6.- Determinación de propiedades índices de los suelos

CAPÍTULO 3

Nivel del Líquido

Equipo para ensayos de durabilidad por desleimiento

MÉTODOS SUGERIDOS PARA LA DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD, POROSIDAD, DENSIDAD, ABSORCIÓN Y PROPIEDADES RELACIONADAS Y LAS PROPIEDADES ÍNDICE DE EXPANSIÓN Y DURABILIDAD POR DESLEIMIENTO

MÉTODOS SUGERIDOS PARA LA DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD, LA POROSIDAD, LA DENSIDAD, LA ABSORCIÓN, Y PROPIEDADES RELACIONADAS, Y LAS PROPIEDADES ÍNDICES DE EXPANSIÓN Y DURABILIDAD POR DESLEIMIENTO

MÉTODOS SUGERIDOS PARA LA DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD, POROSIDAD, DENSIDAD, ABSORCIÓN Y PROPIEDADES RELACIONADAS, Y LAS PROPIEDADES ÍNDICES DE EXPANSIÓN Y DURABILIDAD POR DESLEIMIENTO SUGGESTED METHODS FOR DETERMINING WATER CONTENT, POROSITY, DENSITY, ABSORPTION AND RELATED PROPERTIES AND SWELLING AND SLAKE-DURABILITY INDEX PROPERTIES1 INTRODUCCIÓN La determinación de las propiedades físicas de las rocas adquiere su importancia puesto que ellas explican en muy buena medida las características de resistencia, deformabilidad y permeabilidad, las cuales a su vez son importantes desde el punto de vista geotécnico ya que permiten determinar el grado de estabilidad de las obras construidas en o con estos materiales. Lo anterior explica las ingentes investigaciones que se adelantan a diario con la finalidad de correlacionar dichas propiedades físicas con las mecánicas, pues las primeras son más fáciles, rápidas y económicas de realizar, a más de poderse llevar a cabo en laboratorios bastante elementales y por personas no muy calificadas.

PARTE 1 MÉTODOS SUGERIDOS PARA LA DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD, POROSIDAD, DENSIDAD, ABSORCIÓN Y PROPIEDADES RELACIONADAS NOTAS PRELIMINARES 1 SIGNIFICADO MECÁNICO DE LA POROSIDAD Y LA DENSIDAD DE UNA ROCA La presencia de poros en la estructura de un material rocoso hace decrecer su resistencia e incrementar su deformabilidad. Una pequeña fracción de volumen de poros puede producir, entonces, un apreciable efecto mecánico. En las descripciones petrológicas frecuentemente se omite la información sobre la naturaleza porosa de los materiales rocosos, pero ésta se requiere si dichas 1

Preparado por J. A. Franklin (Canadá); U. W. Vogler (Sudáfrica); J. Szlavin y J. M. Edmond (Reino Unido); Z. T. Bienawski (Estados Unidos). Comité de Ensayos de Laboratorio. Documento No. 2. Primera Revisión Diciembre 1977.

Capítulo 3 59


descripciones van a utilizarse como una guía respecto al comportamiento mecánico. Las areniscas y las rocas carbonatadas, en particular, presentan un amplio rango de porosidades y, por tanto, de características mecánicas. Las rocas ígneas que han sufrido algún grado de metamorfismo exhiben también altos valores de porosidad. Por otro lado, puesto que la mayoría de las rocas están constituidas de minerales con densidades similares (densidad del esqueleto mineral o de las partículas sólidas), los valores de porosidad y densidad seca son altamente correlacionables: una roca de baja densidad es usualmente bastante porosa. A menudo es suficiente, entonces, determinar sólo la porosidad; no obstante, una descripción completa demanda conocer ambos parámetros: porosidad y densidad. Las técnicas al microscopio utilizadas para determinar el contenido volumétrico de partículas minerales, no suministran una estimación suficientemente precisa del contenido volumétrico de poros, razón por la cual se requiere de técnicas experimentales para el efecto. Sin embargo, el estudio al microscopio, la inmersión en mercurio y los ensayos de permeabilidad, pueden suministrar una valiosísima información suplementaria sobre la forma y el tamaño de los poros.

2 NATURALEZA DE LOS ESPECÍMENES DE ROCA Un muestreo representativo para cualquier ensayo, debería contener varios especímenes de roca (una muestra) cada uno de un orden de magnitud mayor que el mayor de los granos o que el tamaño de los poros. Las microfisuras de un tamaño similar al de un espécimen de roca causarán resultados erráticos, por lo que su presencia debe registrarse y, si es posible, incrementar o reducir el tamaño del espécimen a fin de incluir o excluir la influencia de tales fisuras. Los especímenes deben, en lo posible, ser grandes, a fin de minimizar la influencia de los errores experimentales. Para poder analizar especímenes de diferentes formas, existen métodos alternativos; la selección de uno de ellos debe basarse en la naturaleza de la roca a estudiar.

3 COMPONENTES DE LA ROCA Cuando se calculan propiedades físicas tales como la porosidad o la densidad, se utilizan los siguientes términos y símbolos para denotar los pesos, las masas y los volúmenes de los componentes de las rocas.

Granos (componente sólido del espécimen): masa (Ms) Agua en los poros: masa (Mw) Aire en los poros:

volumen (Vs)

Peso (W s)

volumen (Vw)

Peso (W w)

Capítulo 3 60


masa Ma (cero)

volumen (Va)

Peso (W a)

Volumen de poros (vacíos): VV = VW + Va Peso total del espécimen:

(cm³)

W = W S + WW

(g)

Masa total del espécimen: M = M S + MW

(g)

Volumen total del espécimen: V = VS + VV

(cm³)

Densidad del agua:

ρW (masa del agua por unidad de volumen)

Peso unitario del agua:

γ W (peso del agua por unidad de volumen)

4 DEFINICIONES, TERMINOLOGÍA Y UNIDADES RECOMENDADAS POR EL S.I. (SISTEMA INTERNACIONAL DE MEDIDAS) 4.1 Conceptos de densidad, gravedad específica y peso específico En el campo de la física, densidad significa masa por unidad de volumen. Sin embargo, en el dominio de la Mecánica de Rocas, el término densidad se utiliza como sinónimo de peso por unidad de volumen, para un sólido o un líquido; es decir, densidad es lo mismo que peso unitario, y en tal sentido se toma en este texto. •

Gravedad específica: es la relación del peso unitario del material sólido o líquido al peso unitario del agua destilada a 4ºC. Se expresa entonces con un número sin dimensiones que indica cuántas veces es el material más pesado que el agua.

•

El significado del término Peso Específico se toma por unos en el sentido de peso unitario; por otros, en el sentido de gravedad específica. Se prefiere por tanto, no utilizarlo, ya que los términos citados suplen las necesidades.

Con las anteriores aclaraciones se definen a continuación algunas relaciones entre pesos y volúmenes en la roca: Densidad de los sólidos, γs: es la relación del peso de sólidos al volumen de los Ws mismos, γ s = . Vs -

- Gravedad específica de los sólidos, G o Gs: es la relación del peso unitario de los sólidos, γs, al peso unitario del agua, γw (se entiende que destilada y a 4ºC; puesto que

Capítulo 3 61


sus variaciones con la temperatura son despreciables desde el punto de vista práctico, γw γs Ws = se toma como 1,0 gr/cm³), G = . γ w Vs x γ w - Densidad de la roca, γ: el término es ambiguo, ya que puede referirse tanto a la densidad húmeda como a la densidad seca.  Densidad húmeda de la roca, γh, γm o γt: es la relación del peso total de la masa de roca (sólidos más agua) a su volumen total (sólidos más poros), γ h =

W s + Ww . V

 Densidad seca de la roca, γd: es la relación del peso de los sólidos al volumen total de la masa de roca. Es importante recalcar que la densidad seca de la roca no es la densidad de la roca seca. Así, se puede hablar de la densidad seca de una roca húmeda o de una roca saturada. Se define como γ d =

Ws . V

 Densidad saturada, γsat: se llama así a la densidad húmeda de la roca saturada.  Densidad sumergida, γ’: se llama de esta manera al peso unitario neto de la roca sumergida, o sea el que se obtiene después de restar del peso total de la masa de roca, la fuerza hacia arriba debida al empuje, y dividir luego por el volumen total, así:

γ '=

(W s + Ww ) − V γ w V

=

W s + Ww V γ w − V V

El primero de los dos términos del miembro de la derecha es la densidad saturada, y el segundo, la densidad del agua, de manera que, en definitiva, γ ' = γ sat − γ w . 4.2 Relaciones volumétricas y gravimétricas. Las fases de una roca En el caso general, una masa de roca consta de una parte sólida, una líquida y una gaseosa, que en el lenguaje técnico son llamadas fases. De esta manera, se tiene que la fase sólida está constituida por materia mineral y orgánica; la fase líquida por agua en el caso general, aunque la roca contiene a veces aceite, y la fase gaseosa que es fundamentalmente aire, así puedan existir otros gases atrapados. Aunque el hielo es también sólido, cuando se presenta es considerado como una fase diferente de las tres anteriores. Lo corriente es, entonces, al considerar el volumen total de la masa de roca, que se separe en la mente, para operaciones matemáticas, en tres partes que son: -

Volumen de los sólidos Volumen del agua Volumen del aire Capítulo 3 62


Para la mecánica de rocas es de suma importancia establecer relaciones numéricas entre los volúmenes y los pesos de las distintas fases, lo que permite entrar a definir unas cuantas propiedades de la roca que deben ser tenidas en cuenta, como lo son la porosidad, las densidades, el contenido de agua y el grado de saturación. Estas proporciones numéricas se llaman relaciones volumétricas, cuando son de volumen a volumen y relaciones gravimétricas cuando son de peso a peso o de peso a volumen. 4.2.1

Definiciones

Para facilitar las definiciones sobre las relaciones volumétricas y gravimétricas en una roca, se representan en la Figura 3.1 las proporciones de volúmenes de las diferentes fases, adoptando un símbolo para cada volumen y cada peso. El esquema es llamado diagrama de fases. En cuanto a los símbolos, se han seleccionado los que tienen una aceptación internacional de mayor acogida. Se desea con dichos símbolos lograr un lenguaje universal que sea comprendido por las personas que se dediquen a la Mecánica de Rocas en cualquier parte del mundo; pero cabe anotar que se está en este campo todavía un poco lejos de la satisfacción de ese propósito.

