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3. Caracterización geotécnica de los materiales estudiados

3.1. Descripción del material estudiado Los materiales estudiados son muestras representativas de las argilitas sulfatadas excavadas en el túnel de Lilla. De manera específica, se trata de muestras provenientes de un sondeo realizado después de la advertencia de los fenómenos de expansividad del terreno que afectaron a este túnel hacia finales de 2002. El sondeo se realizó en marzo de 2003 en el Pk 411+880 y se perforó a partir del nivel de la solera existente en ese momento. El sitio se seleccionó por ser uno de los afectados en mayor grado por la ocurrencia de fenómenos expansivos (véase la Figura 1.2). Para la realización del sondeo se empleó un técnica que permitió la recuperación continua de testigos inalterados de gran diámetro (D = 12 cm). En la perforación se utilizó la técnica de tubo doble, avanzando sin la utilización de agua, y encamisando con tubería de PVC. La longitud total de la perforación fue de 12 m. Los materiales empleadas en los ensayos fueron los correspondientes a la Muestra 22 (6.60 – 6.90 m) del Tubo No. 5, correspondiente a una profundidad entre 6.00 y 7.60 m por debajo del nivel de la solera del túnel. Concretamente, corresponde a la parte del sondeo Pk 411+880 más representativa de la zona estable; es decir, justo por debajo de la zona del túnel en la cual -mediante inclinómetros y extensómetros-, se detectó la ocurrencia de hinchamientos del material de fundación. Esa zona activa coincide con la zona alterada y degradada de los materiales recuperados en los sondeos. La Figura 3.1 resume las propiedades del terreno en el sondeo Pk 411+880 y la localización de los materiales estudiados en el perfil del terreno.

0 2 4 6 8 10 12 14H um edad, w (% )

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

Octubre 2002Marzo 2003

2.7 2.8 2.9

Gravedad específicade sólidos, Gs

2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0Densidad total, ρt (Mg/m3)

0 20 40 60 80 100

Composición de lafase sólida (%)

MatrizYesoAnhidrita

Prof(m)

Marzo 2003

MUESTRA 22 (6.6-6.9 m)MATERIAL ESTUDIADO

ZONA ACTIVA

ZONA ESTABLE

Figura 3.1. Perfil resumen del subsuelo del túnel de Lilla en el Pk 411+880 (Berdugo, 2003). La Muestra 22 fue cortada en seco para minimizar la degradación de la roca por el contacto con el agua. Los bloques obtenidos fueron torneados en un torno de precisión hasta configurar cilindros regulares con las características geométricas y físicas especificadas en la Tabla 3.1. El registro fotográfico del estado inicial de las muestras se presenta en la Figura 3.2.

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Tabla 3.1. Características geométricas y físicas de las muestras.

nº núcleo masa (g) diámetro (cm) altura (cm) volumen (cm3) densidad (g/cm3)5 143,25 3,18 6,4 50,83 2,82 6 171,1 3,4 6,8 61,74 2,77 7 198,24 3,6 7,18 73,08 2,71 8 241,35 3,79 7,6 85,74 2,81

Figura 3.2. Registro fotográfico del estado inicial de las muestras.

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3.2. Programa experimental

3.2.1. Objetivos y descripción general El objetivo general del programa experimental fue inducir la degradación de los materiales estudiados y describir el proceso de degradación en términos de propiedades Índice, parámetros geomecánicos básicos y determinaciones de la composición mineralógica. En particular, se buscó alternar mecanismos de degradación generados por humedecimiento-secado con mecanismos de degradación generados por procesos de carga-descarga, y comparar indicadores del estado de los materiales obtenidos antes y después de la degradación. Para la imposición de los ciclos de humedecimiento-secado se consideraron dos alternativas. La primera consistía en humedecer las muestras directamente con agua del macizo rocoso y secar con técnicas de atmósfera a humedad relativa controlada. La segunda alternativa, por su parte, consistía en humedecer y secar con técnicas de humedad relativa controlada. Si bien las dos alternativas causan disminución de la succión en el material, el humedecimiento directo del material reveló tener efectos devastadores sobre su integridad. En todos los intentos llevados a cabo para hidratar con agua del macizo rocoso varias muestras sin confinamiento, el material sufrió una desintegración en pequeños fragmentos casi inmediatamente después de entrar en contacto con el agua. La situación se puede apreciar en la Figura 3.3 donde se presenta la evolución del estado de una muestra durante el proceso antes indicado. Ante la imposibilidad de garantizar que luego del proceso de humedecimiento con agua las muestras pudieran mantener una forma relativamente regular y un estado de integridad que permitiese realizar sobre ellas ensayos de carga y descarga, esta primera alternativa de disminución de la succión se descartó en beneficio de la segunda.

00’ 02’’ 00’ 50’’

1’ 15’’ 1’ 40’’

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2’ 00’’ 2’ 45’’ Figura 3.3. Fotogramas seleccionados de un video que se realizó de un fragmento de roca del Pk 411+880 (6.6-6.9 m) justo después de sumergirlo en agua del macizo rocoso. Para la imposición de los ciclos de carga y descarga se consideró que la técnica más conveniente consistía en la realización de ensayos de compresión simple en un ambiente a humedad relativa controlada. La principal motivación para llevar a cabo la degradación mecánica de esta manera fue la posibilidad de facilitar la interacción de la periferia de la muestras, y de las fisuras generadas durante los procesos de carga, con un ambiente capaz de afectar la integridad del material por causa de una disminución de la succión en zonas aún no afectadas por tal proceso. En la Figura 3.4 se presenta un esquema simplificado del protocolo seguido para la realización de los ensayos de degradación del material estudiado. Los ciclos de humedecimiento - secado que se muestran, fueron impuestos hasta llegar a distintas etapas de equilibrio desde un mes hasta tres meses en el último ciclo de humedecimiento donde alguno de los núcleos se expandió .Los ciclos de carga – descarga fueron incrementando la carga aplicada unos 1000 kg cada 5 ciclos. El tiempo de ensayo fue variando según la muestra pero el tiempo medio de cada ensayo sobrepasó las 6 horas.

CAR

GA

SEC

AD

OH

UM

EDE

CIM

IEN

TO

DEG

RA

DA

CIÓ

N P

OR

CA

MB

IO D

E SU

CC

IÓN

DEG

RA

DA

CIÓ

N M

ECÁ

NIC

A

humedecimientoa HR constante

sin carga

ciclos de carga-descargaa HR constante

secado a HR constante

sin carga

humedecimiento a HR constante

sin carga

5 ciclos

5 ciclos

5 ciclos

5 ciclos

TIEMPO

TIEMPO Figura 3.4. Esquema del protocolo seguido para la realización de los ensayos de degradación.

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3.2.2. Caracterización geotécnica básica de las muestras. La caracterización geotécnica básica de las muestras contempló la determinación de la humedad, la gravedad específica de sólidos y el contenido de sulfatos, antes y después de la degradación. De lo que se trata con este procedimiento es de determinar si el material se ha alterado o sufrido algún cambio significativo como resultado de la degradación. La humedad suministra información sobre la cantidad de agua presente en la matriz arcillosa, sin tener en cuenta la cantidad de agua asociada a la estructura del yeso. La gravedad específica de sólidos, por su parte, es un indicador bastante sensible de la variación en la composición mineralógica de los suelos y las rocas. Por último, el contenido de sulfatos es el indicador de la existencia de minerales como la anhidrita o el yeso en los materiales. Debido a la distribución errática de venas de yeso y nódulos de anhidrita en la matriz arcillosa, la roca de Lilla es un material supremamente variable y muy discontinuo (véase la Figura 3.5). Esta situación dificulta la obtención de volúmenes representativos de la matriz arcillosa libres de elementos sulfatados. De cara a la caracterización geotécnica básica de las muestras, una de las consecuencias de la heterogeneidad y la ocurrencia de yeso en el material es la dificultad de obtener valores representativos de la humedad o la gravedad específica de sólidos.

Figura 3.5. Muestras de la argilita de Lilla donde de aprecia la heterogeneidad del material a causa de la distribución errática de venas de yeso fibroso y nódulos de anhidrita.

