestra más pequeña. Después de poner las muestras en suspensión mediante la ley de Stokes, se toman pequeñas submuestras a intervalos fijos y se secan en un horno. A continuación, se pesan las muestras secas. Cada peso representa los diferentes tamaños de partículas en la zona de muestra durante ese tiempo. Por ejemplo, una medición podría corresponder a un tamaño de dos micras, otra a un tamaño de cinco micras y otra a un tamaño de 20 micras.
Los pros de utilizar el método de la pipeta son:
Los retos o contras del método de la pipeta son similares a los del método del hidrómetro:
Y, por último, a pesar de la mayor precisión de la curva de distribución granulométrica, su exactitud sigue siendo de +\- 3%.
El método de la presión de suspensión integral o ISP sigue los mismos principios que los demás métodos de sedimentación basados en la ley de Stokes. A diferencia de los métodos tradicionales, el método ISP utiliza un transductor de presión de alta precisión para medir el cambio de densidad en la solución a medida que las partículas se sedimentan (Figura 12).
Los métodos de suspensión integral (el método ISP y el método ISP+) producen automáticamente una curva completa de distribución granulométrica. La figura 15 muestra un ejemplo de cómo podría ser esa curva.
La figura 13 muestra el aspecto de la medición de presión real. La escala de este gráfico se mide en pascales de presión, una escala muy pequeña (o medición de baja presión). Para ello se necesita un transductor de presión preciso y exacto.
La figura 14 muestra cómo esa medición genera una curva de distribución granulométrica acumulativa. Este proceso completo se describe en un artículo revisado por pares sobre el método de presión de suspensión integral (ISP+) del Dr. Wolfgang Durner (Durner et. al, 2017).
Contras: Aunque el enfoque ISP presenta claras ventajas (automatizado, detallado y con una curva de distribución granulométrica completa), también plantea importantes retos.
Conociendo estos problemas, surgió la motivación de buscar una mejora de la metodología ISP que fuera cómoda y no afectara a la practicidad general de la medición. Esto condujo al desarrollo del método ISP+, una ampliación de un protocolo ISP experimental.
En el método ISP+, al cabo de cierto tiempo, parte de la suspensión se drena del cilindro de sedimentación a través de una salida lateral situada a una profundidad determinada. Esta suspensión se recoge en un vaso de precipitados y se seca en estufa (véase la figura 16). La solución drenada se compone de todas las partículas más finas que permanecen en suspensión. El lugar donde se drena la submuestra y el momento en que se drena la solución pueden cambiar las partículas que siguen en suspensión. Esto, combinado con las mediciones del sensor de presión, da como resultado la caída repentina que se muestra en el gráfico de la Figura 13.
Un ejemplo de esto sería tomar una medida después de dos horas y luego drenar esa solución por una salida situada a seis centímetros. El tamaño máximo de las partículas a esa profundidad será de 2,8 micras. A partir de ahí, podemos cuantificar lo que queda en la solución restante y ajustar nuestra ventana de análisis. El resultado es que el método ISP+ está limitado por dos lados. El intervalo de la arena está limitado por los datos del tamiz externo y el intervalo de la arcilla está limitado por el drenaje. De este modo, el cálculo de la fracción arcillosa es más estricto y el método ISP+ es más robusto, preciso y fiable.
Otra ventaja clave del método ISP+ es la reducción del tiempo de medición de 8 a 12 horas a sólo 2,5 horas. Y, ISP+ no sólo proporciona una mejora significativa en el tiempo de medición (debido a la automatización), sino que también proporciona una gran mejora en la precisión global de la medición. La precisión aumenta de +\- 3% (método ISP, pipeta e hidrómetro) a una precisión de +\- 0,5%.
El PARIO (Figura 18), fabricado por METER, es un ejemplo de instrumento de análisis granulométrico que automatiza el método ISP+ para determinar la textura del suelo.