0

Aire

Va Vv

Ww

Agua

Vv = Vw + Va

Vw

Wt

Vt

Vt = Vs + Vv = Vs + Vw + Va Wt = Ws + Ww

Ws

Sólidos

Vs

Figura 3.1 Diagrama de fases trifásico de una roca

donde Vt Vs Vv Vw Va Wt Ws Ww Wa

= volumen total de la masa de roca = volumen de los sólidos = volumen de los vacíos o volumen de poros = volumen del agua = volumen del aire = peso total de la masa de roca = peso de los sólidos = peso del agua = peso del aire (se desprecia) = 0

4.2.2

Relaciones Volumétricas

Capítulo 3 63


- Porosidad, n: es la relación, en porcentaje, del volumen de vacíos al volumen total. En Mecánica de Rocas, vacíos tiene el significado de espacios no ocupados por sólidos de ahí que sea sinónimo de poros; los vacíos pueden entonces estar completamente llenos de agua. - Relación de vacíos o Índice de poros, e: es la relación del volumen de vacíos al volumen de los sólidos. Se emplea tanto la relación de vacíos como la porosidad, sin que haya una ventaja notable en utilizar una u otra relación. Ambas miden la misma propiedad de la roca. La porosidad da una idea más inmediata de la proporción en que está el volumen de poros en la roca; de ahí una pequeña ventaja. La relación de vacíos tiene en cambio a su favor, que el denominador, que es el volumen de los sólidos, se conserva constante (desde el punto de vista práctico) al cambiar la densidad de una cantidad determinada de masa de roca. - Grado de saturación, Sr: es la relación, en porcentaje, del volumen del agua al volumen de poros. Si el agua llega a llenar por completo los poros, se dice que la roca está saturada (S = 100%). - Contenido de aire, ac: es la relación, en porcentaje, del volumen de aire al volumen de vacíos o poros. El contenido de aire más el grado de saturación, suman 100%. Se define como 4.2.3

ac =

Va x100% Vv

Relaciones Gravimétricas

- Contenido de humedad, ω: es la relación, en porcentaje, del peso del agua que contiene la roca al peso de los sólidos. Pero aquí surge un interrogante: cuál es el peso del agua en la roca? Si se toma una proporción de roca que se considera seca al aire y se introduce en una estufa a una temperatura acostumbrada para secar rocas, se nota que dicha porción ha perdido peso después de unas cuantas horas. Luego esa roca que se podía haber considerado completamente seca, no lo estaba desde el punto de vista de la Mecánica de Rocas. Por otra parte, si una roca que se ha secado al horno a la temperatura anotada se coloca a 200ºC (a manera de ejemplo) la pérdida de peso será mayor. A varios centeneras de grados se perderán algunas otras propiedades, después de haber perdido otro tipo de agua, que es la de constitución molecular de los minerales. Existe, pues, el agua en distintas formas en una roca. Una de ellas es la de agua gravitacional, que puede moverse libremente a través de la roca por acción de la gravedad. La humedad que tiene una roca secada al aire no es de este tipo: se debe a la humedad de la atmósfera y se llama agua higroscópica. Existe también en el interior de la roca agua ligada a la superficie de las partículas muy finas, retenida por fuerzas físicoquímicas, llamada adsorbida.

Capítulo 3 64


El estudio de las formas del agua de la roca no es tema del presente documento, la breve exposición que se ha hecho es sólo para dejar en claro que el concepto de roca seca es un concepto arbitrario. Así, se considera como tal aquélla que ha sido secada a la estufa, a una temperatura de 105º a 110ºC, hasta peso constante; es decir, hasta cuando no disminuya más de peso por pérdida de agua. Con los pequeños tamaños de muestras que se utilizan para la determinación del contenido de humedad, es suficiente dejar éstas en la estufa unas 24 horas para que se realice la desecación; si hay urgencia, puede reducirse el tiempo a 18 horas. Con esta temperatura de secado se considera que habrá recuperación de las propiedades que poseía la roca cuando estaba húmeda al volver ésta a absorber agua. Sin embargo, existen excepciones a esta regla. La Figura 3.2 ilustra dos diagramas de fases (bifásicos) de una roca saturada y una roca seca. Las propiedades físicas pertinentes a los métodos de ensayo que se describen a continuación, pueden definirse en términos de los componentes de la roca tal como se acaban de indicar. En función de la masa (M)

En función del peso (W)

Contenido de humedad o humedad natural:

 x 100 ω =  M W M S  

 x 100 ω =  WW WS  

(%)

Sr = VW  x 100  VV 

(%)

Grado de saturación:

Sr = VW  x 100  VV  Ww

Agua

Vw

Vv = Vw

Vv

Wt

Vt = Vs + Vv = Vs + Vw Vt

Ws

Sólidos

Vs

(a)

Capítulo 3 65

Wt = Ws + Ww


Aire

0

Va

Vv = Va

Vv

Vt = Vs + Vv = Vs + Va

Wt

Vt

Sólidos

Ws

Wt = Ws

Vs

(b) Figura 3.2 Diagramas de fases bifásicos para una roca saturada, (a) y una roca seca, (b)

Porosidad:

V n =  V  x 100  V

V n =  V  x 100  V

(%)

Relación de vacíos:

e = VV

e=

VS

VV

(tanto por uno)

VS

Densidad, densidad de la roca intacta o densidad total y peso unitario total:  M + MW   W + WW  ρ =M = S γt =W =  S ρ= γ   V  V g V V   

(kg/m³)

Densidad relativa o gravedad específica de la roca intacta y gravedad específica: W + Ww Gs = γ = s d=ρ (tanto por uno) γW ρW Vγ w Densidad seca de la roca intacta y peso unitario seco:

ρ d = MS

γ d = WS

V

(kg/m³)

V

Densidad relativa seca o gravedad específica seca de la roca intacta: W ρ γ Gs = d = s dd = d (tanto por uno) γ ρW W Vγ w Densidad saturada:

ρ sat =

( M S + VV ρ W ) V

γ sat =

(W S + VV γ W ) V

=

W s + Ww V

(kg/cm³)

Densidad relativa saturada o gravedad específica saturada:

d sat =

ρ sat

ρW

γ sat = γ sat

Densidad de granos o densidad de sólidos:

Capítulo 3 66

γW

(tanto por uno)


ρ S = MS

γ S = WS

VS

(kg/m³)

VS

Densidad relativa de sólidos (granos) o gravedad específica de sólidos (granos): Ws γ ρ GS = S = dS = S (tanto por uno) γ ρW W Vs γ w Peso unitario:

γ = ρg

(N/m3)

5 INTERDEPENDENCIA DE ECUACIONES Las propiedades físicas definidas en el numeral anterior se encuentran interrelacionadas, de tal forma que cualquier propiedad puede calcularse si se conocen las demás. Por facilidad, en este texto sólo se utilizan tres propiedades: el contenido de humedad (o humedad natural), la porosidad y la densidad seca de la roca. Las ecuaciones que se presentan a continuación pueden utilizarse para calcular cualquiera de las restantes propiedades a partir de estas tres. Mientras que la humedad natural, el grado de saturación y la porosidad se expresan usualmente en porcentajes, la relación de vacíos se define generalmente como tanto por uno o decimal. Las siguientes ecuaciones interdependientes se han deducido a partir de las anteriores:

Sr = e=

(100ωρd ) nρW

n 100 − n

ω   ρ = 1 + ρ d  100 

ρS =

(100 ρ d ) (100 − n )

(%)

Sr =

(si n se da en porcentaje)

e=

( ωγ d ) nγ W n 1− n

(kg/cm³)

γ = (1 + ω )γ d

(kg/cm³)

γS =

(γ d )

(1 − n )

(tanto por uno)

(tanto por uno)

(kg/cm³)

(kg/cm³)

A continuación se deducen otras fórmulas que son útiles para la mayor facilidad de solución de problemas en mecánica de rocas, en los que intervienen relaciones volumétricas y gravimétricas. Se debe advertir que para la más fácil escritura de las distintas igualdades, se omitirá la consideración de que las relaciones sean dadas en porcentaje, o no. Así por ejemplo, la

Capítulo 3 67


porosidad se escribirá tan sólo como n =

Ww . Ws

ω=

-

Vv , y el contenido de humedad como V

Deducción de n =

e 1+ e

Vv Vs V Vv e n= v = = = V V V s + Vv 1+ e 1+ v Vs -

Deducción de ω =

W w Vw γ w Vv S r e S r ωG = = = ∴ e= W s Vs G γ w Vs G G Sr

ω= -

e Sr G

Deducción de γ d =

γd =

Gγw 1+ e

W s Vs G γ w Gγw Gγw = = = V V Vs + Vv 1+ e 1+ v Vs

Una relación muy utilizada en cálculos, que se deduce de la anterior, es: e = G -

Deducción de γ h = γ d (1 + ω )

γh = -

W s + Ww W s + ω W s W s (1 + ω ) = γ d (1 + ω ) = = V V V

Deducción de γ h =

γ h = γ d (1 + ω ) = -

Gγw (1 + ω ) 1+ e

Gγ w (1 + ω ) 1+ e

Deducción de γ sat =

G+e γw 1+ e

Capítulo 3 68

γw −1 γd


γh =

Gγw (1 + ω ) 1+ e

Para roca saturada, e = De esta manera, γ h =

-

Deducción de γ ' =

γ ' = γ sat − γ w =

wG e se transforma en e = ωG o ω = Sr G

G γ w  e  (G + e) γ w 1+  = (1 + e )  G  1+ e G −1 γw 1+ e

(G + e ) γ − γ = γ w ( (G + e ) − (1 + e ) ) (1 + e ) w w ( 1 + e )



γ'=

(G − 1) γ (1 + e ) w

6 VALORES NUMÉRICOS MÁS FRECUENTES DE LAS RELACIONES ANTERIORES Vv x100% varía desde 0 (caso en que la roca no Vs + Vv tendría poros; todo sería materia sólida) hasta 100% (caso en que no habría sólidos; todo el espacio estaría ocupado por vacíos o poros). Es imposible, por supuesto, que se presente en la práctica cualquiera de estos dos casos. -

Porosidad, n: teóricamente n =

Vv varía desde 0 (caso en que la roca no Vs tendría poros) hasta ∞ (caso en que no habría sólidos). Ambos valores numéricos son imposibles en la práctica. -

Relación de vacíos, e: teóricamente e =

n , pueden calcularse las relaciones de vacíos correspondientes a 1− n diferentes porosidades. En casos extremos, la relación de vacíos puede tener valores tan bajos como 0,14 y valores tan altos como 12 ó 15. De la ecuación e =

Ww x100% , varía desde 0 (no hay agua; Ws caso de la roca seca a la estufa) hasta ∞ (caso ideal, en el cual no habría sólidos; todo el espacio estaría ocupado por agua). -

Contenido de humedad, ω: teóricamente ω =

Vw x100% varía desde 0 (roca seca a la Vv estufa) hasta 100% (roca saturada). En la práctica es posible encontrar toda esta gama de valores. La roca seca al aire tendrá algún valor de S r diferente de cero. -

Grado de saturación, Sr: teóricamente S r =

Capítulo 3 69


- Gravedad específica de los sólidos, G: la mayoría de los minerales constituyentes de las rocas tienen gravedades específicas de sus sólidos que están comprendidas dentro de una escala muy reducida de valores. De ahí que esta magnitud no sea de mayor importancia en lo que se refiere a identificación de rocas, las cuales tienen un valor para G generalmente comprendido entre 2,50 y 3,10. Pero sí interviene en muchos cálculos realizados en diversos problemas sobre la materia. La Tabla 3.1, indica las gravedades específicas de los minerales más comunes en rocas. Tabla 3.1 Gravedades específicas de los minerales más comunes en rocas y suelos Grupo Mineral Variedad G Sílice Cuarzo 2,65 Feldespatos Ortoclasa 2,57 Microclina 2,54 – 2,57 Plagioclasa 2,62 – 2,76 Micas Moscovita 2,76 – 3,10 Biotita 2,80 – 3,20 Ferromagnesianos Piroxeno: Augita 3,20 – 3,40 Anfíbol: Hornblenda 3,20 Olivino 3,27 – 3,37 Óxidos de hierro Limonita 3,60 – 4,00 Magnetita 5,18 Calcita Cristalina a terrosa 2,72 Dolomita Cristalina a terrosa 2,85 Minerales arcillosos Caolinita 2,60 – 2,65 Montmorillonita 2,50 DANA, H. Manual de mineralogía, 1960.