3.2.2.1. Determinación del contenido humedad Hossain (2001) ha discutido el problema de la determinación del contenido de humedad de suelos y rocas arcillosas yesíferas. Este autor señala que el problema principal surge cuando la muestra se seca al horno a 100º C -como lo señalan muchas normas de la ingeniería práctica-, y no se tiene en cuenta la cantidad de yeso presente en el material ensayado. Cuando esto ocurre, los valores de humedad corresponderán a la totalidad del agua teniendo en cuenta la que está presente en la estructura cristalina del yeso. Lo cierto es que la cantidad de agua asociada al yeso no puede tenerse en cuenta en los análisis del contenido de humedad por que ella es de carácter estructural y no corresponde al agua de poros. Para tener en cuenta este fenómeno, Hossain (2001) recomienda corregir los datos de contenido de humedad obtenidos a 100 ºC, reduciendo el valor teórico en una cantidad de 0.2%, por cada 1% de yeso presente en la muestra. El método descrito para obtener el contenido de humedad requiere del conocimiento de yeso en la muestra. Sin embargo, la norma ASTM D2216 recomienda el uso de un horno a 60º C y la norma BSI (1975) recomienda el uso del horno a menos de 80º C, para eliminar la necesidad de aplicarle ningún tipo de corrección al valor de contenido de humedad. Por otra parte, la Norma Española UNE 103-300-93 para la “Determinación de la humedad de un suelo mediante secado en estufa”, dice textualmente: “en una muestra que contiene yeso u otros minerales que tienen agua de hidratación fácilmente eliminable o en suelos que contienen materia orgánica en cantidad significativa, no se debe emplear una temperatura superior a los 60 ºC. Con el fin de incorporar estas consideraciones en el desarrollo de la tesina, en los ensayos realizados se determinó el contenido de humedad secando las muestras en el horno a temperaturas de 60 ºC y 100 ºC.

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Adicionalmente, se determinó el contenido de humedad de muestras de yeso fibroso de origen natural y yeso puro en polvo de origen sintético. Con esto se buscó comparar los valores teóricos del contenido de agua del yeso con los obtenidos experimentalmente. El contenido de humedad se obtiene

100)32()21((%) ×

−−

=ppppw

p1: peso muestra húmeda + recipiente p2: peso muestra seca (a Tª X) + recipiente [3.1] p3: peso recipiente

3.2.2.2. Determinación gravedad específica de los sólidos La gravedad específica de los sólidos también se ve afectada en caso que las muestras contengan yeso o anhidrita y el valor varía significativamente debido a que las densidades son muy distintas. En fases puras el yeso tiene una densidad de 2.31 g/cm3 y la anhidrita 2.92 g/cm3. En el caso que se ha de analizar se deben tener en cuenta las fases siguientes: (i) la matriz predominantemente arcillosa (incluyendo el cuarzo y dolomita que la acompañan), (ii) el yeso y (iii) la anhidrita. En estas condiciones la determinación de la gravedad específica de sólidos se podría hacer de dos maneras. La primera consiste en estimar el valor de la gravedad específica de sólidos de la mezcla de matriz arcillosa con yeso y anhidrita a partir del análisis de las proporciones y gravedades específicas de las fases sólidas presentes. Para determinarla se utiliza la ecuación [3.2]. Sin embargo, para resolver la fórmula se necesita conocer la proporción de yeso o anhidrita total en la muestra. El porcentaje de de cada fase mineral se puede obtener a partir de un espectro de Difracción de Rayos X, pero no es una tarea sencilla en la roca que se está describiendo.

a

a

y

y

m

m

GsP

GsP

GsP

Gs++

=1

[3.2]

Gs: Gravedad específica de sólidos Gsm: Gravedad específica de sólidos de la matriz Gsy: Gravedad específica de sólidos del yeso Gsa: Gravedad específica de sólidos de la anhidrita Pm: Proporción de sólidos de la matriz respecto al peso total de los sólidos Py: Proporción de yeso en la muestra respecto al peso total de los sólidos Pa: Proporción de anhidrita en la muestra respecto al peso total de los sólidos La segunda manera es siguiendo la Norma Española UNE 103-302-94 “Determinación de la densidad relativa de las partículas de un suelo”. El procedimiento consiste en secar a menos de 60º C unos 50 g de muestra, después se tritura y se pasa por el tamiz de 400 µm. Cuando se tiene la muestra preparada el método operatorio es el siguiente: primero se rellena el picnómetro con alcohol hasta la línea de enrase, luego se coloca en un baño termostático entre 20 y 25º C y se pesa. El nivel de agua del baño tiene que estar cerca a la boca del picnómetro pero no sobrepasarla. Una vez equilibrado el alcohol, se introducen cuidadosamente unos 50 g de muestra pulverizada y se debe dejar reposar. Después, se miden el peso y la altura de referencia final del picnómetro. A partir de las lecturas de variación de altura y peso se llega a la siguiente relación [3.3] que sirve para calcular la gravedad específica de sólidos:

)()(

LoLfWfWoGs

−−

=

Gs: Gravedad específica de sólidos [3.3] Wo: Peso inicial Wf: Peso final Lo: Altura inicial Lf: Altura final

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El cálculo teórico de la gravedad específica de sólidos implica el conocimiento de las gravedades específicas de cada una de las fases sólidas presentes y su proporción relativa. Frente a esta situación, se decidió escoger el método propuesto en la Norma UNE.

3.2.2.3. Determinación del contenido de sulfatos solubles Los sulfatos (SO4

2-) están distribuidos en infinidad de sitios de la naturaleza, y pueden estar presentes en aguas con distintas concentraciones y formando sólidos con distintos cationes. Principalmente existen cuatro métodos, para calcular el contenido de sulfatos solubles: (i) el método Gravimétrico con Calcinación de Residuo, (ii) el Método Gravimétrico con Secado de Residuo, (iii) el Método Turbidimétrico, y (iv) el Método Automatizado del Azul Metiltimol. Para la determinación de sulfatos presentes en la roca se utilizó el Método Turbidimétrico. Este método permite obtener de manera fiable y sin apenas manipular la muestra el contenido de sulfato en términos de concentración. En el Método Gravimétrico con Calcinación de Residuo (Método que aconseja la Norma Española UNE 103-201 “Determinación cuantitativa del contenido en sulfatos solubles de un suelo”) se manipula mucho la muestra, sobretodo cuando se quiere cuantificar el residuo calcinado. Además, la Norma UNE 103-201 da un resultado final en término de sulfitos (SO3), valor que debe corregirse para obtener la cantidad de sulfatos, cosa que no ocurre con el Método Turbidimétrico. La físico-química del Método Turbidimétrico se resume a continuación, SMEWW (2005). A partir de un sulfato de calcio en solución, al incorporarle BaCl2, se provoca que el calcio presente forme CaCl y BaSO4. Debido a que se forman cristales de BaSO4 de medida uniforme, y la suspensión creada por el BaSO4 tiene una absorción de luz patronable, un equipo capaz de medir esta absorción puede cuantificar indirectamente la proporción de SO4. El Método Turbidimétrico requiere un proceso especial de preparación de la muestra en sí misma y de diferentes reactivos. La muestra se seca a menos de 60º C, entonces se pulveriza y tamiza con el tamiz Nº40. Para el análisis se necesitan cerca de 250 mg de muestra, que se deben de diluir en 250 ml de agua destilada. Entonces se consigue una disolución de suelo equivalente a 1000 ppm. La disolución obtenida debe de someterse a agitación durante al menos 24h para garantizar la total disolución de los sulfatos solubles (Figura 3.6).

Figura 3.6. Proceso de agitación de la disolución inicial de 250 g de muestra con 250 ml de agua destilada.

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Una vez agitada la disolución, ésta se filtra para eliminar los sólidos (Figura 3.7 y 3.8).

Figura 3.7. Filtrado de la disolución inicial. Figura 3.8. Residuo sólido filtrado. A partir de la disolución filtrada se realizan tres nuevas disoluciones, una con X ml de la disolución filtrada para cada 100 ml de agua destilada; otra con 2X ml de la disolución filtrada para cada 100 ml de agua destilada y, finalmente, otra con 3X ml de la disolución filtrada para cada 100 ml de agua destilada. El método descrito necesita un búfer, que se obtiene de la siguiente forma. Se disuelven 30 g de MgCl2·6H2O, 5 g de CH3COONa·3H2O, 1g KNO3 y 20 ml de CH3COOH (99%) en 500 ml de agua destilada. Luego de agitar un poco esta solución, el volumen se completa hasta obtener 1000 ml de búfer. Con 100 ml de las tres nuevas disoluciones se debe de conseguir otras disoluciones que incluirán, cada una, 20 ml del búfer preparado y 5 g de BaCl. (Véase la Figura 3.9)

Figura 3.9. Preparación de una de las tres disoluciones finales, con el búfer, el BaCl2 y la disolución (X ml/100 ml) A partir de este punto, en el Método Turbidimétrico existe la posibilidad de utilizar distintos equipos para medir la turbidez. Los equipos pueden ser Nefelómetros, Espectrofotómetros o bien Filtros Fotométricos. En este trabajo se utilizó el Nefelómetro y el Espectrofotómetro. El nefelómetro utilizado fue un Nefelómetro Hach 2100P Este necesita una calibración inicial debido a que la medida de sulfatos es indirecta. La calibración se hace mediante la preparación de disoluciones con concentración de sulfato conocida. Para obtener resultados con el Nefelómetro se necesita poner en tres

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recipientes del mismo equipo la disolución que se desee y entonces determinar la turbidez en términos de Unidades Nefelométricas de Turbiedad (NTU) (Figura 3.10).

