ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL FACULTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS DE LA TIERRA Laboratorio de Mecánica de Suelos, Rocas y Materiales Ensayo de: Compresibilidad triaxial, Tracción Indirecta (Ensayo Brasilero) y Porosidad de una roca.
CÓDIGO ASIGNATURA
Mecánica de Rocas
NO. DE
1
PRÁCTICA Compresibilidad triaxial, Tracción Indirecta (Ensayo Brasilero) y
PRÁCTICA
Porosidad de una roca.
ALUMNOS
-
Stalin Apolo Alcivar
-
Alan Ortiz Pimentel
1. Objetivos y aplicaciones 1.1 Objetivo Instruccional
Al culminar la práctica de laboratorio el estudiante estudiante obtendrá la destreza de interpretar los valores de las propiedades físicas obtenidos de manera experimental.
1.2 Objetivos de la práctica Determinar la porosidad de dos muestras de naturaleza
desconocida para así reconocer el carácter físico – mecánico de ambas muestras para afianzar los conocimientos adquiridos en el componente teórico de la materia.
Determinar la resistencia resistencia a la tracción indirecta indirecta de una muestra mediante el ensayo Brasilero (método empírico).
Determinar la resistencia a la compresión triaxial de una
muestra.
1.3 Aplicaciones El estudio mecánico llevado a cabo en los macizos rocosos
comprende dos problemas a diferentes escalas, ya que comprender químicamente las rocas ayuda a reconocer características visibles como la dureza, la impermeabilidad, etcétera; mientras que las propiedades físicas y mecánicas de las rocas ayudan a determinar la viabilidad del uso de algunas rocas como lo pueden ser rocas para uso ornamental o por el contrario más dedicado a la funcionalidad como lo es contrastar materiales para uso en estructuras como son puentes y carreteras. Es así que estos valores ayudan sustancialmente al análisis e interpretación de las características mecánicas.
2. Introducción 2.1 Conceptos
Porosidad: La porosidad de un material pétreo es un parámetro de conjunto que se define como la relación entre el volumen total de poros y el volumen total de la probeta o roca. La porosidad de la roca se puede clasificar dependiendo del grado de interconexión con el exterior. Se define la porosidad abierta, conectada o efectiva de la roca, como el volumen de poros que presentan un cierto grado de interconexión con el exterior, de forma que un fluido puede ser transportado a su través. Por el contrario, la porosidad cerrada, aislada o no comunicada, como su nombre indica, es aquel volumen de poros de una roca que no presenta ningún tipo de comunicación con el exterior (Dullien, 1992). En particular, la porosidad abierta juega un papel determinante en el deterioro de los materiales pétreos debido a la conexión con el exterior de la roca. Por ello su caracterización es importante para evaluar la durabilidad de la roca frente a la acción de los agentes externos, y por lo tanto su adecuación para un determinado uso. La naturaleza de este tipo de porosidad hace que las técnicas de
caracterización más importantes dependan de la movilidad de diferentes fluidos, como la porosimetría de mercurio, adsorción de gases (agua y nitrógeno), capilaridad, picnometría de He, etc. La suma de la porosidad conectada y la no conectada se denomina porosidad total de la roca. La porosidad total es un parámetro de conjunto muy importante de las rocas debido a que controla sus propiedades mecánicas.
= ( ℎ ) × 100 Po = porosidad abierta ms = peso saturado (g) md = peso seco (g) mh = peso sumergido (g)
= ℎ 20 Vap = volumen aparente (m3) ms = peso saturado (g) mh = peso sumergido (g) = densidad del agua (g/cm3)
H2O
= ap
= densidad aparente (g/cm 3)
Vap = volumen aparente (cm 3) md = peso seco (g)
.
Compresibilidad triaxial: La resistencia a la compresión se la determina a través de ensayos representativos a probetas cilíndricas estándar conformadas, de acuerdo a NTE INEN 1573, el valor de la carga aplicada se lo deberá dividir para el área de aplicación que comúnmente es la superficie circular que la soporta, por ello es necesario que al momento de ensayar se lo realice de manera que la superficie de aplicación de carga y la superior e inferior del cilindro coincidan perfectamente sin dar lugar a una mala distribución de esfuerzos. Ensayo que somete a la probeta a un esfuerzo axial y un esfuerzo lateral de manera de determinar un
σtc que es la máxima
resistencia a la compresión triaxial de la muestra en la que muestra falla. (Bermudez, et al., 2015).
