pRoptEDADES

ilrolce y ruecmcAs

UNIDAD II..

DE LAS RocAS

1t',,t / -t

PRUEBAS DE LABORATORIO Y CAMPO

2.I.. PRUEBAS DE LABORATORIO PARA DETERMINAR LAS PROPIEDAOES

ruOCC

con fines geotcnicos. Estas propiedades, denomnadas propiedades ndice, sern las que -mineralgica determine en primera instancia, junto con la composicin y la fbric", irsde todas ellas y los mtodos para su evaluacin.

Existen una serie de parmetros que se emplean para la identificacin y descripcin cuantitativa de las propiedades bsicas de las rocas y permiten, asl mismo, establecLr una primera clasificacin

propiedades y el comportamiento mecnico de la matriz rocosa. En la tabl2.1 s'e incluye una lista

Muchas de las propiedades ingenieriles de las rocas dependen de la estructura de las particulas minerales y de la forma en que estas estn unidas. Las iropiedades ndice o propiedades fsicas de las rocas se determinan en el laboratorio; las mas importantes a nivel de influencia en el cornportamiento mecnico son la porosidad, el peso especfico, la permeabilidad, la alterabilidad, la resistencia y la velocidad de propagacin de las ondas snicas.'Algunas de estas propiedades, adems de servir para su clasificacin, estn directamente relacionadas con las caracterfsticas resistentes y deformacionales de las rocas.

PROPIEDADESComposicin mineralgca Fbrca y textura Tamao de grano Color Propiedades de identificacin y clasificacinPorosidad (n) Peso especfico (v) Contenido de humedad Grado de alteracin (porcentaie de absorcin) Permeabilidad (coeficiente de permeabilidad. k) Durabilidad

METODOS DE DETERMINAClNDescripcin visual. Microscopa ptica y electrnica. Difraccin de rayos x

Tcnicas de laboratorio Ensavo de oermeabilidad Ensayo de alterabilidda Ensayo de compresin uniaxial Ensayo de carga puntual Martillo Schmidt Ensayo de tensin directa Ensayos de tensin ndirecta (Brasilea v Flexin) Medida de velocidad de ondas elsticas en laboratorio Ensayo de compresin triaxial Ensavo de corte directo Ensayo de compresin uniaxial Ensayo de velocidad snica

Alterabilidad Resistencia a la compresin simple Resistencia a la tensin Propiedades mecnicas

Velocidad de ondas snicas Vp y Vs Resistencia (parmetros c y g ) Deformabilidad ( mdulos de deformacin elstica estticos o dinmicos: E . v )

TABLA 2.1.- PROPIEDADES DE LA MATRIZ RocosA Y METoDoS pARA sU DETERMNAcIN

/

2.1.1.- POROSTDAD

'/r t, = !-' *1ggYm

Se llama porosidad de una roca al cociente que resulta de dividir su volumen de vaclos Vv, entre su volumen totalVm y se expresa en porcentaje:

su valorvara desde o.1 o/o en rocas de porosidad reducida hasta 20 7o en rocas muy porosas. En las primeras, la porosidad est constituida por fisuras alargadas de espesor muy pequeo producidas por esfuezos de origen trmico y/o tectnico. En las muy porosas existen oquedades menos alargadas y equidimensionales, que son conductos de disolucin en rocas sedimentarias oburbujas de gas atrapadas durante elenfriamento de las rocas gneas. La porosidad es correlacionable con el peso volumtrico, deformabilidad, resistencia y velocidad de las ondas slsmicas en rocas pertenecientes a la misma formacin litolgica. En la figura 2.1 se

presenta una correlacin entre porosidad, resistencia a la compresin simple y mdulo tangente inicial de dos formaciones de roca

caliza.

,

.

I

IF Id rc,t t

RglofOrtmF

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E. cn

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Pru tJ AEoilrorofroo

I

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rq.br poccnlojc

FIGURA

2.I

POROS]DAD DE FSURACIN N. VS. RESISTENCIA A LA COUPRESII.I SIMPLE RC Y MDULO DE

DEFORMABILIDAD.

--DETERMINACN DE LA POROSTDAD:

a)

Porosmetro de Farran y Thnoz:

depsito cilindrico C con dimensiones que permiten utilizarlo como portamuestras. El portamuestras C, debe quedar cenado hermticamente, Io que se puede lograr mediante uncm de longitud y con una llave R2, en su extremo superior. En el punto ms bajo del tubo de vidro se tiene una tercera rama provista de una llave R3, y unreceptculo mvil lleno de mercurio, H.