Figura 3.10. Nefelómetro Hach 2100P con las tres disoluciones finales.

Con las lecturas del nefelómetro junto con los valores de concertación inicial de muestra, el contenido de humedad a 60º C, las concentraciones de las disoluciones realizadas durante el ensayo y la curva de calibración del nefelómetro; se obtiene mediante las ecuaciones que se presentan a continuación [3.4], [3.5] y [3.6], el contenido de sulfatos presentes en la muestra.

imNTUNTUppmSO cal +⋅−= ))(()( 04 [3.4] Donde:

ncalibració de curva la de int:ncalibració de curva la de pendiente :

blanco del turbidez:diluida muestra la de turbidez:

diluida muestra la de sulfatos deión concentrac :)(

0

4

erceptoimNTUNTU

ppmSO cal

[ ]disolución

calcorregida X

ppmSOppmSO )()( 44 = [3.5]

Donde

[ ] disolución la de inicialión concentrac :diluida muestra la de sulfatos deión concentrac :)(

corregida sulfatos deión concentrac :)(

4

4

disolución

cal

corregida

XppmSO

ppmSO

( )

muestra

muestradestiladaaguacorregida W

wVoppmSOSO

1001)(10(%) _4

24

+⋅⋅⋅= − [3.6]

20

Donde:

muestra de inicial peso :muestra de inicial humedad :

inicial disolución la de destilada agua de volumen :corregida sulfatos deión concentrac :)(

muestraen totalessulfatos :(%)

_

4

4

muestra

muestra

destiladaagua

real

Ww

VoppmSO

SO

El espectrofotómetro utilizado fue el Perkin-Elemer Lambda 2, el análisis lo realizó un químico analítico experimentado. La muestra inicial se realizó con un Espectrofotómetro para compararla con el que se había obtenido con anterioridad UPC 2002 con un Nefelómetro de muestra del mismo Pk y profundidad. Los análisis de sulfatos se realizaran a la muestra sin degradar (inicial) y a la muestra degradada (final) para obtener valores de sulfato inicial y final.

3.2.3. Ambientes con humedad relativa controlada - equipos y metodología Los experimentos en ambiente con humedad relativa controlada se realizaron para equilibrar las muestras a distintas humedades relativas (HR), y producir distintas succiones en el material (D.R. Lide 1997). El ambiente controlado se obtiene ha partir de una solución salina con una determinada concentración. El valor de la humedad relativa tiene la expresión siguiente, que relaciona succión, peso molecular de la solución y humedad relativa, esta es la Ley de Kelvin [3.7]:

RTMsS

r eh−

= Donde: [3.7] hr= humedad relativa Ms= Peso molecular de la solución (kg/mol) S= Succión de la solución (MPa) R= constante universal de los gases (8.3143x10-3 MPa kg/(ºKmol) T= Temperatura (ºK) Las soluciones salinas que existen para provocar distintas HR se obtienen de distintas de sales. La más fácil de obtener es con NaCl, con la cual se consiguen distintos valores de succión, que varían proporcionalmente con la molalidad principalmente y en menor grado con la temperatura. La relación entre succión y concentración de NaCl fue definida de manera empírica en la Figura 3.11, en la cual se muestra como varia la succión contra molalidad (Romero. 2001).

23

5

23

5

23

5

1

10

Tota

l suc

tion,

ψ (M

Pa)

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0Molality of NaCl, m (mol/kg)

0 50 100 150 200 250 300 350 400

g of NaCl per 1000 g of pure water

Theoretical values for 20°C(adapted from Lang, 1967):

20°C

Max. salt solubility:m=6.1 mol/kg at 20°C

Adapted from Horvath(1985) for m≥3.0 mol/kg

Prop

osed

rang

e

Interpolation(Romero, 1999)for m<3.0 mol/kg

Figura 3.11. Succión total aplicada con una solución de NaCl parcialmente saturada a Tª=20ºC. (Romero E. 2001)

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Para tener una idea de los valores de HR que se obtendrían al laboratorio, se prepararon las soluciones con las concentraciones de NaCl y de LiCl. En la tabla XX se observa que los valores obtenidos para NaCl son semejantes a los descritos por Romero (2001). Tabla 3.2. Comparativa de HR teórica y HR medida a una determinada temperatura.

solución HR teórica (%) Succión Teórica (MPa) HRmedida (%) Temperatura (ºC) LiCl 14 283 15 18,2 NaCl 74 40 80 24,4 NaCl 80 30 80 19,1 NaCl 86 20 88 20 NaCl 92 10 92 23,5

- 100 0 99 22.7 Equipos Se utilizaron distintas cámaras de vació para conservar las HR escogidas para cada núcleo y espacio de tiempo seleccionado. Para humedecer, se utiliza una cámara de vacío convencional. Pero para el secado, debido a que todas la muestras se habían de poner juntas y se debía producir un secado lo más eficaz posible, se utilizó una cámara por donde circulaba el flujo de aire de la solución salina con la ayuda de una bomba (ver figura 3.12).

Figura 3.12. Montaje con la bomba de aire para el secado de las muestras con la solución de cloruro de litio. El equipo utilizado para medir la humedad relativa es un termo-higrómetro Lufft Opus 10 Electronic con una resolución de ± 0.2º C y ±2 % HR. Con la ayuda de este y la sonda que lleva incorporada, se obtuvieron datos fiables de temperatura y humedad relativa en el interior de las cámaras a ambiente con humedad relativa controlada. Metodología A partir de los valores de HR medidos obtenidos, se realizo un protocolo para provocar una degradación a la muestra, tratando de humedecerla y secarla. Para humedecerla se utilizan las distintas soluciones de NaCl y para secarla la solución de LiCl. En este protocolo los ensayos de CS no están indicados pero estos fueron realizados antes de colocar la muestra en la HR 14% producida por el LiCl. En la Figura 3.13, se muestran las condiciones de HR de cada núcleo en el tiempo.

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6/17/05 7/17/05 8/16/05 9/15/05 10/15/05 11/14/05 12/14/05Tiempo (mm/dd/yy)

0

20

40

60

80

100

HR

(%)

Núcleo 5Núcleo 6Núcleo 7Núcleo 8

Figura 3.13. Relación de humedad relativa aplicado a cada núcleo en función del tiempo.

3.2.4. Compresión simple a humedad relativa controlada - equipos y metodología

3.2.4.1. Equipo Los ensayos de compresión simple se realizaron con una prensa ELE Digital Triest de 10 toneladas (100 kN) de capacidad y con un anillo de carga con capacidad máxima de 5 toneladas (5 kN). La prensa cuenta con varios medidores de desplazamiento tipo LVDT. En la Figura 3.14, se muestra la prensa con los accesorios descritos.

Figura 3.14. Prensa con el anillo de carga un par de LVDT.

23

El ambiente con humedad relativa controlada se aplicó a las muestras mediante unas cámaras de metaquilato. Estas permitían realizar el ensayo de compresión simple pudiendo medir deformaciones y no influyendo de ninguna manera al ensayo. Se realizaron dos montajes que se describen a continuación: Montaje (a) El montaje que se pude observar en la Figura 3.15, consiste en una cámara de metaquilato sellada, de ella salen cuatro racores rápidos, que son para la circulación del aire a humedad relativa impuesta. Dos de entrada y dos de salida, para conseguir una total circulación del aire en la cámara. El tubo de salida va de la cámara directamente a la succión de la bomba y el de entrada va de la salida del bombeo al matraz con la disolución salina y con el medidor de humedad y temperatura, y de allí a la cámara para cerrar el circuito. También se quiso controlar la posible variación de peso de la solución salina con la balanza, que junto a lo descrito anteriormente se observa en la Figura 3.16.

Figura 3.15. Detalle del montaje tonel núcleo en su interior con el ensayo en marcha.

