Capítulo 8 PROPIEDADES ÍNDICE DE LAS ROCAS 1. INTRODUCCIÓN Las propiedades índice permiten describir las rocas de una manera sencilla y predecible con respecto de su comportamiento en ingeniería. En su condición natural las rocas están sujetas a esfuerzos de tipo geostático y no geostático y a unas ciertas condiciones de flujo de agua, y todas las rocas reaccionan de manera diferente frente a estímulos naturales como la meteorización, denudación, denudación, desecamiento, sismos etc. o a las nuevas condiciones impuestas por las obras. En estos cambios es muy importante el factor tiempo. tiempo. En las obras de ingeniería las rocas son solicitadas como Material Rocoso o como Masa Rocosa. Se tratan a continuación los aspectos relacionados con el Material Rocoso solamente.
2. SOLICITACIONES DE COMPORTAMIENTO COMPORTAMIENTO FÍSICOQUÍMICO o
o
o
o
o
ABRASIVIDAD Rocas que contienen cuarzo en abundancia como ganito, granodiorita y cuarcita son particularmente abrasivas y producen un fuerte efecto de desgaste en los equipos de excavación (desgarradores mecánicos y cuchillas) y perforación perforación (brocas de perforación). SUSCEPTIBILIDAD SUSCEPTIBILIDAD QUÍMICA. Varía según la composición de las rocas. En orden decreciente de susceptibilidad: ígneas básicas: como granito, basalto y diabasa; rocas ígneas ácidas, como granito, granodiorita y riolita; las metamórficas en general, según según procedan de rocas rocas ácidas o básicas; básicas; las sedimentarias no no clásticas como las calizas y finalmente, f inalmente, las rocas sedimentarias clásticas, como las areniscas, se les considera las menos susceptibles, puesto que están formadas al fin y al cabo por cuarzo y productos de descomposición. EXPANSIVIDAD Las rocas arcillosas: lutitas o rocas descompuestas en general que posean minerales arcillosos, especialmente la montmorillonita, son particularmente contracto-expansivas. contracto-expansivas. SOLUBILIDAD La sal y la caliza se disuelven en agua. En clima húmedo la caliza está expuesta a formar canales o cavernas por disolución. ERODABILIDAD En presencia de lluvia, muchas rocas con minerales arcillosos (montmorillonita, caolinita por ejemplo) u otros débiles (clorita, sericita, vermiculita, etc) o rocas de cualquier tipo pero muy fracturadas o 121
cizalladas, principalmente si se localizan en zonas de falla, se erosionan fácilmente en taludes y laderas. o
DESLEIBILIDAD Cuando las lutitas mal cementadas se humedecen y se secan alternativamente, se expanden y se contraen, lo cual provoca una fisuración progresiva en estas rocas. Finalmente se deslíen y se degradan rápidamente. Se dice entonces que son poco durables. Las rocas descompuestas en general, pueden poseer abundantes minerales desleibles, que pueden ser arrastradas fácilmente por el agua que circula a presión por fracturas, diaclasas y zonas de falla. En el caso ce las lutitas, las más durables son las limonitas silíceas, los shales con cemento silíceo o calcáreo y las argilitas. Las menos durables, la arcillolitas, lodolitas y shales arcillosos o lodosos, principalmente de color oscuro que son ricos en materia orgánica.
3 SOLICITACIONES DE COMPORTAMIENTO MECÁNICO Desde el punto de vista mecánico las rocas son solicitadas en general respecto de su resistencia, deformabilidad y permeabilidad.
4 PROPIEDADES ÍNDICE Le permiten al ingeniero tener alguna idea sobre el comportamiento real de las rocas respecto de su comportamiento fuerzo-deformación en las obras. Se clasifican en 3 grupos según se presentan en la tabla 1. (1) Propiedades índice descriptivas: como su nombre lo indica no se expresan cuantitativamente. (2) Propiedades índice de clasificación: se obtienen con ensayos rápidos y de bajo costo y se refieren a parámetros de densidad, parámetros de resistencia y parámetros de degradabilidad, que se relacionan de alguna manera con los parámetros de diseño. (3) Propiedades índice de diseño. En el caso de los grupos 2 y 3 se cuantifican las propiedades. En el grupo 2 mediante ensayos sencillos de muy bajo costo; en el grupo 3 los ensayos son costosos y algunos de ellos algo complicados.