- Densidad seca, γd: el valor máximo que puede adquirir la densidad seca de una roca está regido por la densidad de sus sólidos y por la limitación en la reducción de sus poros. La densidad seca es igual al peso de los sólidos dividido por el volumen total de la masa de roca, en tanto que la densidad de los sólidos es el mismo peso de los sólidos dividido por el volumen de éstos. Como se ha visto, la gravedad específica de los sólidos para las rocas comunes está comprendida más o menos entre 2,50 y 3,10 g/cm³. Dado que el de 2,65 g/cm³ es un valor corriente, el mismo viene a constituir un límite teórico para el máximo de la densidad seca en gran número de rocas.

7 DETERMINACIÓN DE LA MASA DE SÓLIDOS, Ms (PESO DE SÓLIDOS, W s) La masa de los sólidos, Ms, de un espécimen, se define como su masa de equilibrio después de haber sido secado al horno a una temperatura de 105°C. El horno debe estar ventilado y controlado termostáticamente y debe ser capaz de mantener una temperatura de 105°C con una precisión de ± 3° C, por un período no menor de 24 horas. El espécimen se considera seco al horno cuando la determinación sucesiva de su masa, a intervalos de 4 horas, arroje valores que no difieran en más del 0,1% de la masa. El espécimen no deberá absorber agua en el lapso transcurrido entre el secado y la determinación de su masa. Cuando sea necesario, el recipiente que lo contenga debe cubrirse con una tapa hermética y almacenarse en un desecador durante el enfriamiento.

Capítulo 3 70


8 DETERMINACIÓN DEL VOLUMEN TOTAL O BULK DEL ESPÉCIMEN, V 8.1 Método del calibrador: el volumen total de especímenes prismáticos o cilíndricos regulares, puede calcularse a partir de su medición con un vernier o un calibrador micrométrico. Un promedio de varias lecturas por cada dimensión, con una exactitud de 0,1 mm, asegurará el cálculo correcto del volumen. 8.2 Método de la flotación: el volumen total de especímenes regulares o irregulares puede calcularse utilizando el principio de Arquímedes, a partir de la diferencia entre sus pesos en las condiciones saturado y seco superficialmente y saturado - sumergido. Este método no es recomendabe para rocas friables, expansivas o deleznables. El espécimen se satura por inmersión en agua bajo una presión de vacío inferior a los 800 Pa (6 torr) durante un período mínimo de una hora con agitación periódica a fin de remover el aire atrapado. Posteriormente, sumergido, se transfiere a una canastilla en un baño de inmersión. Se determina su masa saturada - sumergida, Msum, con una precisión de 0,1 g a partir de la diferencia entre la masa saturada - sumergida de la canastilla más el espécimen y la de la canastilla sola. Luego éste se retira del baño de inmersión y se seca superficialmente con un paño húmedo teniendo cuidado de remover sólo el agua superficial y asegurando que no se pierda ningún fragmento de roca; se determina así su masa saturada y seca superficialmente, Msat , con una precisión de 0,1 g. El volumen total del espécimen se calcula mediante la expresión:

V =

M sat − M sum ρW

V=

W sat − W sum γW

(cm³)

8.3 Método del desplazamiento de mercurio: El espécimen se sumerge en mercurio y se determina su volumen a partir del volumen del fluido desplazado. La elevada tensión superficial del mercurio impide que éste penetre en los pequeños poros mas no en los grandes poros de la roca. Para este propósito puede incorporarse al equipo un tubo de ensayo calibrado, o puede medirse el desplazamiento utilizando la técnica del tornillo micrométrico de lectura mediante comparador eléctrico; alternativamente puede emplearse otra técnica en donde el volumen del mercurio desplazado se obtenga tras la determinación de su masa. El equipo debe arrojar resultados dentro de una precisión del 0,5% del volumen total del espécimen y debe calibrarse periódicamente utilizando una esfera o cilindro patrón. 8.4 Método del desplazamiento de agua: el volumen total de un espécimen saturado y seco superficialmente se puede determinar mediante el desplazamiento de agua utilizando una técnica similar a la del desplazamiento de mercurio. Alternativamente, el espécimen seco o parcialmente seco puede protegerse con cera o plástico a fin de determinar su volumen total a partir del volumen de agua desplazado por el espécimen cubierto, corregido por el volumen del material de protección. El método requiere de la determinación exacta del volumen de este material y se adapta mejor a especímenes grandes en los casos en los que se hacen impracticables otros métodos.

9 DETERMINACIÓN DEL VOLUMEN DE POROS (VOLUMEN DE VACÍOS), VV

Capítulo 3 71


9.1 Método de la saturación: el volumen de poros de un espécimen de roca se puede determinar a partir de la diferencia entre las masas saturada y seca superficialmente y la de la masa seca al horno. El espécimen se satura por inmersión sometida a vacío y se determina su masa saturada y seca superficialmente, Msat. Posteriormente se seca al horno a fin de determinar la masa de sólidos, Ms. El volumen de poros, V v, se calcula como:

VV =

M sat − M S ρW

VV =

W sat − W S γW

(cm³)

9.2 Método de Washburn - Bunting: (Washburn y Bunting, 1922) un espécimen de roca se seca al horno y luego se sumerge a presión en mercurio. Esta presión se reduce gradualmente de tal manera que el aire contenido en los poros se expanda y se libere de la roca para ser atrapado encima de la columna de mercurio. El volumen de aire en los poros, VV, se mide directamente en un tubo calibrado después que se ha igualado su presión con la presión atmosférica. El método es rápido pero es más conveniente para rocas altamente porosas.

10 DETERMINACIÓN DEL VOLUMEN DE SÓLIDOS, VS 10.1 Método de la Ley de Boyle: inicialmente se deben determinar las relaciones entre presión y volumen para un recipiente con gas solamente y para el mismo recipiente con gas y un espécimen de roca. La diferencia en la compresibilidad se debe al volumen de los sólidos incompresibles, V S; este último volumen puede calcularse a partir de los resultados obtenidos. Un tipo de porosímetro de una sola celda, fundamentado en la ley de Boyle, emplea una bomba de mercurio graduada para medir el desplazamiento del volumen, conjuntamente con un manómetro Bourdon para medir el cambio de presión. Las técnicas de las celdas dobles fundamentadas en la ley de Boyle, emplean el principio del equilibrio de las presiones entre dos recipientes a diferentes presiones iniciales. 10.2 Método de la pulverización: después de la determinación del volumen total y de la masa de sólidos, el espécimen seco al horno se pulveriza y se determina su volumen de sólidos mediante el desplazamiento de un volumen equivalente de líquido (por ejemplo, tolueno) en un frasco volumétrico. La porosidad calculada a partir del volumen total y el volumen de sólidos utilizando el método de la pulverización, se conoce como la porosidad total, ya que el volumen de poros obtenido incluye el de los poros aislados. Otras técnicas determinan la porosidad efectiva ya que miden solamente el volumen de poros interconectados.

I. MÉTODO SUGERIDO PARA LA DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD EN UNA MUESTRA DE ROCA 1 OBJETIVO

Capítulo 3 72


Este ensayo está encaminado a medir la masa de agua presente en una muestra de roca, con relación a su masa seca al horno.

2 EQUIPO 2.1 Un horno capaz de mantener una temperatura de 105°C con una variación de ± 3°C durante un período mínimo de 24 horas. 2.2 Un recipiente fabricado de material no corrosivo que incluya una tapa hermética. 2.3 Un desecador para conservar los recipientes (con la muestra) durante el enfriamiento. 2.4 Una balanza de capacidad adecuada, capaz de determinar la masa de la muestra con una precisión de 0,01%.

3 PROCEDIMIENTO 3.1 Limpiar y secar tanto el recipiente como su tapa; luego, determinar la masa del conjunto, A. 3.2 Seleccionar una muestra representativa conformada como mínimo por 10 especímenes de roca, cada uno con una masa mínima de 50 g y una dimensión mínima de 10 veces el máximo tamaño de grano; se decide por aquella condición que mejor se cumpla. Para la determinación del contenido de humedad in-situ, deben tomarse las precauciones para que en el muestreo, almacenamiento y manipulación, el contenido de humedad permanezca dentro del 1% del valor in-situ. 3.3 Colocar la muestra en el recipiente, el cual se tapa de nuevo, y determinar la masa, B, de la muestra con su humedad natural más el recipiente. 3.4 Retirar la tapa y secar la muestra a una temperatura de 105°C hasta obtener masa constante. 3.5 Tapar el recipiente y permitir que éste y la muestra se enfríen en el desecador durante 30 min. Finalmente determinar la masa, C, de la muestra más el recipiente.

4 CÁLCULOS La humedad se calcula de la siguiente manera:

ω=

masa del agua en los poros, M W x 100 % B −C = x 100% masa de los granos, M S C−A

5 REGISTRO DE RESULTADOS

Capítulo 3 73


El informe debe incluir los siguientes datos: Indicar el contenido de humedad con una precisión del 0,1% expresando si corresponde a la humedad in - situ, caso en el cual deben especificarse las precauciones que se tuvieron a fin de retener el agua durante el muestreo y almacenamiento.

6 ANÁLISIS DE RESULTADOS Puesto que las humedades en las rocas son dependientes del agua contenida en los poros y éstos son función del proceso genético, es de concluir que el contenido de agua en un espécimen de roca intacta es muy bajo. A modo de ejemplo se citan los siguientes valores hallados por el autor en algunos tipos de rocas colombianas: - Mineral de hierro (Acerías Paz de Río): - Caliza (Macizo Calcáreo de El Chocolatal):

3,03 – 6,75% 0,02 – 0,08%

II. MÉTODO SUGERIDO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA POROSIDAD Y LA DENSIDAD UTILIZANDO LAS TÉCNICAS DE LA SATURACIÓN Y EL CALIBRADOR 1 OBJETIVO Este método tiene como objetivo medir la porosidad, la densidad seca y las propiedades relacionadas, en un espécimen de roca de geometría regular. Este método se recomienda cuando los especímenes, de forma regular, se requieren para otros propósitos de ensayo. Debe utilizarse solamente en rocas coherentes, no friables, que puedan ser maquinadas y no se desintegren o expandan apreciablemente cuando estén sometidas a un secado en el horno o a una inmersión en agua.

2 EQUIPO 2.1 Un horno capaz de mantener una temperatura de 105°C con una variación de ± 3°C durante un período mínimo de 24 horas. 2.2 Un desecador para conservar los recipientes (con los especímenes) durante el enfriamiento.