Figura 3.16. Detalle del sistema para conservar humedad relativa constante.

Montaje (b) El montaje Muc prototype MK 0 es una evolución del montaje (a), está equipado con una cámara de mayor seguridad, sin ningún riesgo de fuga de aire para preservar humedad relativa, y además el montaje que se podría repetir. Por la tanto se mejoraba mucho a la hora de homogeneizar condiciones de ensayo. El montaje seguía con el mismo método de circulación de flujo de aire. En las figuras 3.17 y 3.18, se puede observar como es el modelo de cámara.

Figura 3.17. Muc Prototype Mk 0, ideado para aplicar tensión vertical controlando deformación axial, con una atmósfera de humedad controlada.

Figura 3.18. Detalle de Muc Prototype Mk 0.

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axial CargaPaxial Tensión

inicial ÁreaA

corregida ÁreaA

inicial entoDesplazamilentodesplazami Variaciónl

axial nDeformació

c

a

:::

:

:::

0

0

σ

ε∆

3.2.4.2. Metodología Los ensayos de compresión simple se realizaron a los núcleos siguiendo las siguientes pautas: Carga 500 kg y descarga a 50 kg; el proceso se repitió 5 veces. La carga máxima aplicada se iba incrementando en cada ciclo (1000, 2000, 3000, 4000) hasta llegar en un caso a una carga de 5000 kg. La carga mínima se fijó a 50 kg porque si se bajaba más, el sistema perdía tensión y provocaba medidas de desplazamiento erróneas. A modo de ejemplo se muestra el protocolo del ensayo en función de la carga contra tiempo para una mejor descripción (Figura 3.19).

CA

RG

A

5 ciclos

5 ciclos

5 ciclos

5 ciclos

TIEMPO Figura 3.19. Protocolo de ensayo de compresión simple.

La metodología de los ensayos de compresión simple fue seguida de la Norma Española UNE 22-950-90 “Propiedades mecánicas de las rocas”, para definir unas pautas de ensayo. Las pautas más relevantes para el ensayo que se quería realizar eran las condiciones de ensayo, la medida de tensión y la medida del módulo de Young. Antes de realizar los ensayos de CS a los núcleos era muy importante determinar los valores de ensayo para no dañar ningún núcleo. Por lo tanto se realizó un ensayo sobre una probeta de dimensiones parecidas a los núcleos para ensayar las condiciones de ensayo. Las condiciones de ensayo que se querían conocer eran la velocidad de carga, para no provocar una fractura de la probeta, y la tensión que se necesitaba para romper la probeta. Ya que el ensayo trataba de degradar los núcleos dañándolos estructuralmente, en ningún caso se quería llegar a romper el núcleo. Metodología para el cálculo de la deformación, y tensión aplicada El cálculo para la deformación y tensión aplicadas a los núcleos se ha realizado con las relaciones básicas de Mecánica de Rocas [3.8] y [3.10], pero con una variante. Se tuvo en cuenta la corrección por Área [3.9] que se utiliza en Compresiones Simples para suelos ya que teniendo en cuenta las propiedades de la roca se podía esperar cualquier reacción que se tenía de tener controlada.

0ll

a∆

=ε [3.8] a

cAAε−

=1

0 [3.9] cA

P=σ [3.10]

25

a

Eεσ

∆∆

=

Metodología para el cálculo del modulo de Young El valor del módulo de Young (módulo de elasticidad) según la teoría clásica se define de la siguiente manera:

axial ndeformació de Variaciónaxial tensión de Variación

YoungdeMóduloE

a ::

:

εσ

∆∆ [3.11]

El principal problema a la hora de calcular el módulo en cada carga y descarga era el de escoger el rango de tensiones para el cálculo debido a que el valor podía variar bastante. Entonces, para poder analizar los valores del módulo se consultó la UNE 22-950-90 (Parte 3). Ésta tiene por objeto establecer un método para la determinación de las curvas tensión deformación y de los módulos elásticos. Aquí se definen los distintos métodos utilizados para obtener el módulo de elasticidad. El método escogido para el cálculo fue el que calculaba el módulo medio de Young, ya que con los otros métodos se necesitaba un valor porcentual de la resistencia final del núcleo (dicho valor no se quería obtener). El modulo medio de Young valoraba la zona lineal de la curva tensión axial – deformación. Los módulos se calcularon en la zona lineal de la curva tensión – deformación, definida en la mayor parte de los núcleos entre 150 y 350 kg/cm2. Además también se quisieron calcular los módulos para el rango de tensiones que se le relacionaba con el “cierre de fisuras”, definido entre 25 y 90 kg/cm2. Se eligieron estos rangos para poder hacer comparaciones entre los distintos ciclos y cargas. La Norma seguida también describe como se debe aplicar la carga, textualmente expone “La carga se aplicará continuamente de forma tal que la rotura se produzca entre los 5min y los 10min desde el comienzo de la aplicación de la carga. Alternativamente, la velocidad de carga debe estar comprendida dentro de los límites de 0,5 a 1,0 MPa/s (lo que es lo mismo entre 0,3 a 0,6 kg/cm2.min). Teniendo en cuenta que el ensayo no trató en ningún caso de romper el núcleo, la velocidad propuesta para los ensayos no sobrepasó los valores de 0,3 (kg/cm2)/min.

26

3.3. Resultados de los ensayos A continuación se presentan los resultados obtenidos en los ensayos realizados.

3.3.1. Propiedades Índice En este apartado se muestran los análisis de contenido de humedad, gravedad específica de sólidos y contenido de sulfatos de las muestras. Se detalla de cada muestra ensayada la localización y estado en que se encontraba la muestra antes de ser ensayada.

3.3.1.1. Contenido de humedad En las Tablas 3.3 y 3.4 se resumen las humedades obtenidas en el horno a 60 ºC y a 100º C, de las muestras del Pk 411+880 (6.6.-6.9 m) en condiciones iniciales, y después de aplicarle el protocolo de degradación planteado. Tabla 3.3. Resumen del contenido de humedades presentes en las muestras del Pk 411+880 (6.6.-6.9 m) sin degradar.

Puntualización de la notación de la tabla, muestra natural se refiere a un fragmento de roca de unos pocos cm3 y muestra polvo se refiere a muestra pulverizada y tamizada por tamiz el Nº 200. De los resultados de la Tabla XX. se puede observar que la heterogeneidad de los fragmentos producen valores bastante distintos. Y parece que con el proceso de triturado ya produzca cierta perdida de agua de la muestra. Tabla 3.4. Resumen del contenido de humedades presentes en las muestras del Pk 411+880 (6.6.-6.9 m) degradadas.

Muestra del Pk 441+880 (6.6-6.9 m) después de degradar Humedad NATURAL 100º C ± 5 NATURAL 60º C ± 10

(%) núcleo 6 núcleo 8 núcleo 6 núcleo 8 Muestra a b c d a c

w 24h= 10,45 13,36 3,92 2,49 10,45 2,99 Puntualización de la notación de la tabla, muestra natural se refiere a unos fragmentos de roca en fragmentos de algunos mm3. De los resultados de la Tabla 3.4 se puede observar que la degradación mediante ambiente con humedad relativa controlada ha hecho su efecto. Cabe decir que el núcleo nº 6 estaba mucho más degradado que el núcleo nº 8.

Humedad Muestra del Pk 441+880 (6.6-6.9 m) en condiciones iniciales, sin degradar (%) NATURAL 100º C ± 5 NATURAL 60º C ± 10 POLVO 100º C ± 5 POLVO 60º C ± 10

Muestra a b c d e f g h i w 24h= 2,56 2,1 - - - - - - - w 48h= 2,38 2,1 - - - - - - - w 72h= 2,47 2,1 0,9 1,16 0,67 0,7 0,63 1,17 1,16 w 144h= 2,38 2,1 - - - - - - -

27

Experiencia de humedad total en yeso Para comprobar cómo se comporta el agua estructural en el yeso, se ha realizado la siguiente experiencia, se tomó yeso fibroso del macizo rocoso y yeso sintético puro. Ambos se calentaron a 100º C ± 5 y a 60º C ± 10. Entonces se obtienen humedades totales a 100º C (suponiendo que toda el agua que se va es agua del yeso) y a 60º C (suponiendo que toda el agua que se va es agua de la porosidad). Estos resultados se comparan con loa valores teóricos, como se ilustra en la Tabla 3.5. Tabla 3.5. Experiencia de humedad total en yeso.