4.1 PROPIEDADES ÍNDICE DESCRIPTIVAS Se relacionan con la litología, grado de meteorización y/o alterabilidad de las rocas y rasgos de esfuerzos.
Tipo de roca : La litología y la edad de las rocas guardan una importante relación con el comportamiento general de las rocas en ingeniería y con la calidad de las rocas como material de construcción. 122
Color: Los colores de las rocas son inherentes o adquiridos por alteración; ej. Las rocas ígneas son inherentemente oscuras o claras, según sean básicas o ácidas, respectivamente. Algunas rocas son inherentemente oscuras, porque poseen abundante materia orgánica, como las lutitas bituminosas; otras tienen tonalidades verdes porque poseen clorita. Por otra parte muchas rocas adquieren color marrón rojizo, marrón amarillento, por oxidación. Tabla 1 Grupos de propiedades ìndice Grupos
Propiedades
Atributos
Grupo 1
P. índice Descriptivas
Nombre de la roca Color Textura y fábrica Grado de meteorización Rasgos de esfuerzos.
Grupo 2
P. Índice de Clasificación (bajo costo, ensayos simples)
Densidad: Peso específico, Porosidad, Absorción Peso unitario Resistencia: Dureza Velocidad sónica Resistencia a la carga puntual Resistencia a la compresión simple Degradabilidad Índices de meteorización Índices de durabilidad.
Grupo 3
P. Índice de diseño (muestreo y/o ensayos complejos y costoso)
Modulo de Elasticidad o Deformación Relación de Poisson Permeabilidad Primaria
según: nombre, matiz e intensidad Ej. La diabasa, en estado fresco es verde oscura, pero descompuesta puede ser verde clara, amarillenta.
Textura La textura de las rocas puede ser: fuertemente entrabada, como en las rocas de fábrica cristalina masiva (granito, cuarcita, caliza); entrelazada algo entrabada como en las rocas de fábrica cristalina foliada (pizarra, esquisto); o cementada-consolidada como en las rocas clásticas (lutita-arenisca). Estos tipos de fábrica producen efectos especiales en la deformabilidad y resistencia de las rocas. Ejemplo: mientras que una muestra de granito, se deforma y falla de manera similar en cualquier dirección que se ensaye la muestra, un esquisto o unas pizarra se deforma menos y falla más fácilmente, cuando la muestra se ensaya en la dirección de los planos de foliación de estas rocas. 123
4.2 PROPIEDADES ÍNDICE DE CLASIFICACIÓN 4.2.1 Parámetros de Densidad Peso específico Porosidad Absorción Peso Unitario 4.2.2. Parámetros de Resistencia Velocidad sónica Dureza (martillo schmidt) Resistencia a la carga puntual Resistencia a la compresión simple
4.2.3 Parámetros de Degradabilidad Índices de meteorización Índices de durabilidad.
4.2.3.1 PARÁMETROS DE DENSIDAD
Relacione de Fase
En la figura 1 se muestran las fases del suelo (aplicable a las rocas): Fase mineral ( sólidos); Fase de poros, grietas y fisuras (vacíos ocupados por agua o aire/otros gases). Va
Vv Vv V
Va Va
Vw
AIRE
AGUA
Ww Ww
W
Ws Vs
Ws
Vs SÓLIDOS
Figura 1 Fases del suelo Las relaciones de fase permiten definir las siguientes propiedades en peso o en volumen de los sólidos: Relaciones en Volumen
Porosidad n 124
Es la relación entre el Volumen de vacíos Vv y el Volumen total de la muestra V expresada de modo porcentual. n %=Vv/V
(1)
Las rocas poseen dos tipos de porosidad: la porosidad de poros n p, que se relaciona con lar aberturas o vacíos entre las partículas minerales, y la porosidad de poros, relacionada con las fisuras dentro de las partículas nf.. Entre mayor sea n p en las rocas, existen menos áreas de contacto partícula-partícula y en consecuencia menos resistencia. La porosidad de fisuras n f por su parte, crea dependencia de esfuerzos: estas fisuras están abiertas cuando la roca está sin confinamiento lateral y se cierran cuando están confinadas. Las rocas ígneas plutónicas y las metamórficas son las menos porosas; alguna porosidad se desarrolla en las rocas ígneas volcánicas efusivas y entre las volcánicas piroclásticas se encuentran las rocas más porosas de todas. Por su parte las rocas clásticas poseen una porosidad variable.