Capítulo 3 74


2.3 Un instrumento de medición, tal como un vernier o un calibrador micrométrico, capaz de leer las dimensiones del espécimen con una precisión de 0,1 mm. 2.4 Un equipo de saturación al vacío, tal que los especímenes puedan sumergirse en agua bajo condiciones de vacío inferiores a los 800 Pa (6 torr) durante un período mínimo de una hora. 2.5 Una balanza de capacidad adecuada, capaz de determinar la masa de un espécimen con una precisión de 0,01%.

3 PROCEDIMIENTO 3.1 Cortar como mínimo tres especímenes provenientes de una muestra representativa del material, a fin de obtener un cilindro o un prisma rectos lo más exactos que sea posible. El menor tamaño de cada espécimen debe ser tal que su masa sea como mínimo 50 g (para una roca de densidad promedia, es suficiente con cubos de 27 mm de lado) y que su menor dimensión sea como mínimo 10 veces el tamaño máximo de grano; se selecciona la condición que mejor se cumpla. 3.2 Calcular el volumen total del espécimen a partir de un promedio de varias mediciones, con el calibrador, para cada dimensión. Cada lectura con el calibrador debe tener una precisión del orden de 0,1 mm. 3.3 Saturar los especímenes por inmersión en agua bajo una presión de vacío inferior a los 800 Pa (6 torr) con agitación periódica a fin de remover el aire atrapado por un período mínimo de una hora. 3.4 Sacar los especímenes y secarlos superficialmente utilizando un paño húmedo (absorbente) teniendo cuidado de remover sólo el agua superficial y asegurar que no se pierdan fragmentos; de esta forma se determina su masa saturada y seca superficialmente, Msat. 3.5 Secar los especímenes a una temperatura de 105°C, hasta obtener una masa constante, permitiendo su enfriamiento durante 30 min en el desecador y determinar luego su masa de sólidos, Ms. Los especímenes que se emplean para esta prueba, son generalmente lo suficientemente coherentes como para no requerir de recipientes; no obstante, estos recipientes deben utilizarse si la roca es de naturaleza friable o deleznable.

4 CÁLCULOS Volumen de vacíos: M − MS VV = sat

ρW

VV =

W sat − W S λW

Porosidad:

Capítulo 3 75

(cm³)


V n =  V  x 100  V

V n =  V  x 100  V

(%)

Densidad seca de la roca:

ρ d = MS

γ d = WS

V

V

(kg/m³)

5 REGISTRO DE RESULTADOS El informe debe incluir los siguientes datos: Indicar, como mínimo, los resultados individuales de 3 especímenes por tipo de roca, junto con los resultados promedios del muestreo. Reportar los valores de densidad con una precisión del orden de 10 kg/m 3 (0,01 g/cm3) y los valores de la porosidad, con una exactitud del 0,1%. El informe debe especificar que el volumen total se obtuvo por medición con el calibrador y que el volumen de poros se determinó mediante saturación en agua.

6 ANÁLISIS DE RESULTADOS Con la finalidad de disponer de un punto de comparación, se citan en la Tabla 3.2 algunos valores de porosidad y peso unitario seco de rocas americanas, citados por Jumikis, 1983. Tabla 3.2 Valores de peso unitario seco y porosidad para algunos tipos de rocas americanas (J.H. Griffith) Tipo de roca Gravedad específica Bulk Peso Unitario Seco, γd, T/m³ Porosidad, n, % Ígneas Basalto 2,21 - 2,77 2,21 - 2,78 0,22 - 22,06 Diabasa 2,82 - 2,95 2,82 - 2,96 0,17 - 1,00 Gabro 2,72 - 3,00 2,72 - 3,01 0,00 - 3,57 Granito 2,53 - 2,62 2,53 - 2,63 1,02 - 2,87 Sedimentarias Dolomita 2,67 - 2,72 2,67 - 2,72 0,27 - 4,10 Caliza 2,67 - 2,72 2,67 - 2,72 0,27 - 4,10 Arenisca 1,91 - 2,58 1,91 - 2,59 1,62 - 26,40 Lutita 2,00 - 2,40 2,00 - 2,41 20,00 - 50,00 Metamórfica Gneis 2,61 - 3,12 2,61 - 3,13 0,32 - 1,16 Mármol 2,51 - 2,86 2,51 - 2,87 0,65 - 0,81 Cuarcita 2,61 - 2,67 2,61 - 2,68 0,40 - 0,65 Esquisto 2,60 - 2,85 2,60 - 2,86 10,00 - 30,00 Pizarra 2,71 - 2,78 2,71 - 2,79 1,84 - 3,61

Finalmente, para una composición mineralógica comparable, existen buenas correlaciones entre la porosidad y las propiedades mecánicas, tal como lo cita C. Tourenq en la Tabla 3.3 y en la Figura 3.3.

Capítulo 3 76


Tabla 3.3 Relaciones entre la porosidad y la resistencia uniaxial de las rocas Porosidad, n% 0,5 3,0 6,0 10,0 16,0 23,0 30,0 Resistencia, MPa 190 130 95 75 40 25 14

III.

40,0 6

MÉTODO SUGERIDO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA POROSIDAD Y LA DENSIDAD UTILIZANDO LAS TÉCNICAS DE LA SATURACIÓN Y LA FLOTACIÓN

1 OBJETIVO Este ensayo tiene como objetivo medir la porosidad, la densidad seca y las propiedades relacionadas en una muestra de roca a granel, de geometría irregular; no obstante, también puede emplearse un espécimen de forma regular. Este método debe utilizarse solamente para rocas que no sufran una expansión o una desintegración apreciable cuando se secan al horno o se sumerjan en agua.

Resistencia a la compresión uniaxial, σ c, MPa

22 20 18 16 14 12 10 8 6 27

29

31

33

35

37

39

41

43

45

47

49

Porosidad, n, %

Figura 3.3 Relación porosidad vs. resistencia a la compresión simple (uniaxial)

2 EQUIPO 2.1 Un horno capaz de mantener una temperatura de 105°C con una variación de ± 3°C durante un período mínimo de 24 horas. 2.2 Un recipiente de material no corrosivo que incluya una tapa hermética.

Capítulo 3 77


2.3 Un desecador para conservar los recipientes (con la muestra) durante el enfriamiento. 2.4 Una balanza de capacidad adecuada capaz de determinar la masa de la muestra con una precisión de 0,01%. 2.5 Un equipo de saturación al vacío, tal que la muestra pueda sumergirse en agua bajo condiciones de vacío inferiores a los 800 Pa (6 torr) durante un período mínimo de una hora. 2.6 Un baño de inmersión y un cesto de alambre o recipiente perforado tal que la muestra sumergida en agua pueda ser libremente suspendida desde el estribo de la balanza, a fin de determinar su masa saturada-sumergida. El cesto debe estar suspendido de la balanza mediante una fina cuerda de tal modo que sólo la cuerda corte la superficie del agua en el baño de inmersión.

3 PROCEDIMIENTO 3.1 Seleccionar una muestra representativa a granel conformada como mínimo por 10 especímenes de roca cada uno de una masa mínima de 50 g o una dimensión mínima de 10 veces el máximo tamaño de grano; se decide por aquella condición que mejor se cumpla. La muestra debe ser lavada con agua a fin de remover el polvillo. 3.2 Saturar la muestra en agua mediante inmersión en un equipo al vacío a una presión no inferior a 800 Pa (6 torr), con agitación periódica a fin de remover el aire atrapado por un período mínimo de una hora. 3.3 Llevar luego la muestra sumergida a la canastilla en el baño de inmersión. Determinar la masa saturada - sumergida, Msum, con una precisión de 0,1 g a partir de la diferencia entre la masa saturada - sumergida de la canastilla más la muestra y la de la canastilla sola. 3.4 Lavar y secar el recipiente con su tapa y determinar su masa, A. 3.5 Remover la muestra de su baño de inmersión y secarla superficialmente con un paño húmedo teniendo cuidado de remover sólo el agua superficial y asegurando que no se pierda ningún fragmento de roca. Llevar la muestra al recipiente, colocarle la tapa y determinar su masa saturada - superficialmente seca más la masa del recipiente, B. 3.6 Retirar la tapa y secar la muestra a masa constante, a una temperatura de 105°C; finalmente colocar de nuevo la tapa y llevar la muestra por 30 min a un desecador a fin de que se enfríe. Medir la masa, C, de la muestra seca al horno más el recipiente más su tapa.

4 CÁLCULOS

Capítulo 3 78


Masa saturada y seca superficialmente: M sat = B − A Masa de sólidos:

(g)

MS = C − A

(g)

Volumen total: M − M sum V = sat

V=

Volumen de vacíos: M − MS VV = sat

VV =

ρW

ρW

W sat − W sum γW

(cm³)

W sat − W S λW

(cm³)

Porosidad:

n = VV  x 100  V

n = VV  x 100  V

(%)

Densidad seca:

ρ d = MS

γ d = WS

V

(kg/m³)

V

Cuando Se utiliza la técnica de la parafina para determinar el peso unitario de una muestra irregular se utiliza la siguiente relación:

γt = donde γt : γp : W1 : W2 : W3 :

peso peso peso peso peso

( W2 − W3 )

W1 , γ w − ( W2 − W1 ) γ p

g / cm 3

unitario total unitario de la parafina (0,9 g/cm³) del espécimen en el aire del espécimen parafinado del espécimen parafinado y sumergido

5 REGISTRO DE RESULTADOS El informe debe incluir los siguientes datos: Indicar los valores de porosidad y densidad seca para la muestra e igualmente especificar el volumen total obtenido por flotación y el volumen de poros obtenido por saturación en agua. Los valores de densidad deben reportarse con una precisión del orden de 10 kg/m3 (0,01 g/cm3) y los valores de porosidad, con una exactitud de 0,1%.

Capítulo 3 79


IV.

MÉTODO SUGERIDO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA POROSIDAD Y LA DENSIDAD UTILIZANDO LAS TÉCNICAS DE DESPLAZAMIENTO DE MERCURIO Y LA GRAVEDAD ESPECÍFICA DE LOS SÓLIDOS

1 OBJETIVO Este ensayo tiene como objetivo medir la porosidad, la densidad seca y las propiedades relacionadas en una muestra de roca en forma de especímenes o agregados de geometría irregular. El ensayo puede realizarse, también, en especímenes de roca de forma regular o en materiales rocosos coherentes, pero otras técnicas son usualmente más convenientes para estos casos. Es particularmente apropiado si el material rocoso es propenso a expandirse o desintegrarse al sumergirse en agua.