YESO horno a 100ºC

YESO horno a 60ºC

YESO sintético horno a 100ºC

PB1= 38,66 PA1= 34,79 P1= 25,19 PB2= 36,23 PA2= 34,79 P2= 23,80 PB3= 25,36 PA3= 23,29 P3= 18,39 humedad total experimental Wt= 18,27 Wt = 0 Wt = 20,40 humedad total teórica Ca SO4.2H2O 172 Ca SO4 136 2H2O 36 Wt = 20,93

3.3.1.2. Gravedad específica de sólidos Ensayo realizado a partir de muestra secada a 60º C, molida y tamizada por el tamiz del Nº 40. Se ensayaron muestras procedentes del Pk 411+ 880 (6.6-6.9 m) antes y después de que se degradaran. En las Tablas 3.6 y 3.7 se presentan los resultados de dos ensayos de gravedad específica de sólidos de la muestra inicial sin haberle provocado alteración alguna. Y en las Tablas 3.8 y 3.9 Gs de muestra del núcleo 8 y 6, después del proceso de degradación. Tabla 3.6. Resultados del proceso del cálculo de la gravedad específica de la muestra inicial A.

Altura inicial Lo= 1,67 peso (picnómetro+ alcohol) a 24.6ºC en gramos Wo= 336,54 altura final Lf= 22,8 peso (Po + muestra) en gramos Wf= 398,39 Gs= 2,927

Tabla 3.7. Resultados del proceso del cálculo de la gravedad específica de la muestra inicial B.

Altura inicial Lo= 0,6 peso (picnómetro + alcohol) a 24.6ºC en gramos Wo= 354,42 altura final Lf= 22,4 peso (Po + muestra) en gramos Wf= 415,5 Gs= 2,802

28

Tabla 3.8. Resultados del proceso del cálculo de la gravedad específica de la muestra del núcleo 8 después del proceso de degradación.

Altura inicial Lo= 2 peso (picnómetro + alcohol) a 24.6ºC en gramos Wo= 396,98 altura final Lf= 18,1 peso (Po + muestra) en gramos Wf= 444,3 Gs= 2,94

Tabla 3.9. Resultados del proceso del cálculo de la gravedad específica de la muestra del núcleo 6 después del proceso de degradación.

Altura inicial Lo= 0,5 peso (picnómetro + alcohol) a 24.6ºC en gramos Po= 371,25 altura final Lf= 19,5 peso (Po + muestra) en gramos Pf= 426,04 Gs= 2,88

3.3.1.3. Contenido de sulfatos La preparación de las muestras de sulfatos se realizo de acuerdo con el Método del Turbidímetro con la cuantificación mediante un espectrofotómetro Perkin-Elemer Lambda 2. Se realizo el ensayo a la muestra inicial del Pk 411+880 (6.6 – 6.9 m) antes de degradarse. El valor de contenido de sulfatos obtenido es de 20,22 % de SO4 en muestra. La preparación de las muestras de sulfatos se realizo de acuerdo con el Método del Turbidímetro con la cuantificación mediante un nefelómetro Hach 2100P. Se realizo el ensayo a la muestra degradada del Pk 411+880 (6.6 – 6.9 m). Se realizó para muestra del núcleo 6 y núcleo 8. El valor de contenido de sulfatos obtenido en el núcleo 6 es de 18.94% de SO4 en muestra. Y el valor de contenido de sulfatos obtenido en el núcleo 8 es de 15.67% de SO4 en muestra. Los valores de sulfato sin degradar son mayores que una vez degradados. Pero esta coincidencia podría estar relacionada con la heterogeneidad de la muestra.

3.3.1.4. Comparación de resultados Las propiedades analizadas en este trabajo (Enero 2005) y las medidas anteriormente por la UPC (2003) podrían ser distintas. Si fueran distintas cabría la posibilidad de que fuese debido a posibles cambios en el material, ya sea un cambio mineral o una alteración de la muestra. Tabla 3.10. Humedades y densidades de la muestra del PK 411+880, (UPC 2003).

Profundidad (m) Densidad (g/cm3) Humedad (%) % SO4 Gs

6,6 2,81 1,9 39,45 2,87 6,9 2,65 2,38 39,45 2,87

29

Los valores de la Tabla 13, son semejantes pero no completamente iguales a los obtenidos esto puede ser debido a la gran heterogeneidad de las muestras, sobretodo en el contenido de sulfatos solubles. La variación más notable es la de contenido de humedad de los núcleos después de la etapa de degradación.

3.3.2. Ensayo de compresión simple con atmósfera controlada

3.3.2.1. Prueba para determinar valores de ensayo Para determinar las condiciones de ensayo de la prensa, se ensayo con una muestra cortada del material estudiado con dimensiones un poco mayores a los núcleos que se iban a ensayar. En esta prueba no se establecen condiciones controladas de humedad relativa. La muestra cortada tenía una geometría no del todo regular pero se le estableció la siguiente, altura de 71 mm, lado A de 42mm y lado B de 37mm. Entonces tenia un área de aplicación de carga =1554 mm2. (Véase, Figura 3.20 y 3.21)

Figura 3.20. Muestra cortada para ensayo de prueba.

Figura 3.21. Visión del montaje en la prensa.

Los valores obtenidos no sobrepasaron los rango establecidos de 0,3 (kg/cm2) / min. La sección de prueba procedía de muestra más alterada que los núcleos y solamente aguanto una tensión de 32 kg/cm2.

30

3.3.2.2. Núcleos ensayados Núcleo nº 5 Después de estar equilibrándose durante 42 días, a humedad relativa del 74,4 %. Se realizo un montaje para que durante el ensayo de compresión simple hubiese una atmósfera controlada a la misma humedad relativa que durante la fase de equilibrio (véase Figura 3.22). Con ello se consiguió que durante el ensayo la temperatura y la humedad no variasen significativamente, los valores de temperatura durante el ensayo varían 24,5 y 22 ºC y los de humedad relativa entre el 78 y el 74 %. Como se puede ver en la Figura 3.23.

Figura 3.22. Visión global del ensayo del núcleo 5.

0 400 800 1200 1600 2000Tiempo (min)

74

75

76

77

78

HR

(%)

0 400 800 1200 1600 2000Tiempo (min)

22

22.5

23

23.5

24

24.5

Tem

pera

tura

(ºC

)

Figura 3.23. Valores de temperatura y humedad relativa durante el ensayo del núcleo 5.

31

La descripción de las condiciones de carga –descarga del ensayo del núcleo 5, se muestra en la Tabla 3.11. Tabla 3.11. Condiciones de ensayo de la prensa en el núcleo 5.

Carga mínima Carga

máxima Nº ciclos Tasa de

deformación (kg) (kg) (mm/min)

1,649 500 5 0,1 50 1000 5 0,1 50 2000 5 0,1 50 3000 5 0,1 50 4000 5 0,1

Se midieron desplazamientos y cargas axiales de manera continua (véase, Figura 3.24).

0 400 800 1200 1600 2000Tiempo (min)

010002000300040005000

Car

ga a

xial

(Kg)

0 400 800 1200 1600 2000Tiempo (min)

-0.4-0.3-0.2-0.1

00.1

Des

plaz

amie

nto

verti

cal (

mm

)

Figura 3.24. Valores de carga y desplazamiento durante el ensayo del núcleo 5. Este ensayo como se puede ver en la Figura 3.24. Después de los ciclos de 2000 kg, para determinar si el núcleo daba presiones de hinchamiento se dejo unas 15 horas con una precarga de 50 kg. El núcleo no provocó presiones de hinchamiento. Una vez obtenidos los valores de carga y desplazamiento, se calcularon las deformaciones, se les corrigió el área y finalmente se calculó la tensión axial. De ello se obtuvo la Figura 3.25.

32

0 0.2 0.4 0.6 0.8deformación axial (%)

0

200

400

600

tens

ión

axia

l (K

g)

Figura 3.25. Gráfica tensión axial deformación para las 5 distintas cargas durante el ensayo del núcleo 5.

En la figura 3.25 es claro que existía un primer rango de tensiones relacionado con el acoplamiento del cabezal de carga a la muestra y el cierre de fisuras. En las distintas cargas el núcleo 5 fue entrando en la zona elástica (dónde la recta tensión-deformación se hacia muy lineal), la cual se dedujo que era a partir de una carga de 150 kg. Los resultados de los ciclos fueron analizados por partes y graficados, Figuras 3.26, 3.27, 3.28, 3.29 y 3.30.