Relación de vacíos Es la relación entre el volumen de vacíos Vv y el Volumen de sólidos Vs, expresada en forma decimal. e = Vv/Vs = Vv/V / V/V – Vv/V =
n / (1 – n)
n = Vv/V = Vv/Vs / Vs/Vs + Vv/Vs = e/ (1 + e)
(2) (3)
Grado de Saturación Es la relación entre el volumen de agua Vw y el Volumen de sólidos Vv S % = Vw /Vv %
(4)
Es claro que las rocas más porosas (porosidad inherente o adquirida por meteorización) absorben mas agua. Relaciones en Peso Absorción porcentual
w % = Ww/Ws %
(5)
Peso específico relativo o densidad de los sólidos Gs Es la relación entre el peso y el volumen de la muestra Gs = γs / γw
(6)
Peso Unitario Total 125
γ=
W / V gr/cm3 o ton/m3
(7)
El peso específico depende del porcentaje en peso de los minerales de diferente densidad en la roca. Si se tiene en cuenta que la densidad de los silicatos y otros minerales comunes varía entre 2.6 y 3.4 , la densidad promedio de una roca sería algo así como 2.7-2.8. Por lo general el peso unitario de las rocas, incluyendo las moderadamente descompuestas varía entre 2.7 ton/m3 y 2.2 ton/m3, debido a la influencia de la mayor porosidad en la más descompuestas.
4.2.3.2 Ensayos índice de clasificación Con base en las relaciones de fase se pueden realizar ensayos de clasificación de las rocas como a continuación se describe. a) Se seleccionan tres muestras de material b) Se satura la muestra por inmersión y se seca superficialmente. Se obtiene el peso saturado Wsat c) Puesto que 1 cm 3 de agua a 4° C pesa 1 gr, en los cálculos se admite que el volumen de agua Vw en cm 3 y el peso de este volumen en gramos son numéricamente iguales. [Vw = Ww / γw] d) Además, al sumergir en agua una muestra, experimenta una pérdida de peso equivalente al peso del volumen de agua desalojado, por tanto el volumen de la muestra V se puede obtener por la diferencia entre el peso saturado Wsat y el peso sumergido Wsum. e) Se seca la muestra en el horno a 105ºC, el tiempo necesario para que se obtenga peso constante. Se obtiene el peso seco Ws Con base en estos datos se pueden calcular relaciones en volumen y en peso muy importantes.
Porosidad n %=Vv/V
El Volumen de vacíos Vv corresponde al peso del agua 1 que satura los poros (Wsat – Ws) y el volumen total V equivale a la pérdida de peso que se obtuvo al sumergir la muestra. n%=Vv/V=(Wsat-Ws)/(Wsat-Wsum) γw
Grado de Saturación S % = Vw /Vv % Vw /Vv % = (Ww – Ws) / (Wsat-Ws)
RELACIONES EN PESO Absorción porcentual w % = Ww/Ws %
w % = Ww/Ws% = Vw
1
El peso equivalente de agua es Ww = Vw
γw
/Ws % = (Wsat- Ws) γw / Ws %
γw
126
Peso específico relativo o densidad de los sólidos Gs Es la relación entre el peso y el volumen de la muestra Gs = γs / γw = Ws/Vs γw
(6)
Peso Unitario Total γ=
W/V
(7)
En la tabla 2 se dan algunos valores típicos de peso específico (Gs), porosidad (n), absorción (Ab) y peso unitario ( ) de algunas rocas, en el caso de el peso específico se incluyen ejemplos de algunos minerales Tabla 2 Algunos valores típicos de Gs, n %, Ab % y (ton/m3)
Material Ortoclasa
Gs 2.5 2.6
Calcedonia
2.6
Cuarzo
2.65
Moscovita
2.7 2.3
Biotita
2.8 3.1
Olivino Pirita
3.2 3.6 4.9 5.2
Granito
(ton/m3)
n%
Ab %
2.5 2.6
0.5 1.1
0.2 0.4
2.7
Riolita Diorita
2.1 2.3 2.6 2.7
0.7 10.0 0.5 1.0
0.3 4.8 0.2 0.4
2.4 2.8
Gabro
3.0
0.3
0.1
3.0
Arenisca
1.9 2.5
15.0 2.0
21.0 0.8
2.0 2.5
Shale
2.2 2.6
12.0 1.9 .
