UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA DPTO. DE INGENIERÍA EN MINAS FUNDAMENTO DE MECÁNICA DE ROCAS
INFORME LABORATORIO ENSAYO DE TRACCIÓN INDIRECTA – METODO BRASILEÑO DICIEMBRE DE 2014
PROFESOR MIGUEL VERA
ALUMNOS RODRIGO RIVERA CRISTIAN PLAZA
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Resumen Ejecutivo En este informe se presenta el desarrollo de la experiencia de laboratorio para el ensayo de tracción indirecta, el cual destaca por ser un método simple y representativo, que permite establecer la respuesta de una roca y obtener la carga máxima que resiste antes de romperse. Este ensayo tiene por finalidad determinar el esfuerzo de tracción de una roca a través de la aplicación de una carga lineal de compresión sobre un diámetro del disco de roca a ensayar. El esfuerzo de tracción debería ser obtenido de un ensayo de tracción uniaxial directa, pero este ensayo es difícil y caro de ser realizado repetidamente. Por definición, la resistencia a la tracción se obtiene por la ensayo de tracción uniaxial directa. Pero el ensayo de tracción es difícil y caro para la aplicación rutinaria. La prueba de tracción indirecta parece ofrecer una alternativa deseable, porque es mucho más simple y barato. Además, en el campo de la mecánica de rocas se debe lidiar lidiar con varias combinaciones de compresión y campos de esfuerzos de tracción. La tracción indirecta es una de las pruebas más simples, se utiliza ampliamente y es por tanto una prueba uniforme.
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Índice Introducción ............................................................................................................................ 4 Marco Teórico ......................................................................................................................... 5 Procedimientos experimentales ............................................................................................. 8 Resultados ............................................................................................................................ 10 Análisis de resultados........................................................................................................... 11 Conclusiones ........................................................................................................................ 12 Anexos .................................................................................................................................. 13 Bibliografía ............................................................................................................................ 16
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Introducción Alcances de la experiencia. La experiencia se rige por las Normas ISRM Suggested Method for Determining Indirect Tensile Strength by the Brazil y ASTM D3967, por ende es necesario su estudio. Objetivos generales. El objetivo de este informe es Describir y estudiar el ensayo de tracción Objetivos específicos.
Describir de manera general el ensayo de tracción indirecta Familiarizarse con los equipos y muestras usados en el ensayo de tracción indirecta Realizar ensayos de tracción en el laboratorio
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Marco Teórico El ensayo de tracción indirecta está regulado por la norma ASTM D3967 – 08 Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Intact Rock Core Specimens. Este ensayo consiste en someter a compresión diametral una probeta cilíndrica, aplicando una carga de manera uniforme a lo largo de dos líneas o generatrices opuestas hasta alcanzar la rotura. El disco de roca es sometido a una carga lineal de compresión actuando sobre un diámetro. Esta configuración de carga provoca un esfuerzo de tracción relativamente uniforme en todo el diámetro del plano de carga vertical, y esta tracción es la que agota la probeta y desencadena la rotura en el plano diametral. El resultado de este esfuerzo de compresión es una tensión horizontal y un esfuerzo de compresión vertical variable Cerca de los bordes de contacto, los esfuerzos compresivos toman valores máximos, lo que puede causar un fracturamiento local. Esta anomalía se reduce empleando testigos con relación espesor/diámetro de 0.5 y colocando un apoyo adicional entre la roca y los bloques de la máquina en los puntos de carga. La fractura inicial producida sobre el testigo será el resultado del esfuerzo de tracción que ocurre en el centro del disco. Esta fractura es inducida, por lo que el resultado del esfuerzo a la tracción obtenida a partir de este ensayo será algo mayor del que se obtiene de un ensayo de tracción directa en donde el testigo tiene más opción a fallar por la zona de menor resistencia. El equipo utilizado para el ensayo es una prensa Automax 5 que puede aplicar y medir la carga diametral sobre el testigo y que cumpla con los requerimientos de la Norma ASTM E4. Adicionalmente se requiere el apoyo suplementario entre el testigo y los bloques de la prensa de mordazas que permiten reducir la alta concentración de esfuerzos. Estos se utilizan para reducir las tensiones de contacto. El radio de curvatura de las mordazas deben ser diseñados de manera que su arco de contacto con la muestra serán en ningún caso superar el 15 ° o que el ancho de contacto es menor que D / 6, donde D es el diámetro de la espécimen.