2 EQUIPO 2.1 Un horno capaz de mantener una temperatura de 105°C con una variación de ± 3°C durante un período mínimo de 24 horas. Debe tener ventilación forzada extractora. 2.2 Un recipiente fabricado de material no corrosivo que incluya una tapa hermética. 2.3 Un desecador para conservar los recipientes (con la muestra) durante el enfriamiento. 2.4 Una balanza de capacidad adecuada, capaz de determinar la masa de la muestra con una precisión de 0,001 g. 2.5 Un aparato de medición de volumen por desplazamiento de mercurio con una precisión de 0,5%. 2.6 Un equipo de pulverización para reducir la muestra a un polvillo de tamaño de grano inferior a las 150 µm. 2.7 Un frasco volumétrico calibrado y su respectivo tapón (muy conveniente si su capacidad es de 50 cm3). 2.8 Un baño de María a temperatura constante. 2.9 Una bomba capaz de mantener un vacío con una presión mínima de 800 Pa. 2.10 Un cepillo blando o un cabello de camello o de un material blando similar.

3 PROCEDIMIENTO 3.1 Seleccionar una muestra representativa conformada como mínimo de 10 especímenes de roca cuya forma y tamaño deben estar acordes con las capacidades de

Capítulo 3 80


los equipos de medición de volumen disponibles. No obstante, el tamaño mínimo de cada espécimen debe preferiblemente cumplir con que su masa mínima sea de 50 g o su dimensión menor sea como mínimo 10 veces el máximo tamaño de grano; la selección debe guiarse por aquella condición que mejor se cumpla. Rocas de carácter expansivo o fisible deben muestrearse y almacenarse de tal forma que retengan su humedad dentro del 1% de su valor in-situ. 3.2 Cepillar cada espécimen a fin de remover el material suelto y medir su volumen, V *,

mediante el método del desplazamiento de mercurio. El mercurio adherido a la muestra se remueve cuidadosamente asegurando no perder ningún fragmento de roca. 3.3 Limpiar y secar el recipiente con su tapa a fin de determinar su masa, A. 3.4 Colocar la muestra en el recipiente, taparla y determinar luego la masa, B, del recipiente más la muestra con su humedad natural. 3.5 Remover la tapa y permitir que la muestra seca al horno a masa constante y a una temperatura de 105°C, se enfríe durante 30 min en un desecador. Determinar entonces la masa, C, del recipiente con su tapa más la muestra seca al horno. 3.6 Repetir los pasos 3.2 a 3.5 para cada muestra del lote. 3.7 Triturar y moler todos los especímenes conjuntamente hasta obtener tamaños de grano inferiores a los 150 µm. Luego seleccionar y secar al horno un número de submuestras representativas de aproximadamente 15 g del material pulverizado. 3.8 Determinar con una precisión de 0,001 g la masa, D, de un frasco volumétrico limpio y seco con su tapa. 3.9 Echar en el frasco un fluido, tal como el tolueno, que no es reactivo con la roca, y llevarlo luego a la temperatura de equilibrio en el baño de María; el nivel del líquido se ajusta exactamente hasta los 50 cm 3. Se remueve el frasco, se tapa y se determina su masa, E, con una precisión de 0,001 g. 3.10 Vaciar el frasco, secarlo y echarle, con ayuda de un embudo, los 15 g de roca pulverizada de la submuestra seca, y determinar la masa, F, del frasco más la muestra y la tapa, con una precisión de 0,001 g. 3.11 Agitar el frasco y la submuestra por cerca de 20 min y añadir suficiente fluido a fin de humedecer completamente la muestra. Agregar luego más fluido y sacudir cuidadosamente el frasco a fin de remover el aire. Llevar de nuevo el frasco al baño de María y ajustar el nivel del líquido exactamente hasta los 50 cm 3. 3.12 Dejar enfriar el frasco tapado con su contenido a fin de determinar su masa, G, con una precisión de 0,001 g. 3.13 Repetir los pasos 3.10 a 3.12 para cada submuestra del material pulverizado.

*

N. de T. El volumen de toda la muestra es la sumatoria de los volúmenes de los especimenes individuales.

Capítulo 3 81


4 CÁLCULOS Humedad natural:

ω= Densidad de sólidos:

ρS =

B −C x 100 C−A

(%)

F −D G −F   VF 1 −  E −D 

(kg/cm³)

donde VF : Volumen calibrado del frasco, usualmente 50 cm3. Masa de sólidos:

MS = C − A

(g)

Densidad seca:

ρ d = MS

γ d = WS

V

Porosidad:

n=

ρS − ρd x 100 ρS

V

(kg/m³)

(%)

5 REGISTRO DE RESULTADOS El informe debe incluir los siguientes datos: 5.1 Indicar los valores de densidad seca individual para cada submuestra, junto con los valores promedio para la muestra. Los valores de porosidad para cada submuestra, deben reportarse igualmente junto con los valores promedio. 5.2 Especificar que el volumen total se obtuvo utilizando el método del desplazamiento de mercurio y que la porosidad se calculó a partir del volumen de sólidos determinado según la técnica de la pulverización. 5.3 Reportar la densidad o gravedad específica de los sólidos. El contenido de humedad con el cual se efectuó la medición del volumen total, debe indicarse igualmente, especificando si corresponde al contenido de humedad in - situ o no. 5.4 Reportar los valores de densidad con una precisión del orden de 10 kg/m 3 (0,01 g/cm3) y los valores de la porosidad, con una exactitud del 0,1%.

Capítulo 3 82


V.

MÉTODO SUGERIDO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA POROSIDAD Y LA DENSIDAD UTILIZANDO LAS TÉCNICAS DE DESPLAZAMIENTO DE MERCURIO Y LA LEY DE BOYLE

1 OBJETIVO Este ensayo tiene como objetivo medir la porosidad, la densidad seca y las propiedades relacionadas en un espécimen de roca. Para garantizar la precisión de los resultados, usualmente se requiere un espécimen de tamaño y forma determinados según el equipo. Este método debe utilizarse solamente en rocas que no se contraigan apreciablemente durante el secado al horno.

2 EQUIPO El procedimiento descrito a continuación, hace referencia a un ensayo utilizando un porosímetro de celda única tal como el del tipo Kobe, Figura 3.4, que sigue la ley de Boyle. Puede utilizarse, no obstante, cualquier celda similar de precisión equivalente. El equipo consiste esencialmente de: 2.1 Un horno capaz de mantener una temperatura de 105° C con una variación de ± 3°C por un período mínimo de 24 horas. 2.2 Un recipiente fabricado de material no corrosivo que incluya una tapa hermética. 2.3 Un desecador para conservar los recipientes durante el enfriamiento. 2.4 Una balanza de capacidad adecuada, capaz de determinar la masa de un espécimen con una precisión de 0,01%.

Capítulo 3 83


P1

P2 Dial de Presión

Entrada de gas

Salida de gas

Lector de la medida de mercurio

Núcleo de roca Mercurio

Escala micrométrica

Bomba de mercurio

Figura 3.4 Diagrama esquemático de un porosímetro

2.5 Un porosímetro que siga la ley de Boyle, tal como el Kobe, que tiene las características siguientes: 2.5.1 Una bomba de mercurio de pistón tipo tornillo con micrómetro graduado para medir el volumen del mercurio desplazado, con una precisión de 0,01 cm 3: un giro conveniente del tornillo hace cambiar el volumen de la cámara que contiene el espécimen, en 1 cm3. 2.5.2 Una cámara para el espécimen con un casquete removible para permitir la colocación de la muestra. 2.5.3 Un ojo de vidrio grabado con una línea de referencia, un indicador de contacto eléctrico u otro medio que registre las medidas del nivel de mercurio en el casquete. 2.5.4 Una entrada y salida de gas, cada uno con una válvula de cierre, así como también una fuente de gas inerte tal como el helio. También puede utilizarse el aire con alguna pérdida de precisión, pero debe estar adecuadamente seco. 2.5.5 Un indicador de presión o un transductor de presión con un rango de 100 a 400 kPa, conectado para medir la presión del gas en la cámara.

3 PROCEDIMIENTO

Capítulo 3 84


3.1 Seleccionar como mínimo 3 especímenes de una muestra representativa del material; cada espécimen se analiza separadamente a fin de obtener un resultado promedio para el muestreo. El tamaño y forma del espécimen debe permitir solamente un pequeño juego en la cámara para asegurar resultados correctos. La cámara es usualmente cilíndrica y acepta un núcleo de roca de tamaño patrón. El tamaño de cada espécimen debe ser preferiblemente tal que su masa sea como mínimo de 50 g o que sus dimensiones mínimas sean por lo menos 10 veces el tamaño máximo de grano; se selecciona aquella condición que mejor se cumpla. 3.2 Limpiar y secar el recipiente con su tapa a fin de determinar su masa, A. 3.3 Colocar el espécimen en el recipiente, secar a masa constante y a una temperatura de 105°C; colocar luego la tapa. Determinar la masa, B, del espécimen seco al horno más el recipiente con su tapa después de enfriarlo por 30 minutos en un desecador. 3.4 Uso del porosímetro El comienzo de cada ciclo de compresión o desplazamiento, constituye el punto de referencia y por tanto se lee en la bomba de mercurio. Al comienzo del ciclo de compresión se cierran las válvulas de entrada y salida de gas de tal forma que la presión inicial, P1, sea la atmosférica. La lectura de referencia, y la presión P 2 al cabo de un ciclo de compresión, se seleccionan usualmente como patrones para el aparato a fin de asegurar que la muestra flote todavía en el mercurio al final del ciclo, evitando de esta manera la saturación que pueda presentarse si los especímenes llegan a sumergirse intensamente. 3.5 Cerrar la válvula de entrada, para inundar la cámara con gas; abrir la válvula de salida y hacer avanzar la bomba hasta que el mercurio haya alcanzado el nivel de referencia. Cerrar luego parcialmente la válvula de salida, abrir la válvula de entrada y hacer descender la bomba más abajo del punto de referencia. Cerrar la válvula interior y luego la exterior. 3.6 A fin de determinar el factor de compresión, f dc, para la celda, se procede de la siguiente manera: inundar inicialmente con gas la cámara que contiene el espécimen, abrir la válvula de salida y hacer avanzar la bomba hasta el punto de referencia. Cerrar la válvula de salida manteniendo la cámara a presión atmosférica, P 1. Impulsar la bomba y tomar una lectura del micrómetro, C0, cuando la presión alcance el valor P2. Inundar de nuevo la cámara con gas, y con la válvula de salida abierta, impulsar la bomba hasta un nuevo punto de inicio 10 cm 3 más arriba del punto original. Cerrar la válvula exterior con la cámara a presión atmosférica P 1 e impulsar la bomba; tomar una nueva lectura del micrómetro, C1, cuando la presión alcance de nuevo el valor P 2. El factor de compresión se calcula mediante la expresión: f dc =

10 10 − (C 0 − C1 )

Capítulo 3 85


Este factor depende de la presión del medio ambiente y debe chequearse periódicamente. 3.7 Cada ensayo está constituido por una carrera de desplazamiento seguida por una carrera de compresión con la cámara vacía (una carrera en vacío), luego una carrera de desplazamiento seguida por una carrera de compresión con el espécimen en la cámara. El procedimiento es como sigue: 3.7.1 Impulsar la bomba hasta que el mercurio alcance el punto de referencia y registrar la lectura del micrómetro, R 1, con la válvula de entrada cerrada y la de salida abierta. 3.7.2 Inundar la cámara con gas, impulsar la bomba hasta el punto de partida y cerrar las válvulas con la cámara a presión atmosférica, P 1. Impulsar la bomba y registrar la lectura del micrómetro R2, cuando la presión alcance P2. 3.7.3 Traer el espécimen proveniente del desecador y colocarlo en la cámara. Inundar la cámara con gas y repetir el paso 3.7.1, registrando la carrera de desplazamiento del micrómetro como lectura R3, en la cual el mercurio alcanza el punto de referencia. 3.7.4 Repetir el paso 3.7.2, registrando la carrera de compresión del micrómetro como lectura R4, cuando la presión alcanza de nuevo P2.