0.2 0.4
2.2 2.6
4.2.3.3
PARÁMETROS DE RESISTENCIA Velocidad sónica
Es la velocidad de la propagación de ondas elásticas, preferiblemente de compresión, a través del material rocoso. Se obtiene calculando la velocidad de tra4nsmisión de ondas sonoras en un espécimen V L , la cual depende exclusivamente de sus propiedades elásticas y de su densidad, de acuerdo a la siguiente relación. VL2 = E (1- µ) / ρ (1+µ) (1-2µ)
(6)
En la Tabla 3 se proporcionan ejemplos de velocidad V L para algunos pocos minerales: 127
Mineral
VL _m/seg_
Cuarzo 6050 Ortoclasa 5800 Calcita 7500 Pirita 8000 ____________________________ Tabla 3 valores típicos de velocidad sónica
Dureza
Esta propiedad se relaciona con la resistencia de las rocas a dejarse penetrar o rayar con el acero u otro objeto duro. La dureza guarda una relación directa con la resistencia y se puede medir usando el martillo Schmidt. (Figura 2). Observe que el valor de la dureza depende de la manera como se use el martillo y que la dureza se corrige por peso unitario. Además, en la gráfica se presenta una franja de dispersión de la resistencia a la compresión estimada.
Figura 2 Tabla de interpretación de la dureza 128
Resistencia a la carga puntual
.Es un ensayo sencillo que mide la resistencia de las rocas a la tensión mediante la compresión de la roca entre dos pequeños conos en un ensayo normalizado desarrollado por Franklin y Broch (1972) Las rocas son cerca de 20 veces más resistentes a la compresión simple que a la tensión.
Resistencia a la compresión simple
Se realiza sobre núcleos de perforación cortados con una relación L/D entre 2.5 y 3.0 y un diámetro de aproximadamente 50mm.
4.2.3.4 PARÁMETROS DE DEGRADABILIDAD
Índice de meteorización
Unas rocas se meteorizan más que otras: así por ejemplo sabemos que las rocas ígneas de composición básica son más susceptibles que las mismas rocas de composición ácida, lo cual guarda una relación con la proporción de sílice: oxígeno en su composición química reflejada en la mineralogía. Es también evidente que las rocas ígneas y metamórficas en conjunto, son más susceptibles que las rocas sedimentarias clásticas, que al fin y al cabo están constituidas de minerales que ya son producto de descomposición. Con respecto a la alteración de las rocas se deben considerar dos aspectos: el grado de meteorización y la alterabilidad. El grado de meteorización de las rocas, se relaciona con el estado de descomposición a que ha llegado la roca desde que se formó. La alterabilidad se comenta más adelante. Se describen a continuación dos métodos sencillos para valorar el grado de meteorización. Este índice se relaciona con el grado de meteorización de las rocas, es decir al estado de descomposición a que ha llegado la roca desde que se formó. Método de Illiev Es sabido que rocas de un mismo tipo son más porosas entre más descompuestas están y que la velocidad sónica se reduce en la misma medida. Índice de Illiev k = V0 – V w / V0
(7)
V w y V0 corresponden a la velocidad sónica del materia descompuesto y el material sano, respectivamente. Método de Hamroll Se basa en el aumento de la absorción con el incremento en el grado de meteorización y se determina con base en la siguiente fórmula: 129
i H = P2 - P1 / P1
%
donde P2 y P1 corresponden al peso saturado y peso seco, respectivamente.
