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Percolation study for the capillary ascent of a liquid through a granular soil

Cárdenas Barrantes, Manuel Antonio (2017) Percolation study for the capillary ascent of a liquid through a granular soil. Maestría thesis, Universidad Nacional de Colombia-Sede Bogotá.

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Resumen

Abstract. Capillary rise plays a crucial role in the construction of road embankments in flood zones, where hydrophobic compounds are added to the soil to suppress the rising of water and avoid possible damage of the pavement. Water rises through liquid bridges, trimers and enclosed volumes, and the void spaces among grains that could eventually take part of those capillary elements can eventually connect to form a path at disposal for capillary rise. The width and connectivity of that structure depends on the maximal half-length λ of a capillary bridge among the grains, which is a function of contact angle. Low λs generate a disconnect structure, with small clusters everywhere. On the contrary high λs create a percolating cluster of trimers and enclosed volumes that form a natural path for capillary rise. Hereby, we study the percolation transition of this geometric structure as a function of λ for a random dense packing of monodisperse spherical grains at volume fraction φ ' 0.63. We determined a percolation threshold for λc = (0.049 ± 0.004)R (with R the radius of the spheres), less than one fourth of the mean distance between neighbouring grains at that volume fraction. In addition, all critical exponents for the transition are in good agreement with those of size percolation in three dimensions, suggesting that the formation of trimers (i.e. the main components of the connected path for capillary rise) can be considered as randomly independent, a possible consequence of the random positions for the grains. The study combines capillary structures and percolation theory to investigate capillary rise through a granular medium. It constitutes an interesting novel approach and a new step in the understanding of this rich phenomenon, Resumen: El ascenso capilar desempeña un papel crucial en la construcción de terraplenes en carreteras construidas en zonas de inundación, donde se agregan compuestos hidrofóbicos al suelo para prevenir el aumento de agua y evitar posibles daños en el pavimento. El agua se sube a través de puentes de liquido, trimers, volúmenes encerrados de liquido, y los espacios vacíos entre los granos que eventualmente podrían tomar parte de esos elementos capilares. Estas estructuras pueden llegar a conectarse para formar un camino probable para el ascenso capilar. Los tamaños y conectividad de esa estructura depende de la longitud máxima media λ de los puentes capilares entre los granos, la cual es función del ángulo de contacto. Para λs pequeños se da lugar a una estructura disconexa, con pequeños clusters a lo largo de todo el sistema. Por el contrario, para λs grandes se crea un cluster percolante de trimers y volúmenes encerrados que forman un camino natural para el ascenso capilar. Estudiamos la transición percolante de esta estructura geométrica como función de λ para un Random Dense Packing de granos esféricos monodispersos, con una fracción de volumen φ ' 0.63. Se determinó que el punto critico de percolación es λc = 0.049 ± 0.004)R (con R el radio de las esferas). Este valor es menos de una cuarta parte de la distancia media entre granos vecinos con esa fracción volumétrica. Además, también se calcularon los exponentes críticos que describen esta transición, los cuales están en buen acuerdo con los exponentes críticos para site percolation. Lo anterior sugiere que la formación de trimers (es decir, los componentes principales de los caminos para el ascenso capilar) puede considerarse como aleatoria, consecuencia de las posiciones aleatorias de los granos. El estudio combina las estructuras capilares y la teoría de la percolación para investigar el ascenso capilar a través de un medio granular. Esto constituye un enfoque diferente y un nuevo paso en la comprensión de este fenómeno.

Tipo de documento:Tesis/trabajos de grado - Thesis (Maestría)
Colaborador / Asesor:Muñoz Castaño, José Daniel
Información adicional:Master of Science (MSc) in Physics. Research line computational physics
Palabras clave:Ascenso capilar, Pavimiento, a estructura geom´etrica
Temática:5 Ciencias naturales y matemáticas / Science
5 Ciencias naturales y matemáticas / Science > 53 Física / Physics
Unidad administrativa:Sede Bogotá > Facultad de Ciencias > Departamento de Física
Código ID:56762
Enviado por : Sr Manuel Cardenas
Enviado el día :22 May 2017 18:46
Ultima modificación:22 May 2017 18:46
Ultima modificación:22 May 2017 18:46
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