Este dispositivo (fi9.2.2 ) est constituido por un tubo de vidrio en forma de U. La rama derecha de este tubo, de 70 cm de largo, termina en una llave R1; la izquierda, de '10 cm de altura, tiene un

sistema de contacto de superficies speras engrasadas entre el portamuestras propiamente dicho y su tapa semiesfrica. Esta tapa va conectada a un tubo de seccn transversal conocida de 50

El procedimiento de medicin de la porosidad es

elsiguiente:

/'t'/

-Se introduce la muestra en el portamuestrasRz.

G y se abren las llaves Rr , Rz y Rg. el volumen H, se fija el nivel del mercurio inmediatamente debajo de las llaves R1 y -Desplazando

--Se cierra la llave R3

-Se cierran las llaves Rr y Rz. -Se desplaza el receptculo H hasta alcanzar el nivel inferior del portamuestras

C

el volumen H en su apoyo S. En estas condiciones, el aire contenido en la muestra se desprende y sube hasta ocupar cierto volumen cerca de la llave Rz. -Se abren las llaves Rr y Re y se desplaza H hasta que coincidan los niveles del mercurio en las dos ramas del tubo de vidrio. -Se mide el volumen del aire de la rama 2, que en estas condiciones est bajo la presin atmosfrica, y se tomar como elvolumen de vacfos, Vv. -La porosidad se calcula con la frmula dada. (Un minuto de permanencia de la muestra despus delquinto paso es suficiente).

! se deja descansar

I

;

: .t!.'

I

FlG. z.z ponsltrlrETRo DE FARRAN y rHENoz

b)

Mtodo de Walsh

Consiste en someter a un espcimen de roca a una presin hidrosttica, y obtener la grfica del cambio de volumen unitario contra presin (fig. 2.3). Prolongando la recta AB se intercepta el eje de las abscsas en un punto que representa la porosidad de flsuracin no de la roca. El mtodo de Walsh para obtener la porosidad de fisuracin se basa en el hecho de que, al someter a una muestra de roca a una presin hidrosttica, se inicia un cierre progresivo de fisuras hasta alcanzar el punto A. Al incrementar la presin, la roca no fisurada muestra el comportamiento elstico lineal representado por l recta AB.

l

v/; I

,'

l

ot= Es{uerzb hidrostitico AV= Cornbio de volumen Vi= Volmen iniciotI

,;L vlvFlc. 2.3 vennclu DEL voLuMEN DE LA MUEsTRA

rx rui.blH

e

u

pneslN ApLtcADA

c)

Porosidad absoluta

Permite conocer la cantidad total de poros y discontinuidades sin importar su origen y se puede calcular de manera indirecta mediante la siguiente expresin:

n=2.1.2.. DENSIDAD DE SLIDOS

vsI + w,Ss

La expresin anterior supone que la densidad de slidos es conocida. Dicha densidad se puede determinar moliendo la roca, y usando los procedimientos de mecnca de suelos. por otra parte, dado que una roca est formada de diferentes minerales, todos ellos de diferente densidad de slidos; la Ss de la roca puede conocerse si se conocen los porcentajes de los distintos minerales que constituyen la roca mediante el uso de microscopios o del anlisis petrogrfico de secciones delgadas. Asl pues, la densidad de slidos de la roca se puede calcular con el promedio pesado de las densidades de slidos de cada tipo de cristales con la siguiente expresin:

^s

=

f'=1

Ss,z,

Vm

=l

I

Donde:Ss, es la densidad de slidos delcomponente i. V,is el porcentaje decimaldelvolumen delcomponente

i.

En la tabla siguiente se presentan las densidades de slidos de mnerales comunes: MlNERAL HalitaSs

s/'t

YesoSerpentina Ortoclasa Calcedonia Cuarzo Plagioclasa Clorita e llita Calcita Muscovita Biotita

2.1-2.6 2.3 -2.4 2.3 -2.6 2.5 -2.6 2.6 -2.642.65 2.6 -2.8 2.6 - 3.0 2.70 2,7 - 3.0 2.8 - 3.1 2.8 - 3.1 2.9 - 3.0 3.2 - 3.6 3.2 - 3.6 4.3 - 4.6 4.4 - 5.2 4.9 - 5.27.4

DolomitaAnhidrita Piroxena Olivino Barita Magnetita Pirita GalenaTABLA 2.2 DENSTDAD oe

.