Durabilidad por desleimiento
Al tratar de la alterabilidad de las rocas se debe tener en cuenta que la degradación de las rocas por agentes climáticos puede ser lenta o rápida. A ese respecto decimos que una roca es durable, si a pesar que se degrade algo en presencia del clima, mantiene un comportamiento satisfactorio en las obras ej taludes o pavimentos. Se sabe que las lutitas mal cementadas, independientemente de su grado de consolidación diagenética, son poco durables y que el Colombia enfrentamos muchos problemas con la calidad de los pavimentos debido al uso de tales rocas en esas estructuras. Se describe a continuación un ensayo, desafortunadamente poco usado en nuestro medio, que permite clasificar a las lutitas, las rocas más sensibles en el aspecto de durabilidad, con respecto a esta propiedad. En un tambor cilíndrico perforado se introducen 500 gramos de lutita o roca similar arcillosa previamente secados en el horno y el cilindro se hace rotar 24 revoluciones por minuto en estado semi-inmerso en agua. Después de 10 minutos la roca se habrá desleído parcialmente y solo quedará en el tambor algunos fragmentos de roca que resistieron. La relación entre el peso del material seco retenido al final del ciclo y el peso inicial se conoce como Índice de Durabilidad-desleimiento (I d) La tabla siguiente muestra una clasificación de durabilidad-desleimiento propuesta por Gamble de acuerdo a uno o dos ciclos de ensayo. En un tambor cilíndrico perforado se introducen 500 gramos de lutita o roca similar arcillosa previamente secados en el horno y el cilindro se hace rotar 24 revoluciones por minuto en estado semi-inmerso en agua. Después de 10 minutos la roca se habrá desleído parcialmente y solo quedará en el tambor algunos fragmentos de roca que resistieron. La relación entre el peso del material seco retenido al final del ciclo y el peso inicial se conoce como Índice de Durabilidad-desleimiento (I d) La tabla IV muestra una clasificación de durabilidad-desleimiento propuesta por Gamble de acuerdo a uno o dos ciclos de ensayo.
Tabla IV Clasificación de Durabilidad de Gamble Durabilidad
Retenido (%) después de un ciclo de 10 minutos
Retenido (%) después de dos ciclos de 10 minutos
Muy alta Alta Media Alta Media Baja Muy Baja
99 98-99 95-98 85-95 60-85 60
98 95-98 85-95 60-85 30-60 30
130
4.3 PROPIEDADES ÍNDICE DE DISEÑO
Comportamiento Esfuerzo-Deformaciòn El estado triaxial es el que mejor simula las condiciones de confinamiento de las rocas, con incremeto de esfuerzos con la mayor profundidad.
- Módulo de elasticidad o de deformación E E = σ / Єn Donde σ es el esfuerzo axial de compresión en ensayos de corte simples o el esfuerzo desviador en ensayos triaxiales (σ1 - σ3) y Є la deformación unitaria
axial (%). (Tabla V)
- Relación de Polisón µ Relación entre la deformación unitaria lateral Єl y la deformación normal Є N cuando una roca es sometida a carga axial. Se expresa como
unitaria
µ = Єl / Є N
TablaV Rango en el módulo de deformación de algunas rocas Módulo de Deformación Muy alto
Variación de E Kg /cm2 x 105 7.0 a 12.0
Material Diabasa, algunas cuarcitas, neis, caliza y mármol. En ese orden de mayor a menor resistencia σc
Alto
4.0 a 8.0
Bajo a Alto
0.8 a 8.0
Muy bajo a Bajo
< 0.20 a 4.0
Granito y afines, la mayoría de las calizas y dolomitas, algunas lavas, ls mayor parte de los neis Rocas metamórficas en general; menos resistentes en la dirección de la filiación Rocas sedimentarias clásticas en general
Varía entre 0.15 y 0.25 para las rocas cristalinas y puede ser tan alta como 0.24 para las rocas clásticas en general.