4 CÁLCULOS Volumen total:

Volumen de sólidos:

Peso de sólidos:

BV = R 3 − R1

(cm³)

GV = C f (R 4 − R 2 )

(cm³)

GW = B − A

(g)

Porosidad:

 B − GV n =  V  BV

  x 100 

(%)

Densidad seca:

ρ d = GW

(kg/cm³)

BV

5 REGISTRO DE RESULTADOS El informe debe incluir los siguientes datos:

Capítulo 3 86


5.1 Indicar los valores de las densidades secas y las porosidades para cada espécimen de la muestra, junto con los valores promedios para ésta. 5.2 Especificar que el volumen total se obtuvo utilizando la técnica del desplazamiento de mercurio y que la porosidad se calculó a partir de la medición del volumen de los sólidos utilizando la técnica de la ley de Boyle. 5.3 Reportar los valores de densidad con una precisión del orden de 10 kg/m 3 (0,01 g/cm3) y los valores de la porosidad, con una exactitud de 0,1%.

VI.

MÉTODO SUGERIDO PARA LA DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE VACÍOS UTILIZANDO LA TÉCNICA DE LA ABSORCIÓN RÁPIDA

1 OBJETIVO Este ensayo tiene como objetivo medir el índice de vacíos definido como la masa de agua contenida en una muestra de roca, después de un período de una hora de inmersión, como un porcentaje de su masa inicial seca en el desecador. Este índice está correlacionado con la porosidad así como con propiedades tales como el grado de meteorización o alteración de la muestra. El ensayo está diseñado para requerir el equipo mínimo. Sin embargo, donde se dispone del equipo apropiado, la porosidad y la densidad del material rocoso deben determinarse directamente utilizando alguna de las técnicas anteriores. Este ensayo debe utilizarse solamente para rocas que no se desintegren apreciablemente cuando se sumergen en agua.

2 EQUIPO 2.1 Un recipiente de material no corrosivo, hermético al agua y de suficiente capacidad para mantener la muestra empaquetada en un gel de sílice deshidratada. 2.2 Una buena cantidad de gel de sílice deshidratada. 2.3 Una balanza de capacidad adecuada con una precisión de 0,5 g.

3 PROCEDIMIENTO 3.1 Seleccionar una muestra representativa compuesta como mínimo por 10 especímenes de roca. El tamaño de cada uno de ellos debe ser tal que su masa mínima sea de 50 g o que su dimensión mínima sea por lo menos 10 veces el máximo tamaño de grano; se selecciona aquella condición que mejor se cumpla.

Capítulo 3 87


3.2 Colocar la muestra en el recipiente, en una condición seca al aire, de tal forma que cada espécimen quede separado de su vecino y quede rodeado de cristales de gel de sílice deshidratada. El recipiente se deja conservar de esa manera por un período de 24 horas. 3.3 Vaciar el recipiente, remover la muestra, cepillar y depurar de material rocoso y cristales de gel de sílice desprendidos y determinar su masa, A, con una precisión de 0,5 g. 3.4 Colocar de nuevo la muestra en el recipiente y añadirle agua hasta que ésta quede completamente sumergida. Se agita el recipiente a fin de remover las burbujas de aire y se deja conservar por un período de una hora. 3.5 Remover la muestra y secar su superficie utilizando una toalla, cuidando de remover sólo el agua superficial y asegurando que no se pierdan fragmentos. Determinar la masa, B, de la muestra superficialmente seca con una precisión de 0,5 g.

4 CÁLCULOS El índice de vacíos se calcula de la siguiente manera: Índice de vacíos, I V =

B−A x 100 A

(%)

5 REGISTRO DE RESULTADOS El informe debe incluir los siguientes datos: 5.1 Reportar el índice de vacíos para la muestra con una precisión del 1%. 5.2 Especificar que el índice de vacíos se obtuvo como el contenido de humedad después del secado de la muestra seguido por un período de una hora de inmersión.

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Capítulo 3 88


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Capítulo 3 89


PARTE 2 MÉTODOS SUGERIDOS PARA LA DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES ÍNDICES DE EXPANSIÓN Y DURABILIDAD POR DESLEIMIENTO NOTAS PRELIMINARES 1 SIGNIFICADO MECÁNICO DE LOS DURABILIDAD POR DESLEIMIENTO

DATOS

DE

EXPANSIÓN

Y

Una abundante clase de materiales rocosos, particularmente aquéllos que contienen un alto porcentaje de arcilla, son propensos a expandirse, perder resistencia, ablandarse o desintegrarse cuando se exponen por un corto tiempo a los procesos de meteorización (desgaste o alteración por agentes atmosféricos) de naturaleza humedecimiento secado. Son necesarios, pues, ensayos especiales para predecir este aspecto de naturaleza mecánica; éstos son ensayos índice, es decir, deben utilizarse para clasificación y comparación del comportamiento de una roca con respecto a otra. El índice de deformación por expansión no debe, por ejemplo, tomarse como la deformación por expansión real que se desarrollaría in - situ, aún bajo condiciones similares de carga y contenido de agua. Estos ensayos simulan los procesos naturales de humedecimiento y secado. Otros tipos de ensayos son más convenientes para estimar la resistencia a los agentes meteorizantes tales como el ensayo al congelamiento, el de cristalización de las sales o el de desgaste.

2 NATURALEZA DEL ESPÉCIMEN DE ROCA En donde sea posible, deben estudiarse especímenes de roca intacta ya que la textura y microestructura de la roca tienen un efecto importante sobre las demás propiedades. En el caso de que la roca se encuentre demasiado fracturada o demasiado frágil para permitir la preparación de especímenes intactos, como es el caso usual en los materiales de relleno de diaclasas, los ensayos de expansión pueden realizarse sobre muestras remoldeadas. El remoldeo debe estar acorde con los procedimientos patrones para compactación de suelos y el método utilizado debe describirse cuando se reportan los resultados de los ensayos.

3 APLICACIÓN DE LOS ENSAYOS A ROCAS RESISTENTES Y DE BAJA RESISTENCIA

Capítulo 3 90


Estos ensayos se requieren frecuentemente para la clasificación o caracterización de materiales rocosos blandos, pero también pueden utilizarse para la caracterización de rocas más duras en donde las condiciones de la roca, su avanzado estado de meteorización, por ejemplo, indican que son apropiados. Las rocas que se desintegran durante los ensayos, deben caracterizarse adicionalmente empleando métodos de clasificación de suelos tales como la determinación de los límites líquido y plástico, la distribución granulométrica o el contenido y tipo de minerales arcillosos presentes. A fin de determinar la expansión de un espécimen de roca, pueden utilizarse los tres métodos que se describen a continuación.

I. MÉTODO SUGERIDO PARA LA DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE PRESIÓN DE EXPANSIÓN BAJO CONDICIONES DE VOLUMEN CONSTANTE 1 OBJETIVO Este ensayo tiene como objetivo medir la presión necesaria para mantener a volumen constante un espécimen de roca intacto sumergido en agua.

2 EQUIPO El equipo puede adaptarse a partir del utilizado para los ensayos de consolidación de suelos, y consiste esencialmente de: 2.1 Un anillo metálico pulido y lubricado (para restringir la deformación radial del espécimen y reducir la fricción lateral) de un espesor suficiente como mínimo para acomodar el espécimen cuando éste se encuentre completamente expandido. 2.2 Dos placas porosas para permitir el acceso de agua a la parte superior e inferior del espécimen; la superior de un diámetro tal que permita el libre desplazamiento en el anillo. Entre el espécimen y las placas, pueden insertarse papeles de filtro. 2.3 Una celda que permita el montaje del espécimen y que tenga capacidad para llenarse con agua hasta un nivel por encima de la placa porosa superior. Los rasgos principales de la celda y el montaje del espécimen se ilustran en la Figura 3.5. 2.4 Un calibrador de reloj micrométrico u otro dispositivo de lectura con precisión de 0,0025 mm que permita medir el desplazamiento por expansión en el eje central del espécimen. 2.5 Una máquina para medir cargas capaz de determinar, con una precisión del 1%, la carga requerida para resistir la expansión.

Capítulo 3 91

MÉTODOS SUGERIDOS PARA LA DETERMINACIÓN DEL CONTENIDO DE HUMEDAD, LA POROSIDAD, LA DENSIDAD, LA ABSORCIÓN, Y PROPIEDADES RELACIONADAS, Y LAS PROPIEDADES ÍNDICES DE EXPANSIÓN Y DURABILIDAD POR DESLEIMIENTO Placa Porosa

Espécimen

Placa Porosa

Figura 3.5 Montaje celda – espécimen para ensayos de expansión confinada

2.6 Una máquina de carga, tal como un gato hidráulico, capaz de ajustarse continuamente para mantener el espécimen a volumen constante a medida que se desarrolla la presión de expansión. La fuerza debe aplicarse a través de miembros rígidos y para asegurar que las placas porosas permanecen planas, debe utilizarse una rótula esférica que permita el movimiento de la placa porosa superior.

3 PREPARACIÓN DE LOS ESPECÍMENES 3.1 Para ensayar al contenido de humedad inicial natural, la preparación del espécimen debe ser tal que se retenga el contenido de agua dentro de un 1% de su valor in-situ. Deben prepararse especímenes por duplicado a partir de la misma muestra, de los cuales uno debe utilizarse para la determinación del contenido de humedad y el otro para el ensayo de expansión. 3.2 Para ensayar a un contenido de humedad inicial artificialmente controlado, el espécimen debe llevarse a masa de equilibrio en un ambiente de humedad constante. Deben prepararse igualmente especímenes por duplicado a partir de la misma muestra, de los cuales debe utilizarse uno para la determinación del contenido de humedad y el otro para el ensayo de expansión. 3.3 Para este ensayo, el espécimen debe ajustarse perfectamente a la geometría de un cilindro recto y debe tener un diámetro no menor de 2,5 veces su espesor, el cual deberá exceder en 15 mm o en 10 veces el diámetro máximo del grano; se selecciona aquella condición que mejor se cumpla. El espécimen debe quedar perfectamente ajustado dentro del anillo. 3.4 Para una correcta interpretación de los resultados, debe registrarse la inclinación de la estratificación o de la foliación con respecto al eje del espécimen.

4 PROCEDIMIENTO 4.1 Montar el equipo y aplicar luego al espécimen un pequeño esfuerzo axial, del orden de 10 kPa.

Capítulo 3 92


4.2 Inundar luego la celda con agua hasta cubrir la placa porosa superior y registrar la fuerza de expansión como una función del tiempo transcurrido. 4.3 Ajustar regularmente la fuerza aplicada a fin de mantener el espécimen bajo una expansión nula durante todo el ensayo. El espesor del espécimen debe mantenerse con una variación dentro de los 0,01 mm. 4.4 Continuar registrando la fuerza de expansión hasta alcanzar un nivel constante, o pasar por un pico.