(kg/

cm2 )

33

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5deformación (%)

0

20

40

60

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )

ciclos a 500 Kgcycle 5bcycle 5acycle 4bcycle 4acycle 3bcycle 3acycle 2bcycle 2acycle 1bcycle 1a

Figura 3.26. Gráfica tensión axial deformación del núcleo 5 para la carga axial de 500 kg donde a es la carga y b la descarga.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5deformación (%)

0

40

80

120

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )



34

0 0.2 0.4 0.6deformación (%)

0

100

200

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )



0 0.2 0.4 0.6 0.8deformación (%)

0

100

200

300

400

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )


Figura 3.29. Gráfica tensión axial deformación del núcleo 5 para la carga axial de 3000 kg donde a es la carga y b la descarga

35

0 0.2 0.4 0.6 0.8deformación (%)

0

200

400

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )


Figura 3.30. Gráfica tensión axial deformación del núcleo 5 para la carga axial de 4000 kg donde a es la carga y b la descarga. El cálculo del módulo elástico se hizo de dos formas distintas en el núcleo nº 5: - Con los valores de tensión acotados entre 25 y 90 kg/cm2 en todos los ciclos, separando por carga-descarga y por el valor de carga. Analizando los ciclos de 1000, 2000, 3000 y 4000 kg. - Con los valores entre 150 y 350 kg/cm2 en todos los ciclos, separando por carga-descarga y por el valor de carga. En estos valores de tensión sólo llegan los ciclos de 3000 y 4000 kg de carga axial aplicada. Los valores del módulo de Young fueron calculados con una recta de regresión lineal, cuya pendiente indica el modulo que se esta buscando. Los valores han sido comparados en las siguientes figuras 3.31 y 3.32.

cargas

700

800

900

1000

1100

E, m

ódul

o el

ástic

o

1

2

3

4

5

1

2

3 45

1

2 3

4 5

1

2 3

4 51

2

34

5

1 2

3 4

5

1 2 3

45

1

2

3

4

5

nucleo 5cargadescarga

1000 Kg 2000 Kg 3000 Kg 4000 Kg

cargas

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

E, m

ódul

o el

ástic

o

1

23 4 5 1

2

34 5


12 3 4 5 1 2

3 45

3000 Kg 4000 Kg

Figura 3.31. Comparación del módulo elástico en las distintas etapas de carga-descarga del núcleo nº 5 para un rango de tensiones entre 25 y 90 kg/cm2.


36

En el rango de 150 y 350 kg/cm2 el módulo tenía una tendencia al alza. La muestra visualmente no parecía estar dañada. Sólo la base con unas pequeñas cuñas posiblemente debidas a la desnivelación de las bases del núcleo con la carga.

37

Núcleo nº 6 Después de estar equilibrada durante 29 días, a humedad relativa del 92 %. Posteriormente se estuvo 22 días a HR de 92%. Se realizo un montaje distinto que en el ensayo de compresión simple anterior con una atmósfera controlada a humedad relativa del 92%, Muc prototype MK 0. Una vez montado el ensayo, adquiría la siguiente presencia, Figuras 3.33 y 3.34.

Figura 3.33. Muc Prototype Mk 0 con la muestra y el sistema de medida y circulación de aire montados.

Figura 3.34. Detalle del núcleo nº 6 en el Muc Prototype Mk 0 donde se ve el ajuste del núcleo con el equipo.

Con ello se consiguió que durante el ensayo la temperatura y la humedad variasen entre los valores de temperatura entre 23,75 y 22,2 ºC y los de humedad relativa entre el 91 y el 98 %. (Véase la Figura 3.35)

0 1000 2000 3000tiempo (min)

22

22.4

22.8

23.2

23.6

24

tem

pera

tura

(ºC

)

0 1000 2000 3000tiempo (min)

90

92

94

96

98

hum

edad

rela

tiva

(%)


38

La descripción de las condiciones de carga –descarga del ensayo del núcleo 6, se muestra en la tabla XX. Tabla 3.12. Condiciones de ensayo de la prensa en el núcleo 6.

Carga mínima Carga



50 1000 5 0,1 150 2000 5 0,1 150 3000 5 0,1 150 4000 5 0,1

Se midieron desplazamientos y cargas axiales de manera continua entre las cinco cargas (Figura 3.36).

0 1000 2000 3000tiempo (min)

0

1000

2000

3000

4000

5000

carg

a (K

g)

0 1000 2000 3000tiempo (min)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

desp

laza

mie

nto

(mm

)

Figura 3.36. Valores de carga y desplazamiento durante el ensayo del núcleo 6.

Este ensayo como se puede ver en la Figura 3.36, después de los ciclos de 1000 y de 3000 kg, para determinar si el núcleo daba presiones de hinchamiento se dejaron unas 17 horas con una precarga de 150 kg. El núcleo no provocó presiones de hinchamiento.

39

Una vez obtenidos los valores de carga y desplazamiento, se calcularon las deformaciones, se les corrigió el área y finalmente se calculó la tensión axial. De ello se obtuvo la figura 3.37.

0 0.2 0.4 0.6deformación (%)

0

100

200

300

400

500

tens

ión

axia

l (Kg

/cm

2 )

Figura 3.37. Gráfica tensión axial deformación del núcleo 6 para las 5 distintas cargas durante el ensayo.

En la figura 3.37 es claro que existía un primer rango de tensiones relacionado con el acoplamiento del cabezal de carga a la muestra y el cierre de fisuras. Pero este rango en este caso fue menor que en el núcleo 5 debido a que en el ensayo del núcleo nº 6 carga mínima en la descarga eran 150 kg y en el ensayo del núcleo nº 5 era 50 kg. En las distintas cargas el núcleo 6 fue entrando en la zona elástica (dónde la recta tensión-deformación se hacia muy lineal), la cual se dedujo que era a partir de una carga de 150 kg. Los resultados de los ciclos fueron analizados por partes y graficados, Figuras XX, XX, XX, XX y XX. Los resultados de los ciclos fueron analizados por partes y graficados, Figuras 3.38, 3.39, 3.40 y 3.41.

40

0 0.1 0.2 0.3deformación (%)

0

40

80

120

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )

carga a 1000 Kgcycle 5bcycle 5acycle 4bcycle 4acycle 3bcycle 3acycle 2bcycle 2acycle 1bcycle 1a


0.2 0.3 0.4deformación (%)

0

50

100

150

200

250

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )



41

0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5deformación (%)

0

100

200

300

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )



0.3 0.4 0.5 0.6deformación (%)

0

100

200

300

400

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )



42

El cálculo del módulo elástico se hizo de dos formas distintas: - Con los valores de tensión acotados entre 20 y 90 kg/cm2 en todos los ciclos, separando por carga-descarga y por el valor de carga. Analizando los ciclos de 1000, 2000, 3000 y 4000 kg. - Con los valores entre 150 y 300 kg/cm2 en todos los ciclos, separando por carga-descarga y por el valor de carga. En estos valores de tensión solo llegan los ciclos de 3000 y 4000 kg de carga axial aplicada. Los valores fueron calculados con una recta de regresión lineal, cuya pendiente indica el modulo que se esta buscando. Los valores han sido comparados en las siguientes Figuras 3.42 y 3.43.

cargas

600

700

800

900

1000

E, m

ódul

o el

ástic

o

1

2

34

5 1

2

3

45

1

23 4 5 1

2 3 4 5

1

23 4 5

12

3 45

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5


1000 Kg 2000 Kg 3000 Kg 4000 Kg

cargas

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

E, m

ódul

o el

ástic

o

1

23 4 5

1

2 3 4 5


1 2 3 4 5

1 2 3 4 5

3000 Kg 4000 Kg



Los valores de módulo elástico para los rangos de tensión 20 y 90 kg/cm2 presentan variabilidad, pero los módulos con menor carga aplicada son más altos. En el rango de 150 y 300 kg/cm2 se observa como los módulos decrecen en el último ciclo de cargas.

43

Núcleo nº 7 Después de estar equilibrada durante 29 días, a humedad relativa del 74,4 %. Después se estuvo 27 días a HR de 80%. Se realizo el mismo montaje que en el ensayo de compresión simple anterior con una atmósfera controlada a humedad relativa del 80%. Con ello se consiguió que durante el ensayo la temperatura y la humedad variasen entre los valores de temperatura entre 22,8 y 24,4 ºC y los de humedad relativa entre el 79,5 y el 84,3 %. Como se puede ver en la Figura 3.44.