Permeabilidad En el material rocoso, la permeabilidad es por lo general baja. (varía entre 10 – 8 y 10 – 10 cm/seg ) En la práctica las rocas poseen alta permeabilidad 131
secundaria, es decir, permeabilidad debida a la libertad del agua a circular por fracturas. En la Figura 3 se presenta una tabla que relaciona la resistencia a la compresión simple con el módulo de elasticidad para diferentes litologías. l
Figura 3 STAGG-ZIENKIEWICZ, Mecánica de Rocas en la Ingeniería Práctica.Capítulo 1 (consideraciones geológicas, escrito por D. U Deere Rangos comunes de Resistencia a la Compresión y Módulo de Elasticidad Rocas metamórficas: 1 cuarcita; 2 neis; 3 marmol¸4a esquisto (en dirección perpendicular a la foliación); 4b esquisto en la dirección de la foliación. Rocas Ígneas: 5 diabasa; 6 granito; 7 basalto y otras lavas. Rocas sedimentarias: 8 caliza y dolomita; 9 arenisca ; 10 lutita
132
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
Pobre adhesividad de los pétreos con el asfalto en la capa superior del pavimento Poca durabilidad frente al clima en particular dos casos: Por desleimiento de agregados pétreos provenientes de lutitas, susceptibles a cambios de volumen y figuración en ciclos de humedecimiento – secado y Frente a degradación mecánica por congelamiento de agua en fisuras o poros de los agregados. (climas fríos)
Índice de forma, que se relaciona con la posibilidad de obtener en la trituración agregados de forma regular fáciles de colocar y manejar. Pobre en agregados de trituración provenientes de rocas con textura laminada (ej. lutitas) o foliadas (ej. esquisto, pizarra), Independientemente del procedimiento de trituración. Resistencia a la abrasión y al impacto: en materiales usados en las diferentes capas del pavimento. Reactividad Mineral: ciertos la sílice amorfa (ópalo, calcedonia otros minerales no cristalinos) reaccionan desfavorablemente con los álcalis de los cementos lo cual conduce al deterioro de los concretos . Otras reacciones: ej. la oxidación de la pirita en combinación con el agua y en presencia del oxígeno, puede producir combustión espontánea o contaminación de las aguas por formación de ácido sulfúrico. Los agregados pétreos de los pavimentos pueden degradarse por aguas sulfatadas, agentes químicos descongelantes u otras sustancias.
COMPORTAMIENTO ESFUERZO-DEFORMACIÓN DE LAS ROCAS Deformabilidad y Resistencia Las rocas presentan un comportamiento esfuerzo deformación variable que depende de la litología (mineralogía y fábrica), del grado de meteorización y del estado de degradación mecánica. Las rocas del Tipo I, con una curva lineal y ruptura abrupta, típica de cuarcita, diabasa dolomita y caliza muy dura, todas con textura cristalina masiva. Las del Tipo II con fluencia anelástica creciente 2 corresponden a rocas como la caliza blanda, argilita y toba. Arenisca, granito, esquisto ensayado en dirección paralela a la foliación, y algunas lavas, con un comportamiento plasto-elástico, son del Tipo III, con tendencia frágil. En el Tipo IV figuran rocas como mármol y neis, con una curva en s, de pendiente general muy fuerte, que muestra un comportamiento plasto-elasto-plástico. 2
La deformación no es proporcional al esfuerzo
133
Esquistos ensayados perpendicularmente a la foliación, son del Tipo V , y presentan una curva semejante a las del Tipo IV . Finalmente el Tipo VI corresponde a la sal que muestra un comportamiento de fluencia. En las curvas de los Tipos III, IV y V, se presenta una concavidad inicial. Muestra el cerramiento de fisuras en rocas cristalinas en rocas de los Tipos III y IV, o cerramiento de planos de foliación en esquistos (Tipo V). COMPORTAMIENTO ESFUERZO-DEFORMACIÓN TÍPICO DE ALGUNAS ROCAS (Curvas propuestas por Miller)
Curvas típicas esfuerzo deformación de las rocas Tipo I Elástico
Tipo II Elasto-plástico
Comportamiento Lineal, rotura violenta
Fluencia creciente
CUARCITA, DIABASA. CALIZA DURA
ARGILITAS, ARGILITA Y ALGUNAS TOBAS Tipo IV Plasto-elasto-plástico
Tipo III Plasto-elástico
Curva en s con parte Central escarpada
ARENISCA, GRANITO, ALGUNOS ESQUISTOS Y LAVAS Tipo V Plásto-elasto-plástico
ESQUISTOS ENSAYADOS PERPENDICULARMENTE A LA FOLIACIÓN
NEIS, MÁRMOL Tipo VI Elasto-plástico con fluencia
SAL GEMA
134