5 CÁLCULOS El índice de presión de expansión se calcula de la siguiente manera:

Índice de presión de expansión = F

A

donde F : fuerza de expansión axial máxima registrada durante el ensayo. A : área de sección transversal del espécimen.

6 REGISTRO DE RESULTADOS Los resultados deben presentarse para un mínimo de tres especímenes por muestra. El informe debe incluir la siguiente información para cada espécimen. 6.1 Reportar el índice de presión de expansión. 6.2 Indicar el contenido de humedad inicial del espécimen, si éste corresponde al contenido de humedad natural, y, si así fuera, el método de almacenamiento antes del ensayo. 6.3 Especificar el diámetro y el espesor iniciales del espécimen, junto con la inclinación de la estratificación o foliación con respecto a su eje.

II. MÉTODO SUGERIDO PARA LA DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE DEFORMACIÓN POR LA EXPANSIÓN DESARROLLADA POR UN ESPÉCIMEN RADIALMENTE CONFINADO SOMETIDO A SOBRECARGA AXIAL

Capítulo 3 93


1 OBJETIVO Este ensayo tiene como objetivo medir la deformación axial por la expansión desarrollada cuando un espécimen de roca intacta sumergido en agua, y en una condición de confinamiento radial, se encuentra sometido a una presión axial constante o sobrecarga.

2 EQUIPO El equipo puede ser adaptado a partir del utilizado para los ensayos de consolidación de suelos y consiste esencialmente de: 2.1 Un anillo metálico pulido y lubricado (para restringir la deformación radial del espécimen y reducir la fricción lateral) de un espesor suficiente como mínimo para acomodar el espécimen cuando éste se encuentre completamente expandido. 2.2 Dos placas porosas para permitir el acceso de agua a la parte superior e inferior del espécimen; la superior de un diámetro tal que permita el libre desplazamiento en el anillo. Entre el espécimen y las placas, pueden insertarse papeles de filtro. 2.3 Una celda que permita el montaje del espécimen y que tenga capacidad para llenarse con agua hasta un nivel por encima de la placa porosa superior. Los rasgos principales de la celda y el montaje del espécimen se ilustraron en la figura 2.2. 2.4 Un calibrador de reloj micrométrico u otro dispositivo de lectura con precisión de 0,0025 mm que permita medir el desplazamiento por expansión en el eje central del espécimen. 2.5 Una máquina de carga, tal como un sistema de masa muerta o masa y brazo, capaz de aplicar una presión sostenida de 5 kPa al espécimen; esta presión debe mantenerse con una variación dentro del 1% a todo lo largo de la expansión del espécimen. La fuerza debe aplicarse a través de miembros rígidos y para asegurar que las placas porosas permanecen planas, debe utilizarse una rótula esférica que permita el movimiento de la placa porosa superior.

3 PREPARACIÓN DE LOS ESPECÍMENES 3.1 Para ensayar al contenido de humedad inicial natural, la preparación del espécimen debe ser tal que se retenga el contenido de agua dentro de un 1% de su valor in-situ. Deben prepararse especímenes por duplicado a partir de la misma muestra, de los cuales uno debe utilizarse para la determinación del contenido de humedad y el otro para el ensayo de expansión. 3.2 Para ensayar a un contenido de humedad inicial artificialmente controlado, el espécimen debe llevarse a masa de equilibrio en un ambiente de humedad constante. Deben prepararse especímenes por duplicado a partir de la misma muestra, de los cuales debe utilizarse uno para la determinación del contenido de humedad y el otro para el ensayo de expansión.

Capítulo 3 94


3.3 Para este ensayo, el espécimen debe ajustarse perfectamente a la geometría de un cilindro recto y debe tener un diámetro no menor de 4 veces su espesor, el cual deberá exceder en 15 mm o en 10 veces el diámetro máximo del grano; se selecciona aquella condición que mejor se cumpla. El espécimen debe quedar perfectamente ajustado dentro del anillo. 3.4 Para una correcta interpretación de los resultados, debe registrarse la inclinación de la estratificación o de la foliación con respecto al eje del espécimen.

4 PROCEDIMIENTO 4.1 Registrar con una precisión del 0,1%, el espesor inicial y el diámetro del espécimen. 4.2 Ensamblar el equipo y cargar el espécimen axialmente hasta una presión de sobrecarga de 3 kPa. 4.3 Inundar luego la celda con agua hasta cubrir la placa porosa superior y registrar el desplazamiento por expansión como una función del tiempo transcurrido. 4.4 Continuar registrando el desplazamiento por expansión hasta alcanzar un nivel constante, o pasar por un pico.

5 CÁLCULOS El índice de deformación por expansión confinada, se calcula de la siguiente manera: Índice de deformació n por expansión confinada =

d x 100 L

(%)

donde d : desplazamiento máximo por expansión registrado durante el ensayo. L : espesor inicial del espécimen.

6 REGISTRO DE RESULTADOS Los resultados deben presentarse para un mínimo de 3 especímenes por muestra. El reporte debe indicar claramente que el espécimen estuvo radialmente confinado durante el ensayo de expansión y debe incluir la siguiente información para cada uno de ellos: 6.1 Reportar el índice de deformación por expansión. 6.2 Indicar el contenido de humedad inicial del espécimen, si éste corresponde al contenido de humedad natural, y, si así fuera, el método de almacenamiento antes del ensayo.

Capítulo 3 95


6.3 Especificar el diámetro y el espesor iniciales del espécimen junto con la inclinación de la estratificación o la foliación con respecto a su eje.

III.

MÉTODO SUGERIDO PARA LA DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE DEFORMACIÓN POR LA EXPANSIÓN DESARROLLADA POR UN ESPÉCIMEN DE ROCA NO CONFINADO

1 OBJETIVO Este ensayo tiene como objetivo medir la deformación por la expansión desarrollada cuando un espécimen de roca intacto y no confinado se sumerge en agua. El ensayo debe aplicarse solamente a especímenes que no cambien apreciablemente su geometría durante el desleimiento: rocas más friables se ensayan mejor utilizando un ensayo de expansión confinado.

2 EQUIPO El equipo para este ensayo consta de: 2.1 Una celda para montar el espécimen con capacidad para ser llenada con agua hasta un nivel por encima de la parte superior de éste. Los rasgos principales de la celda y las características del montaje se ilustran en la Figura 3.6. 2.2 Un calibrador micrométrico de reloj u otro dispositivo de lectura con una precisión de 0,0025 mm, convenientemente montado para medir el desplazamiento por expansión sobre el eje central del espécimen. Pueden emplearse calibradores adicionales para medir simultáneamente los desplazamientos por expansión en direcciones ortogonales al primero. 2.3 Placas portantes de vidrio u otro material duro que puedan cementarse al espécimen con adhesivos estables al agua. Estas placas deben ser pequeñas comparadas con el área del espécimen expuesta al agua y deben colocarse en puntos de calibración y soporte de tal manera que prevengan la indentación del espécimen.

Capítulo 3 96


Figura 3.6 Montaje celda – espécimen para ensayos de expansión no confinada

3 PREPARACIÓN DE LOS ESPECÍMENES 3.1 Para ensayar al contenido de humedad inicial natural, la preparación del espécimen debe ser tal que se retenga el contenido de agua dentro de un 1% de su valor in-situ. Deben prepararse especímenes por duplicado a partir de la misma muestra, de los cuales uno debe utilizarse para la determinación del contenido de humedad y el otro para el ensayo de expansión. 3.2 Para ensayar a un contenido de humedad inicial artificialmente controlado, el espécimen debe llevarse a masa de equilibrio en un ambiente de humedad constante. Deben prepararse especímenes por duplicado a partir de la misma muestra, de los cuales uno debe utilizarse para la determinación del contenido de humedad y el otro para el ensayo de expansión. 3.3 Para este ensayo, el espécimen debe tener la forma de un cilindro recto o un prisma rectangular y su mínima dimensión deberá exceder en 15 mm o en 10 veces el diámetro máximo del grano; se selecciona la condición que mejor se cumpla. 3.4 Para una correcta interpretación de los resultados, el espécimen debe prepararse preferiblemente de tal forma que uno de sus ejes sea perpendicular a cualquier plano de estratificación o foliación. Debe registrarse la inclinación de las direcciones de medición de la expansión con respecto a su estratificación o foliación.

4 PROCEDIMIENTO 4.1 Señalar los puntos de calibración de tal forma que coincidan con el eje o ejes del espécimen. Sus dimensiones iniciales se miden entre dichos puntos de calibración con una precisión mayor al 0,1%. 4.2 Posicionar las placas portantes en cada punto de calibración y montar el equipo. El espécimen debe quedar soportado solamente sobre sus ejes, en los puntos de calibración.

Capítulo 3 97


4.3 Inundar la celda con agua hasta cubrir el espécimen y registrar el desplazamiento o desplazamientos por expansión como una función del tiempo transcurrido. 4.4 Continuar registrando el desplazamiento por expansión hasta alcanzar un nivel constante, o pasar por un pico.

5 CÁLCULOS El índice de deformación por expansión no confinada se calcula para cada dirección de medida, de la siguiente manera: Índice de deformació n por expansión no confinada en la dirección X =

d x 100 L

(%)

donde X : dirección respecto a la estratificación o foliación. d : desplazamiento máximo por expansión registrado durante el ensayo, en la dirección X. L : distancia inicial en la dirección X, entre los puntos de calibración.

6 REGISTRO DE RESULTADOS Los resultados deben presentarse para un mínimo de 3 especímenes por muestra. El reporte debe indicar claramente que el espécimen no estuvo radialmente confinado durante el ensayo de expansión, e incluir la siguiente información para cada espécimen: 6.1 Registrar los índices de deformación por expansión no confinada y sus direcciones con respecto a la estratificación o foliación. 6.2 Indicar el contenido de humedad inicial del espécimen, si éste corresponde al contenido natural de humedad, y, si así fuera, el método de almacenamiento antes del ensayo. 6.3 Especificar la forma y dimensiones iniciales del espécimen. 6.4 Describir cualquier deterioro visible durante el humedecimiento (desleimiento).

IV.