0 400 800 1200 1600tiempo (min)

22.8

23.2

23.6

24

24.4

tem

pera

tura

(ºC

)

0 400 800 1200 1600tiempo (min)

79

80

81

82

83

84

85

hum

edad

rela

tiva

(%)


La descripción de las condiciones de carga –descarga del ensayo del núcleo 7, se muestra en la tabla 3.13. Tabla 3.13. Condiciones de ensayo de la prensa en el núcleo 7.

Carga mínima Carga



150 1000 5 0,1 150 2000 5 0,1 150 3000 5 0,1 150 4000 5 0,1 150 5000 1 0,1

44

Se midieron desplazamientos y cargas axiales de manera continua entre las cinco cargas (véase la Figura 3.45)

0 400 800 1200 1600tiempo (min)

0

0.1

0.2

0.3

desp

laza

mie

nto

(mm

)

0 400 800 1200 1600tiempo (min)

0

1000

2000

3000

4000

5000

carg

a ax

ial (

Kg)


Esta muestra al llegar a los 4700 kg de carga axial rompió de manera frágil (Figura 3.46). Para observar con mayor detenimiento el modo de fractura de la muestra, en la Figura 3.47 se muestran los fragmentos producidos.

Figura 3.46. Aspecto del núcleo 7 instantes después de la rotura en el interior de la cámara.

45

Figura 3.47. Núcleo 7 fallado, con un detalle del plano de falla producido. Una vez obtenidos los valores de carga y desplazamiento, se calcularon las deformaciones, se les corrigió el área y finalmente se calculó la tensión axial. De ello se obtuvo la siguiente Figura 3.48.

0 0.1 0.2 0.3 0.4deformación axial (%)

0

100

200

300

400

500

tens

ión

axia

l (Kg

/cm

2 )

Figura 3.48. Gráfica tensión axial deformación del núcleo 7 para las 5 distintas cargas durante el ensayo.

En la Figura 3.48 es claro que existía un primer rango de tensiones relacionado con el acoplamiento del cabezal de carga a la muestra y el cierre de fisuras. En las distintas cargas el núcleo 7 fue entrando en la zona elástica (dónde la recta tensión-deformación se hacia muy lineal), la cual se dedujo que era a partir de una carga de 150 kg. Los resultados de los ciclos fueron analizados por partes y graficados, Figuras 3.49, 3.50, 3.51, 3.52 y 3.53.

46

0.08 0.12 0.16deformación (%)

0

20

40

60

80

100

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )



0.12 0.16 0.2 0.24deformación (%)

0

40

80

120

160

200

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )



47

0.12 0.16 0.2 0.24 0.28deformación (%)

0

100

200

300

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )



0.1 0.15 0.2 0.25 0.3deformación (%)

0

100

200

300

400

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )



48

0.15 0.2 0.25 0.3 0.35deformación (%)

0

100

200

300

400

500

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )

Carga a 5000 Kgcycle 1a

Figura 3.53. Gráfica tensión axial deformación del núcleo 7 para la carga axial de 5000 kg donde a es la carga y b la descarga. El cálculo del módulo elástico se hizo de dos formas distintas de acuerdo: - Con los valores de tensión acotados entre 20 y 90 kg/cm2 en todos los ciclos, separando por carga-descarga y por el valor de carga. Analizando los ciclos de 1000, 2000, 3000 y 4000 kg. - Con los valores entre 150 y 300 kg/cm2 en todos los ciclos, separando por carga-descarga y por el valor de carga. En estos valores de tensión solo llegan los ciclos de 3000 y 4000 kg de carga axial aplicada. Los valores fueron calculados con una recta de regresión lineal, cuya pendiente indica el modulo que se esta buscando. Una vez obtenidos los valores de modulo, se graficaron en las figuras 3.54 y 3.55, en las cuales se pude observar su tendencia a crecer contra mas ciclos se le imponen, pero esto lo que nos está mostrando es que todavía no se ha cogido el rango lineal del todo, para las cargas aplicadas todavía se esta en la zona baja de la curva tensión deformación de este material.

49

cargas

1000

1200

1400

1600

1800

E, m

ódul

o el

ástic

o

1

2

34

5

1

23

4

51

2 34 5

1

2

34

5

1

1

23

4

5

12

3

4

51 2

3

4 5

1 2 3 4 5


1000 Kg 2000 Kg 3000 Kg 5000 Kg4000 Kg

cargas

2200

2300

2400

2500

2600

2700

2800

E, m

ódul

o el

ástic

o

1

23

4 5

1

23

4 51


1

2

3

4

5

12

34 5

3000 Kg 5000 Kg4000 Kg



Existe variabilidad de resultados de módulos, pero los módulos en el rango de tensiones 150 y 300 kg/cm2 se diferencia muy claramente los módulos de carga y los de descarga.

50

Núcleo nº 8 Después de estar equilibrada durante 29 días, a humedad relativa del 74,4 %. Después se estuvo 26 días a HR de 80%. Se realizo el mismo montaje que en el ensayo de compresión simple anterior con una atmósfera controlada a humedad relativa del 80%. Con ello se consiguió que durante el ensayo la temperatura y la humedad variasen entre los valores de temperatura entre 22,9 y 23,7 ºC y los de humedad relativa entre el 80,5 y el 84,5 %. Como se puede observar en la Figura 3.56.

0 100 200 300tiempo (min)

22.8

23

23.2

23.4

23.6

23.8

tem

pera

tura

(Cº)

0 100 200 300tiempo (min)

79

80

81

82

83

84

85

hum

itat r

elat

iva

(%)


La descripción de las condiciones de carga –descarga del ensayo del núcleo 8, se muestra en la Tabla 3.14. Tabla 3.14. Condiciones de ensayo de la prensa en el núcleo 8.

Carga mínima Carga



150 1000 5 0,25 150 2000 5 0,25 150 3000 5 0,25 150 4000 5 0,25

51

Se midieron desplazamientos y cargas axiales de manera continua entre las cinco cargas (véase la Figura 3.57).

0 100 200 300tiempo (min)

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

desp

laza

mie

nto

(mm

)

0 100 200 300tiempo (min)

0

1000

2000

3000

4000

5000

carg

a (K

g)


Una vez obtenidos los valores de carga y desplazamiento, se calcularon las deformaciones, se les corrigió el área y finalmente se calculó la tensión axial. De ello se obtuvo la siguiente Figura 3.58

0.1 0.2 0.3 0.4deformación (%)

0

100

200

300

400

tens

ión

verti

cal (

Kg/

cm2 )

52

Figura 3.58. Gráfica tensión axial deformación para las 5 distintas cargas durante el ensayo del núcleo 8. En la Figura 3.58 es claro que existía un primer rango de tensiones relacionado con el acoplamiento del cabezal de carga a la muestra y el cierre de fisuras. En las distintas cargas el núcleo 8 fue entrando en la zona elástica (dónde la recta tensión-deformación se hacia muy lineal), la cual se dedujo que era a partir de una carga de 150 kg. Los resultados de los ciclos fueron analizados por partes y graficados, Figuras 3.59, 3.60, 3.61 y 3.62.

0.12 0.16 0.2deformación (%)

0

20

40

60

80

100te

nsió

n ve

rtica

l (kg

/cm

2 )



53

0.12 0.16 0.2 0.24 0.28deformación (%)

0

40

80

120

160

200

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )


Figura 3.60. Gráfica tensión axial deformación del núcleo para la carga axial de 2000 kg donde a es la carga y b la descarga.

0.16 0.2 0.24 0.28 0.32deformación (%)

0

100

200

300

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )



54

0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4deformación (%)

0

100

200

300

400

tens

ión

verti

cal (

kg/c

m2 )


Figura 3.62. Gráfica tensión axial deformación del núcleo 8 para la carga axial de 4000 kg, donde a es la carga y b la descarga. El cálculo del módulo elástico se hizo de dos formas distintas: - Con los valores de tensión acotados entre 20 y 90 kg/cm2 en todos los ciclos, separando por carga-descarga y por el valor de carga. Analizando los ciclos de 1000, 2000, 3000 y 4000 kg. - Con los valores entre 150 y 300 kg/cm2 en todos los ciclos, separando por carga-descarga y por el valor de carga. En estos valores de tensión solo llegan los ciclos de 3000 y 4000 kg de carga axial aplicada. Los valores fueron calculados con una recta de regresión lineal, cuya pendiente indica el modulo que se esta buscando. Una vez obtenidos los valores de modulo, se graficaron en las Figuras 3.63 y 3.64, en las cuales se pude observar su tendencia a crecer contra mas ciclos se le imponen, pero esto lo que nos está mostrando es que todavía no se ha cogido el rango lineal del todo, para las cargas aplicadas todavía se esta en la zona baja de la curva tensión deformación de este material.