= A = Área transversal r = radio
= = resistencia a la compresión
P = carga máxima (m 2) A = área trasversal (mm2)
Resistencia a la tracción Indirecta (Ensayo Brasilero): El ensayo se basa en la compresión de la probeta aplicando carga paralela a su diámetro, se utiliza para el efecto cilindros estándar NTE INEN 1763. Es decir los especímenes válidos para el ensayo descrito son los mismos que se utilizan en el ensayo de compresión, con la variante de que el cilindro se ensayará recostado y con una placa sobre la probeta que cuenta con guías de madera para que se distribuya de mejor manera los esfuerzos como efecto de la carga aplicada. (Rocco, et al., 1997)
= 2 = resistencia a la tracción
P = carga máxima que indica la prensa de compresión digital. (N) L = altura del espécimen de roca. (mm) D = diámetro del espécimen de roca. (mm)
2.2 Equipos Balanza hidrostática
Cámara de vacío
Equipo de compresibilidad
Probetas (muestras de rocas)
Prensa de compresión
Horno
Balanza
3. Procedimiento 3.1 Ensayo de compresibilidad triaxial El Ensayo de compresión triaxial consiste en aplicar un esfuerzo axial y un esfuerzo lateral (con el uso de la prensa de compresión) a la probeta de modo de estudiar las deformaciones de este y obtener una Resistencia a la compresión triaxial. Para este ensayo cada grupo contó con una probeta, además se utilizó un esfuerzo lateral diferente para cada grupo con el objetivo de estudiar los diferentes cambios en la resistencia a medida que cambia el esfuerzo lateral. Para este ensayo se realizaron los siguientes procedimientos:
Cubrir la probeta con una manga de látex (Membrana).
Instalar la probeta cubierta de látex dentro de la celda triaxial.
Colocar la celda triaxial en la prensa de compresión.
Aplicar presión de confinamiento según indicación del ayudante (Cada grupo trabaja con σ3 distintos), importante es mantenerla constante.
Regular la tasa de carga según recomendaciones de ISRM.
Registrar a intervalos regulares:
Desplazamientos verticales (A través del dial deformación).
Carga axial aplicada.
Registrar la carga de ruptura.
Observar el tipo de ruptura, las características geológicas y geotécnicas de la muestra de roca, orientación del plano principal de fractura, etc.
Finalmente se calculó la resistencia a la compresión triaxial.
3.2 Ensayo de tracción indirecta (Ensayo Brasilero) Este tipo de ensayo consiste en obtener la Resistencia a la tracción de la muestra por un método indirecto, es decir, en vez de estirar los extremos de la probeta se realiza una compresión de forma lateral a la probeta con la ayuda dos placas que también ayudan a sostenerla y usando nuevamente la prensa de compresión. Cabe destacar que se optó por este método y no por el Ensayo de tracción directa porque el Ensayo Brasilero es más fácil y barato. Para este ensayo cada grupo contó con una probeta y se realizaron los siguientes pasos:
Instalar cada disco lo más centrado con respecto a las piezas que la comprimirán.
Regular la tasa de carga de forma manual, según las recomendaciones de la ISRM, las cuales indican que debe ser continua y constante hasta que falle cada disco.
Anotar la carga de ruptura y las posibles estructuras y/o alteraciones observadas en cada disco.
Finalmente, se calculó la resistencia a la tracción de la muestra.
3.3 Determinación de la porosidad de la muestra
Como no era posible determinar la porosidad para cada tipo de muestra usada (debido a que requería mayor tiempo) sólo se determinó la porosidad de dos muestras (muestra 2 y muestra 3) por cada grupo.
En primer lugar, se rotularon las probetas como M2: muestra 2 y M3: muestra 3 y se tomaron tres medidas de diámetro y de altura de
ambas muestras (M 2 y M 3) para promediarlas entre sí y reducir el error sistemático y se pesó cada muestra. Posteriormente, se sometió cada probeta a la cámara de vacío
durante 3 horas para eliminar los vacíos que pudieran tener las probetas. Luego, se sumergió cada probeta por 24 horas hasta alcanzar la
saturación.
Pesar la probeta saturada.
Pesar la probeta suspendida en agua.
Secar la probeta según la norma ASTM E145 y recomendaciones de la ISRM1 (secar a 105°±5°C por 24 horas) y obtener el peso seco en el aire de la probeta en la balanza hidrostática.
Finalmente se calcula la porosidad de la roca.