MÉTODO SUGERIDO PARA LA DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE DURABILIDAD POR DESLEIMIENTO

INTRODUCCIÓN

Capítulo 3 98


La desintegración de las rocas arcillosas (arcillolitas, lutitas, etc.) bajo ciclos alternos de secado y humedecimiento, es un fenómeno común, conocido con el nombre de desleimiento. Numerosos mecanismos se han propuesto para explicarlo: a. Ruptura por aire: al sumergir una muestra de roca seca, la parte externa se satura y atrapa aire en el interior de los vacíos; el aire atrapado produce esfuerzos en el esqueleto de la roca causando algunas zonas de falla, resultando como consecuencia el rompimiento de la roca. b. Expansión diferencial: en materiales con características expansivas, puede producirse el desprendimiento de escamas o fragmentos, como consecuencia de fallas por expansión en la zona externa que se satura al sumergir una muestra seca. c. Disolución de agentes cementantes: este fenómeno es especialmente importante en rocas sedimentarias en las que la litificación se alcanzó mediante un agente cementante (ejemplo, carbonato de calcio) Los mecanismos de desleimiento son complicados y difíciles de identificar en especial porque normalmente existe interacción entre ellos. Las rocas sedimentarias de grano fino (lutitas, arcillolitas, etc.) son muy abundantes en nuestro medio (formación cáqueza, por ejemplo). Aunque muchas de estas rocas se degradan fácilmente en los procesos de excavación, transporte y colocación, por su abundancia y localización se hace necesaria su utilización como material de construcción en rellenos y terraplenes compactados. Sin embargo, los ensayos convencionales para evaluar la calidad de agregados para carreteras resultan excesivamente rigurosos para estos materiales, no permitiendo su utilización. Por esta razón numerosos investigadores han desarrollado ensayos menos drásticos para evaluar la calidad de estos materiales. Estos ensayos se basan principalmente en observar el comportamiento del material bajo ciclos alternos de secado y humedecimiento. El ensayo de durabilidad por desleimiento fue desarrollado inicialmente en el “Imperial College de Londres” por Franklin y Chandra y otros investigadores (1970), con el objeto de procurar un método simple y relativamente rápido, para identificar las lutitas por sus características de desleimiento. Chandra define el concepto de durabilidad por desleimiento como “la capacidad de una roca de resistir cambios, desgastes o rupturas con el tiempo, cuando se la somete a la acción de desleimiento por el agua. Como se manifiesta en el rompimiento o desintegración en fragmentos más pequeños, es esencialmente un proceso físico…”. Chandra (1970), estableció el Índice de Durabilidad como el porcentaje (%) en peso seco retenido en el tambor después de 10 minutos; sobre este parámetro estableció las categorías de durabilidad que se indican en la Tabla 3.4. Tabla 3.4 Calificación del índice de durabilidad por desleimiento Índice Durabilidad (20 rev./min.) Término Descriptivo Clasificación 1 95 – 100 Durabilidad extremadamente alta Durabilidad muy alta 2 90 – 95 Durabilidad muy alta 3 75 – 90 Durabilidad alta Durabilidad alta 4 50 – 75 Durabilidad media Durabilidad media

Capítulo 3 99


5 6

25 – 50 0 – 25

Durabilidad baja Durabilidad muy baja

Durabilidad baja

Durabilidad muy alta: el número de fragmentos permanece prácticamente constante y no se observa ninguna esfericidad en ellos. Durabilidad alta: en este caso el número de fragmentos puede aumentar ligeramente y se observa alguna esfericidad en sus bordes. Durabilidad media: el número de fragmentos aumenta y se observa una buena esfericidad. Durabilidad baja: se aprecia bastante esfericidad con gran reducción en los tamaños de los fragmentos y una alta desintegración. Gamble (1971), modificó el ensayo desarrollando un segundo ciclo de desleimiento sobre el material retenido en el tambor, con el objeto de establecer condiciones más rigurosas para la clasificación de lutitas más durables y sugiere sistemas para predecir la durabilidad de las lutitas de acuerdo con los resultados obtenidos para el Índice de durabilidad, Id, a uno y dos ciclos.

1 OBJETIVO Este ensayo tiene como objetivo determinar la resistencia de una muestra de roca al ablandamiento y desintegración cuando se la somete a dos ciclos patrones de humedecimiento - secado.

2 EQUIPO El equipo consta esencialmente de: 2.1 Un cilindro o tambor de ensayo de longitud no obstruida de 100 mm y un diámetro de

140 mm, con una base fija sólida, fabricado con una malla patrón * de 2,0 mm. El tambor, provisto de una tapa sólida removible, debe soportar una temperatura de 105°C y debe ser lo suficientemente fuerte como para mantener su forma durante el ensayo; ni el exterior de la malla ni el interior del tambor, deben estar obstruidos, por ejemplo, por miembros reforzados. 2.2 Una artesa para contener el tambor de ensayo soportado en su eje horizontal de tal manera que permita la libre rotación y tenga la capacidad para ser llenado con un fluido de humedecimiento (tal como el agua) a un nivel de 20 mm por debajo de su eje. Se monta el tambor de tal forma que quede un espacio libre de 40 mm entre la artesa y la base de la malla. Los rasgos principales de la artesa y el tambor montado, se ilustran en la Figura 3.7.

*

Organización Internacional de estándares, R 565. Entramados y láminas perforadas para tamices de ensayo (1967).

Capítulo 3 100


140 mm

100 mm

40 mm

20 mm

Nivel del Lìquido

Figura 3.7 Dimensiones críticas de un equipo para ensayos de durabilidad por desleimiento

2.3 Un motor de impulso capaz de hacer rotar el tambor a una velocidad de 20 rpm; la velocidad debe mantenerse constante, con una variación dentro del 5%, por un período de 10 min. 2.4 Una estufa capaz de mantener una temperatura de 105°C con una variación de ± 3°C por un período mínimo de 12 horas. 2.5 Una balanza capaz de pesar el tambor más la muestra, con una precisión de 0,5 g.

3 PROCEDIMIENTO 3.1 Seleccionar una muestra representativa compuesta de 10 especímenes de roca, cada uno con una masa de 40 a 60 g, hasta obtener una masa total para la muestra entre 450 y 550 g. El tamaño máximo de grano en la roca no debe superar los 3 mm. Los especímenes de roca deben tener una forma aproximadamente esférica y las puntas deben redondearse durante su preparación. 3.2 Colocar la muestra en un tambor limpio y secar a masa constante a una temperatura de 105°C, usualmente requiriendo de 2 a 6 horas en el horno. Registrar la masa, A, de la muestra más el tambor. La muestra se analiza después del enfriamiento. 3.3 Colocar la tapa, montar el tambor en la artesa y acoplar el motor. 3.4 Llenar la artesa con un fluido de humedecimiento, usualmente agua corriente a una temperatura de 20°C, hasta un nivel de 20 mm por debajo del eje del tambor, y ponerlo a rotar 200 revoluciones durante un período de 10 min con una desviación de 0,5 min. 3.5 Retirar el tambor de la artesa, remover la tapa del tambor y llevar el conjunto tambor más la porción retenida de la muestra, a masa constante a 105°C. Registrar la masa, B, del tambor más la porción retenida de la muestra, después del enfriamiento.

Capítulo 3 101


3.6 Repetir los pasos 3.3 a 3.5 y registrar la masa, C, del tambor más la porción retenida de la muestra. 3.7 Cepillar completamente el tambor y registrar su masa, D.

4 CÁLCULOS El índice de durabilidad por desleimiento (segundo ciclo) se calcula como la relación en porcentaje de las masas secas de las muestras final a inicial, de la siguiente manera: Índice de durabilida d por desleimien to, Id 2 =

C −D x 100 A −D

(%)

5 REGISTRO DE RESULTADOS En el informe es necesario incluir los siguientes datos para cada muestra ensayada. 5.1 Registrar el índice de durabilidad por desleimiento (segundo ciclo) con una precisión de 0,1%. 5.2 Indicar la naturaleza y temperatura del fluido de humedecimiento: usualmente agua corriente a 20°C, pero por ejemplo puede especificarse agua destilada, agua de pozo natural, agua de mar, un ácido diluido o un agente dispersor. 5.3 Describir la apariencia de los fragmentos retenidos en el tambor. 5.4 Describir la apariencia del material que pasa a través del tambor.

6 ANÁLISIS DE RESULTADOS Con la finalidad de interpretar los resultados de un ensayo, se transcriben las Tablas 3.5 y 3.6, citadas por González de Vallejo en su texto de Ingeniería Geológica, 2002.

Tabla 3.5 Clasificación de durabilidad por desleimiento con base en el índice I d1 % peso retenido después de 1 ciclo Término Descriptivo Índice (1) (2) 1 > 95 Durabilidad extremadamente alta 2 > 99 90 - 95 Durabilidad muy alta 3 98 - 99 75 - 90 Durabilidad alta 4 95 - 98 Durabilidad media 5 85 - 95 50 - 75 Durabilidad baja 6 60 - 85 25 - 50 Durabilidad muy baja

Capítulo 3 102


7

< 60

< 25

Durabilidad extremadamente baja

(1) Gamble, 1971 (2) Frankling y Chandra, 1972

Tabla 3.6 Clasificación de durabilidad por desleimiento con base en el índice I d2 % peso retenido Índice Término Descriptivo después de 2 ciclos 1 > 98 Durabilidad extremadamente alta 2 95 - 98 Durabilidad muy alta 3 85 - 95 Durabilidad alta 4 60 - 85 Durabilidad media 5 30 - 60 Durabilidad baja 6 < 30 Durabilidad muy baja

7 NOTAS COMPLEMENTARIAS 7.1 El índice de durabilidad por desleimiento para un segundo ciclo calculado conforme al numeral 4, con agua corriente a 20°C, es el propuesto para uso en clasificación de rocas. Sin embargo, las muestras con índices de segundo ciclo desde 0 hasta 10%, deben caracterizarse mejor mediante sus índices de durabilidad por desleimiento de primer ciclo, de la siguiente manera: Índice de durabilidad por desleimien to, Id 1 =

B −D x 100 A −D

(%)

Los índices determinados a partir de 3 o más ciclos de humedecimiento y secado, pueden ser útiles cuando se evalúan rocas de mayor durabilidad, Figura 3.8. 7.2 Las rocas que arrojan bajos resultados de durabilidad por desleimiento, deben someterse a ensayos de clasificación de suelos, tales como determinación de los límites de Atterberg o análisis granulométrico por sedimentación. Para los casos en los que se requiera una caracterización más precisa, y particularmente para rocas arcillosas, se recomienda una clasificación que combine los índices de durabilidad por desleimiento y los índices de plasticidad, Figura 3.9.

Capítulo 3 103


Número de ciclos de desleimiento

6 5 4 3 2 1 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Durabilidad por desleimiento, % retenido

Leyenda • Lodolita ▲ Lutita arcillosa

∇ ○

3 muestras 1 muestra

Limolita Lutita

5 muestras 9 muestras

Figura 3.8 Influencia del número de ciclos de desleimiento en el ensayo durabilidad por desleimiento (Gamble, 1971) 60

Ejemplo: Durabilidad (2 ciclos) = 70 Índice de plasticidad = 5 Clasificación: durabilidad media - plasticidad baja

Alto

40

30

Medio

25 20

10 Bajo

Índice de Plasticidad, I.P.

50

0

10

20

Muy Baja

30

40

50

60

Baja

70 Media

Durabilidad por desleimiento 2 ciclos Id2, % retenido

80 85

90 95

100 98

Alta Muy Alta Extremadamente alta

Figura 3.9 Gráfico para la clasificación sugerida mediante el índice durabilidad-plasticidad (Gamble, 1971)

Capítulo 3 104


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Capítulo 3 105


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Capítulo 3 106

6.- Determinación de propiedades índices de los suelos

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