55

cargas

600

800

1000

1200

1400

E, m

ódul

o el

ástic

o

1

2

3 4 5 1

2 34 5 1

2 3 45 1

23

45

12

3 4 5

12 3 4 5

12 3 4

5

1

2

34 5


1000 Kg 2000 Kg 3000 Kg 4000 Kg

cargas

2200

2300

2400

2500

2600

2700

2800

E, m

ódul

o el

ástic

o

1

2 3

45

1

2

3

45


1 2

34

5

1

23

45

3000 Kg 4000 Kg



Los módulos elásticos van creciendo a mayor carga en el rango de tensiones 25 y 90 kg/cm2. En el otro rango los módulos son variables, pero presentan la misma característica que los del núcleo nº 7, los módulos de descarga son más elevados que los de carga.

56

Comparación de los módulos elásticos Para tener una idea de si dentro de la heterogeneidad del material ensayado habían valores de módulo elástico semejantes o iguales se graficaron los valores anteriormente expuestos en dos figuras, Figura 3.65 y Figura 3.66.

cargas

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

E, m

ódul

o el

ástic

o

núcleos5c5d6c6d7c7d8c8d

1000 Kg 2000 Kg 3000 Kg 4000 Kg

Figura 3.65. Comparación de los módulos elásticos en los núcleos, con las distintas etapas de carga-descarga para un rango de tensiones entre 25 y 90 kg/cm2. Donde c es carga y d descarga.

cargas

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

E, m

ódul

o el

ástic

o

núcleos5 c5 d6 c6 d7 c7 d8 c8 d

3000 Kg 4000 Kg

Figura 3.66. Comparación de los módulos elásticos en los núcleos, con las distintas etapas de carga-descarga para un rango de tensiones entre 150 y 350 kg/cm2. Donde c es carga y d descarga.

Solamente los valores obtenidos de las zonas elásticas (150 - 350 kg/cm2) son más continuos en cada núcleo, pero sin duda, los valores de módulo en los distintos núcleos son bastante distintos. Puntualizar que el núcleo con menor módulo elástico fue el que rompió, también decir que los otros no se cargaron hasta 5000 kg.

57

3.4. Resultado de la degradación de los núcleos La degradación alcanzó unos excelentes resultados, dando valores de variación de peso y geometría notables. Para corroborar que la degradación fue la deseada se muestra a continuación una muestra alterada obtenida mediante sondeo de la parte más cercana a la solera del túnel, que era la más degrada encontrada por Alonso et al. (2004), véase la Figura 3.67.

Figura 3.67. Testigo de sondeo del Pk 441+880 (1m de profundidad respecto de la solera). Y se podrá comparar con los núcleos degradados en la tesina que se muestran en las Figuras 3.68, 3.69, 3.70 y 3.71.

Figura 3.68. Núcleo 5 degradado, 12/14/05. Figura 3.69. Núcleo 8 degradado, 12/14/05.

Actualmente seguía hinchando.

58

Los núcleos han variado de volumen y masa, pero aspecto exterior del núcleo también a variado, este ha sido envuelto por una patina blanca. Los resultados de la mineralogía de antes y después se encuentran en el apartado 4.

Figura 3.70. Núcleo 6 degradado, 12/14/05. Figura 3.71. Núcleo 6 degradado, 06/03/05. Los núcleos estaban tan degradados que ya no se les hubiera podido calcular ninguna resistencia que se pudiese equiparar a la de una roca.

59

3.4.1. Evolución de la masa en función de la HR aplicada Con los ambientes con humedad relativa controlada se obtuvo el propósito de equilibrar los núcleos para cada condición impuesta de HR. El equilibrado de los núcleos provocó en ellos perdidas y ganancias de agua en la matriz arcillosa. A continuación se muestran las variaciones de masa de cada núcleo por separado, Figuras 3.72, 3.73, 3.74 y 3.75.

0 30 60 90 120 150 180Tiempo (días)

141

142

143

144

145

Mas

a (g

)

Humedad relativa aplicada (HR %)

núcleo 5

HR 75% HR 14% HR 100%

0 30 60 90 120 150 180Tiempo (días)

170

171

172

173

174

175

176

Mas

a (g

)


núcleo 6

HR 75% HR 92% HR 100%HR 14%

Figura 3.72. Gráfica del núcleo 5, Masa vs. Tiempo, según la HR aplicada.

Figura 3.73. Gráfica del núcleo 6, Masa vs. Tiempo, según la HR aplicada.

0 20 40 60Tiempo (días)

198

198.4

198.8

199.2

199.6

mas

a (g

)


núcleo 7

HR 75% HR 80%

0 30 60 90 120 150 180Tiempo (días)

240

241

242

243

244

mas

a (g

)


núcleo 8

HR 75% HR 80% HR 100%HR 14%

Figura 3.74. Gráfica del núcleo 7, Masa vs. Tiempo según la HR aplicada.

Figura 3.75. Gráfica del núcleo 8, Masa vs. Tiempo según la HR aplicada.

Las lecturas últimas de los núcleos pueden ser algo engañosas, ya que pudo haber pérdida de masa durante la manipulación, debido a lo frágil que era debido al proceso de degradación. En las etapas finales de degradación no se tomaron más medidas de masa, porque las muestras se habían fracturado demasiado. Los valores de variación de masa están directamente relacionados con los períodos de humedecimiento secado que se le han aplicado. Pero no se tiene una idea de ha variado de manera global, por esto se analiza la variación de masa relativa, en la Figura 3.76. Esto ayuda a definir que núcleo ha reaccionado más con los ciclos de humedecimiento secado. En este caso es el núcleo 6, este visualmente parecía el que tenía mayor contenido de matriz.

60

0 30 60 90 120 150 180

Tiempo (días)

-1

0

1

2

3

% v

aria

ción

de

mas

a

núcleo 5núcleo 6núcleo 7núcleo 8

Figura 3.76. Variación relativa de Masa de cada muestra en función del Tiempo.

3.4.2. Expansión de los núcleos Durante las distintas etapas de degradación realizadas a los núcleos (descritas anteriormente), se provocó que la roca durante todo el proceso se expandiera libremente, exceptuando el caso puntual durante la aplicación de los ciclos de carga y descarga. Los núcleos empezaron a verse hinchados a finales del 2005, por lo tanto unos 150 días después del inicio del programa de alteración. Resultando las siguientes variaciones geométricas en los núcleos, Tabla 3.15. Tabla 3.15. Variaciones geométricas de los núcleos durante el proceso de degradación.

Eje a Eje b Altura Area Volumen Eje a Eje b Altura Area Volumen Area (%) Altura (%)

5 a 37.0 34.0 9.9 65.2 24.405 b 33.0 32.0 8.3 54.7 4.435 c 32.0 32.0 8.0 53.1 1.26

6 a 54.0 40.0 17.0 132.3 86.856 b 43.0 36.0 12.2 94.8 33.916 c 43.0 36.0 12.2 94.8 33.91

8 a 38.3 38.3 11.5 89.3 2.128 b 38.5 38.5 11.6 90.2 3.198 c 39.0 39.0 11.9 92.6 5.89

NÚCLEO Dimensiones Iniciales

34 34 68 9.1 61.7

Dimensiones Finales Incrementos

31.8 31.8 64 7.9 50.8 66 3.1

(1) a,b y c: corresponden a los extremos superior (a), inferior (c), y mitad (b) del cilindro.

(3) medidas: ejes y alturas mm, areas cm^2 y volumenes cm^3.

(2) los valores de areas se han hecho suponiendo que eran secciones elipticas (a*b*pi).

85.7 77.5 2.037.9 37.9 76 11.3

78 14.7

La magnitud de la expansión es anisótropa según en el sitio donde se mida (a, b o c), esto esta relacionado con la heterogeneidad de la roca, pero en concreto a dos condiciones: (i) Las zonas poco expandidas corresponden a zonas como mayor proporción de anhidrita, y las más expandidas a las con mayor proporción de matriz. (ii) La expansión sigue unos planos, que podrían ser los que se encontraron en distintas muestras del túnel de Lilla o bien los provocados por el ensayo de compresión simple.

61

La expansión volumétrica de los distintos núcleos se muestra en la Figura 3.77.

0

20

40

60

80

100

Incr

emen

to v

olum

en %

núcleo 5núcleo 6núcleo 8

Zona superior Zona media Zona inferiorNúcleo

Figura 3.77. Incrementos de volumen en las distintas zonas de cada núcleo.

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