-7.6

suoos

DE MTNERALES

coMUNEs

2.1,3.. PESO ESPECFEO.El peso especlfico volumtrico yn",, de una muestra de roca con la humedad natural es el cociente del peso de la muestra, Wm, entre elvolumen de la muestra Vm. El peso volumtrico seco |6, s l cociente del peso seco de la muestra Ws, entre elvolumen de la muestra Vm. El procedimiento para obtener en laboratorio los pesos volumtricos natural y seco de una muestra de roca es el siguiente: - Se pesa la muestra con su humedad natural(se obtiene Wm) Se seca al horno durante 24 h a 105' C, se enfrla dentro de un recipiente hermtico y se pesa (se obtiene Ws) - Mediante la balanza (fig.2.4) se obtiene elvolumen de la muestra Vm de la manera siguiente: en el platillo izquierdo se coloca una tara igual al peso de la muestra, y abajo del derecho la muestra sumergida en un recipiente que contiene mercuro. En el platillo derecho, adems del peso propio de la rnuestra, se tiene el empuje ascendente que sufre la muestra (13.6 Vm) y el peso de taras conocidas Q para equilibrar la balanza. De este modo se puede establecer la ecuacin:

-

Wm=Wm+Q-13.6VmDe donde se obtiene elvalor de Vm.

b,/31

FIGURA 2.4.-ENSAYE PARA DETERMNAR EL VOLUMEN DE LA MUESTRA

-;1,

El peso volumtrico natural ser:a/

Wm

ymEl peso volumtrico seco ser:

/2.1.4.- CONTENIDO DE HUMEDAD.

-* ym

Ws

Al aumentar el contenido de agua de una muestra de roca, disminuye su resistencia a

la

compresin simple. La presencia del agua en las fisuras de la roca provoca la reduccin de la energa superficial de sus minerales, o sea, la cohesin de la roca disminuye por la simple presencia del agua en los poros; en consecuencia, al saturarse la muestra, su deformabilidad aumenta y su resistencia a la compresin simple disminuye. La reduccin de resistencia puede ser notoria, como en el caso de una cuarcita en la que se vari el contenido de .agua de 0.00-5% a 0.09% pasando del estado seco al saturado, su resistencia vari de 1900 Kg/cm2 SO0 Xglcm'.2.1.5).- ALTERABILIDAD, DURABLIDAD Y GRADO DE ALTERACTN. La durabilidad de las rocas es una propiedad de fundamental importancia en todas las aplicaciones

de las rocas. Los cambios en su composicin mineralgica o en la estructura producidos por la exfoliacin, hidratacin, disolucin, oxidacin, abrasin y otros procesos, en resumen se alteran yde ello se distinguen dos caractersticas de las rocas: su alteracin y su alterablidad.

El grado de alteracin de una roca es un parmetro con el que se trata de definir el estadopresente de la roca; la alterabilidad es la capacidad de una roc para alterarse en elfuturo, bajo las condiciones predominantes en el sitio; por tanto la durabilidad es lo contrario de alterabilidad.

La prueba fndice de alterabilidad-durabilidad fue diseada por Franklin y Chandra (1972). El aparato consiste en un tambor de 140 mm de dimetro y 100 mm de longtud con una malla de 2 mm formando paredes cilndricas.Se colocan aproximadamente 500 gr de roca rota en 10 pedazos, dentro del tambor; el tambor se pone a girar durante 10 minutos a 20 rpm para dar a la roca un bao de agua. Despus de estos 10 minutos de rotacin a velocidad baja, se calcula el porcentaje de roca retenida por la malla con respecto al peso seco inicial, este porcentaje se reporta como lndice de alterabilidad durabilidad.

()tro autor, Gamble, (1973) propuso que se realice un segundo ciclo tambin de 10 minutosdespus de secado el material.

Los valores del ndice de alterabilidad-durabilidad de las pizanas y lutitas probadas por Gamble variaron de 0 al 1A0 o/o. No est claro cual es la relacin entre la durabilidad y la edad geolgica pero si se sabe que la durabilidad crece linealmente con la densidad e inversamente co el contenido de agua natural. Basado en sus resultados Gamble propone una clasificacin segn la durabilidad y que se dan en la tabla 2.3 siguiente.% RETENIDO DESPUES DEL PRIMER C]CLO DE 1O MTNUTOS (% CON BASE EN PESOS SECOS)

//s

CLASIFICACIN DEL GRUPOII I

% RETENIDO DESPUES DEL SEGUNDO CICLO DE 1O MTNUTOS (% CON BASE ENPESOS SECOS)

Durabilidad muv alta Durabilidad alta Durabilidad medianamente alta Durabilidad mediana Durabilidad baia Durabilidad muv baia

>gg98-99 95-98 85-95 60-85

>9895-98 85-95 60-85 30-60