4. CÁLCULOS Y REPORTE 4.1 Ensayo de Compresión Triaxial (Masa 4)
Grupo
Peso (g)
m4
628,66
Medidas del Diámetro (cm) 5,720 5,664 5,790
Diámetro (mm)
57,25
Medidas de la Altura (cm) 10,55 10,60
Altura (mm)
Sample Stress (MPa)
105,78
107,5
* Sample Stress fue obtenido en la lectura de los datos de la Prensa de Compresión Digital. ”
=
”
= 277.2 = 277200
= 57,25 ÷ 2 = 2574,19 .=( ) =
107,5 )∗100 .=(107,68 107,5
277200 = 2574,19
. = 0,17 %
= 107,68 Pa 4.2 Ensayo de tracción indirecta (Masa 1)
Grupo
Peso [g]
Medidas del Diámetro [cm]
Diámetro [mm]
Medidas
Altura
de la Altura [mm] [cm]
m1
517,56
5,68 – 5,48 –
55,5
5,49
9,760 9,752
P = 74,3 KN = 74300 N ℎ =1,8 = 2 74300 = 97,562 55,5 = 8,73
–
97,56
4.3 Ensayo de porosidad (Masa 2) Descripción
Unidad
Valores
Peso de la roca (m 2)
[g]
294,51
Peso seco (m d)
[g]
295,27
Peso saturado (m s)
[g]
308,72
Peso sumergido (m h)
[g]
180,75
Densidad del agua
(
[ ]
0,998
=( ℎ ) ∗ 100
= ℎ 20
295,27 )∗100 =(308,72 308,72 180,75
180,75 = 308,72 0,998 = 128,23
= 10,51 % = 295,27 = 128,23 = 2,30
4.4 Ensayo de porosidad ( Masa 3)
Descripción
Unidad
Valores
Peso de la roca (m 3)
(g)
296,43
Peso seco (Md)
(g)
295,44
Peso saturado (M s)
(g)
301,32
Peso sumergido (M h)
(g)
179,40
Densidad del agua (
0,998
=( ℎ ) ∗ 100
= ℎ 20
295,44 )∗100 =(301,32 301,32 179,40 179,40 = 301,32 0,998 = 4,82 %
= 122,16 = 295,44 = 122,16 = 2,42
4.5 Relación entre la resistencia a la tracción y la resistencia a la compresión triaxial. Resistencia a la tracción
Resistencia a la compresión
8.73
Relación teórica
107.68
10%
= = 8.73 107.68 ∗100 =8,11% .= −. ∗100=18.9
%
5. Análisis de Resultados Comparando el resultado obtenido en el ensayo de compresión
simple con el obtenido en la lectura del dispositivo electrónico, se tuvo un error de 0.17%, que resulta ser bajo. La relación entre la resistencia a la tracción y la resistencia a la
compresión triaxial, determinada en los cálculos del presente trabajo, fue obtenida con un error relativo de 18.9%, el cual está dentro de un rango aceptable.
Basándose en lo estipulado por el ingeniero Luis Navas Hernández, docente de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Del Zulia, se puede decir que un rango aceptable para los valores de porosidad efectiva de un medio poroso es 0,3%-25%. Las porosidades de las muestras “2” y “3” son
respectivamente,
aquellos
10,51 % y 4,82 %
resultados
obtenidos
experimentalmente están dentro de rango. (Hernandez, 2004)
6. Conclusiones y recomendaciones 5.1 Conclusiones
Se concluye que el porcentaje de porosidad abierta de M2 y M3 es de 10,51% y 4,82% respectivamente lo que indica que las muestras son muy compactas y tienen pocos espacios vacíos.
Los resultados obtenidos para la porosidad de ambas muestras en la presente práctica están dentro del rango admisible.
Se determinó que la compresión triaxial de la muestra 4 es igual a
= 107,68 Pa. Se puede concluir que la Resistencia a la tracción indirecta
(Ensayo Brasilero) de la probeta 1 (muestra 1) es equivalente a
=
8,73 , valor que resulta congruente con las observaciones cualitativas que se evidenciaron durante la práctica. Debido a la comparación del resultado obtenido en el ensayo de
compresión simple con el obtenido en la lectura del dispositivo electrónico, se concluye que la resistencia a la compresión triaxial obtenida a través de los cálculos realizados es precisa.
La precisión de los resultados obtenidos en el cálculo de la relación entre la resistencia a la tracción y la resistencia a la compresión triaxial, nos conlleva a aseverar que ambos valores de resistencia obtenidos experimentalmente son admisibles.
5.2 Recomendaciones
Previo a la pesada bajo el agua, siempre encerar la balanza con la canastilla sumergida hasta el borde de la misma.
Determinar la porosidad por un método adicional empírico, utilizando datos de densidad, que permita la verificación de resultados.
Colocar las unidades de medida en la prensa de compresión digital para así evitar errores fundamentales en la medición.
Así mismo, cumplir con los periodos establecidos en el protocolo
puesto que reducir estos tiempos puede causar mediciones erróneas.
7. Referencias bibliográficas ROCCO, C., GUINEA TORTUERO, G. V., PLANAS ROSELLO, J., & ELICES CALAFAT, M. (1997). Efecto del tamaño de probeta sobre la Resistencia a la tracción medida con el ensayo brasileño. Hormigon y Acero, (204). Bermudez Andrade, D. J., & Cadena Perugachi, H. A. (2015). Correlación entre la resistencia al esfuerzo de compresión y tracción del hormigón, utilizando agregados de las canteras de Pifo y San Antonio, cemento holcim tipo gu (Bachelor's thesis, Quito: UCE).
Benavente, D. (2006). Propiedades físicas y utilización de rocas ornamentales. Dullien F.A.L. (1992). Porous Media Fluid Transport and Pore Structure. Academic Press, San Diego, 574 p Hernandez, L. R. (16 de junio de 2004). monografías.com. Obtenido de monografías.com: http://www.monografias.com/trabajos15/porosidad/porosidad.shtml
7. Anexos
Figura 3. Prensa de compresión digital. Figura 1. Ensayo de determinación de porosidad
de
una
Fuente: Autoría propia.
muestra.
Fuente: Autoría propia
Figura 4. Ensayo de resistencia a la
tracción
indirecta
Brasilero). Figura 2. Ensayo de compresión triaxial
de
una
Fuente: Autoría propia.
muestra.
Fuente: Autoría propia
(Ensayo