Los métodos ópticos más utilizados en la actualidad son la atenuación de rayos X, la dispersión de luz láser a partir de la medición por difracción y la espectroscopia infrarroja VisNIR. La espectroscopia VisNIR es un método prometedor que puede cuantificar con precisión el tamaño de las partículas del suelo, especialmente en aspectos como la fracción de arcilla. Sin embargo, nos centraremos principalmente en la dispersión de luz láser, ya que es el método más comúnmente utilizado.
El método de difracción láser se basa en el principio de que las partículas de un tamaño determinado difractan la luz con un ángulo determinado. A medida que disminuye el tamaño de las partículas, aumenta el ángulo de difracción de la luz. Esto significa que las partículas más pequeñas, como la arcilla, difractarán la luz con un ángulo mayor que las partículas más grandes, como las arenas o los limos.
El esquema de la figura 20 muestra el diseño de un analizador láser del tamaño de las partículas. Un haz paralelo de luz monocromática brilla desde el dispositivo, pasando a través de una suspensión de muestra similar a la de todos los demás métodos. La luz difractada se enfoca hacia un detector anular fotosensible. La intensidad medida en el detector es una función del ángulo utilizado para estimar la distribución del tamaño de las partículas. Esto se basa en lo que se conoce como teoría MIE(Gee et al 2002).
El rango de medición de los métodos de difracción láser oscila entre 0,04 y 2000 micras. Depende del dispositivo y del volumen de medición limitado, ya que el haz láser solo tiene una anchura de 10 a 25 milímetros.
Contras: Al igual que con otros métodos, la difracción láser plantea problemas.
Ventajas: El difractómetro láser, o el método de difracción láser, tiene una ventaja: se pueden realizar más muestras a la vez y obtener mediciones más rápidamente. Además, las mediciones no tardan horas en completarse. Por lo tanto, si necesita un alto rendimiento para sus mediciones, este método podría ser un buen método a utilizar, dependiendo de la precisión relativa requerida.
Depende. Tendrá que examinar sus objetivos de investigación, definir para qué se utilizará la medición y, a continuación, sopesar las ventajas e inconvenientes de los métodos mencionados. Tenga en cuenta que la precisión del análisis de la textura del suelo y de la curva de distribución granulométrica depende de los métodos y herramientas que utilice.
Por ejemplo: El PARIO (método ISP+) es un buen método para las personas que buscan minimizar la cantidad de tiempo y mano de obra que se necesita para realizar un análisis granulométrico, ya que reduce la mano de obra a la vez que mejora la precisión con respecto a otros métodos basados en la sedimentación.
Es importante entender que, independientemente del método que elija, tendrá que pretratar las muestras y tamizar la fracción de arena. En resumen, comprender los pros y los contras de cada método y definir el resultado deseado puede ayudarle a decidir cuál será el más eficaz.
Dane, Jacob H., y Clarke G. Topp, eds. Métodos de análisis de suelos, Parte 4: Métodos físicos. Vol. 20. John Wiley & Sons, 2020. Enlace del artículo.
Durner, Wolfgang, Sascha C. Iden, y Georg von Unold. "El método de presión de suspensión integral (ISP) para el análisis preciso del tamaño de partícula por sedimentación gravitacional". Investigación de recursos hídricos 53, nº 1 (2017): 33-48. Enlace al artículo.
Gee, G.W. y Or, D. (2002). 2.4 Análisis granulométrico. En Methods of Soil Analysis (eds J.H. Dane y G. Clarke Topp). Enlace del artículo.
McKeague, J. A., y Peter C. Stobbe. "Historia del estudio de suelos en Canadá 1914-1975". (1978). Enlace del artículo.
Syvitski, James PM, ed. Principios, métodos y aplicación del análisis granulométrico. Vol. 388. Cambridge: Cambridge University Press, 1991. Enlace al libro.
Yong, Raymond Nen, y Benno P. Warkentin. Introducción al comportamiento del suelo. No. 451 pp. 1966. Enlace al artículo.
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