Preparación de testigos Las muestras serán seleccionadas por observaciones visuales para seleccionar un rango de muestras basado en componentes minerales, tamaños de grano y forma y defectos tales como poros y fisuras. Los testigos deben ser discos circulares con una relación espesor/diámetro (t / D) entre 0.2 y 0.75 de acuerdo a la norma ASTM D3967 – 08. 5
El diámetro del testigo debe ser por lo menos 10 veces mayor que el grano más grande del mineral que forma la roca. Un diámetro de 4.92 cm por lo general satisface este criterio. Cuando el diámetro es menor que el indicado y se deben ensayar pues no hay disponibilidad de material, se debe anotar este hecho en el informe. La normativa asociada, considera que al menos diez muestras deberán ser ensayadas para obtener un valor promedio significativo. Si la reproducibilidad de los resultados de la prueba es buena (coeficiente de variación menor del 5%), un número menor de muestras es aceptable. La superficie de la muestra deberá ser de lisa, con una rectitud de 0,50 mm. Para ellos se debe cortar los extremos de la probeta paralelos entre sí y en ángulo recto con el eje longitudinal. Los extremos del disco no se deben desviar de la perpendicularidad al eje del núcleo en más de 0,5 °. Se determinará el diámetro del testigo con una aproximación de 0.25 mm. Se tomará tres medidas y obtendrá el promedio. Una de las medidas debe ser tomada en el diámetro que se va ensayar. Una de las medidas debe ser tomada en el eje del disco. Se determinará el espesor del disco con aproximación de 0.25 mm. Se tomará tres medidas y obtendrá el promedio. Las condiciones de humedad de la muestra en el momento de prueba puede tener un efecto significativo sobre la fuerza indicada de la roca. La condición de humedad de campo para la muestra se conservará hasta el momento de la prueba. Por otro lado, puede haber razones para probar las muestras a otros contenidos de humedad, incluyendo el cero, y acondicionamiento previo de la muestra cuando la humedad se necesita un control. Marcado: Se debe marcar el disco con una línea diametral, esta línea se utiliza de centrado de la muestra en la máquina de ensayo para asegurar la orientación apropiada. Si la muestra es fanerítica y anisotrópica, se debe tener cuidado de que la línea sea contraria, perpendicular la orientación preferencial de los cristales. Posicionamiento: La orientación vertical del testigo está determinada por la línea trazada en el testigo, de manera que esta línea sea usada para centrar al testigo en la máquina de ensayos y asegurar una orientación apropiada. El testigo debe ser instalado en la máquina de ensayos asegurando que la carga sea aplicada sobre el diámetro trazado y que los apoyos adicionales coincidan también con la superficie de apoyo. Es decir se debe colocar la muestra asegurando que la recta diametral marcada se alinea con el centro de empuje de la superficie de apoyo de la mordaza dentro de 1,25 mm (0,05 pulg.). Lo anterior, se puede lograr mediante la rotación de la muestra alrededor de su eje hasta que no haya luz visible entre la muestra y la mordaza. Iluminación de fondo ayuda a hacer esta observación. 6
Aplicación de Carga: Aplicar la carga normal con velocidad constante de manera que la falla se produzca entre 1 y 10 minutos luego de iniciar el ensayo dependiendo del tipo de roca. El rango de velocidad de carga o tasas de carga debe estar entre 0,05 y 0,35 MPa/s (500 y 3000 psi/min) de velocidad de carga, dependiendo del tipo de roca. Registro: Registra el valor máximo de la carga aplicada sobre el testigo, es decir al momento de ruptura y las posibles estructuras y/o alteraciones observadas en cada disco. Cálculos El esfuerzo de tracción indirecta del testigo se halla calculando como sigue:
𝜎𝑡 =
2𝑃 𝜋𝐿𝐷
Dónde:
𝜎𝑡 = Esfuerzo de tracción indirecta, MPa o kg/cm2 P = Máxima fuerza aplicada sobre el testigo, carga de ruptura del disco, kg L = Espesor del testigo, mm D = Diámetro del testigo, mm De acuerdo a la norma, los resultados requeridos en el ensayo son los siguientes:
Fuentes de la muestra, incluyendo el nombre del proyecto y ubicación, y si lo sabe, entorno de almacenamiento. La ubicación es con frecuencia se especifica en términos de la cantidad y la profundidad del pozo de la muestra. Descripción litológica de la roca, origen, tipo de roca, ubicación y orientación de los planos de estratificación y esquistosidad; grandes inclusiones o in homogeneidades, si los hubiere, etc. Orientación para el eje de carga con respecto a la anisotropía de la probeta (por ejemplo, planos de estratificación, foliación, etc.). Numero de probetas ensayadas. Diámetro y altura de la probeta Fecha de ensayo y descripción del equipo de ensayo. Forma de rotura (por ejemplo, cizallamiento, fracturación axial, etc.),foto o croquis. Carga de ruptura y resistencia a la tracción. Las fechas de muestreo y ensayo. Diámetro y la longitud del disco, la conformidad con los requisitos de norma, dirección de la carga si existe anisotropía. Cambio de carga o velocidad de deformación. Indicación general de condición de humedad de la muestra en el momento de la prueba tales como: saturado, secado al aire de laboratorio, o en horno. Se recomienda que la condición de humedad sea determinada lo más precisamente posible y reportar el contenido de agua o el grado de saturación.
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Procedimientos experimentales Luego de realizada la experiencia se logran los siguientes resultados: Preparación del disco: Se obtiene una probeta con las siguientes características Medidas
Diámetro
Largo
1 2 3 Promedio
61.07 61.20 61.27 61.18
54.41 54.74 54.66 54.60
Considerando la norma (relación espesor/diámetro (t / D) entre 0.2 y 0.75), se define en 0.5 = 30.59 sin embargo, debido a imprecisión en el corte del disco, se obtiene uno del siguiente espesor: Medidas
Espesor real
1 2 3 Promedio
23.97 24.17 24.44 24.19
Con estas medidas, la relación t / D es de 0.395 por lo tanto el disco está dentro de norma. Marcado: Se reconoce el testigo como una roca afanítica, por lo tanto se define como isótropa, homogénea. Por lo tanto se marca la línea diametral en cualquier sentido. Se indica que la muestra es de roca andesita veta negra. Posicionamiento: Una vez marcado el disco, este es posicionado en la mordaza disponible en el laboratorio con la línea diametral en sentido vertical.
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Aplicación de Carga: Se parametriza la prensa Automax 5 en tipo de ensayo “tracción ind.” Con los siguientes datos:
Largo: 24.2 Diametro: 61 K1: 0.637 K2: 1 Sensibilidad: 5 Velocidad de carga: 0.05
Resultado: 3.68 MPa con 8.5 Kn Cálculos: P = 8.5 KN = 8500 N L = 24.2 mm = 0.024 m D = 61 mm = 0.061m
𝜎𝑡 =
2 ∗ 8500 = 3665674 𝑃𝑎 𝜋 ∗ 0.02419 ∗ 0.061
Por lo tanto la resistencia a la tracción indirecta de la probeta es de 3.67 Mpa
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Resultados Los resultados del ensayo se presentan a continuación:
Fuentes de la muestra: División Teniente de codelco. Descripción de la roca: Roca afanítica, isótropa, homogénea. Andesita veta negra Indicación general de condición de humedad: probeta secada a temperatura ambiente. Numero de probetas ensayadas: 1 Diámetro del disco 24.2 mm Altura del disco 61 mm Relación espesor/diámetro (t / D) es de 0.395 valor en norma Fecha de ensayo 29-11-14 12:46 hrs. Equipo de ensayo: Automax 5 - Controls Forma de rotura Ts. Carga de ruptura 8.5 KN Resistencia a la tracción indirecta 3.67 Mpa
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Análisis de resultados En base a los resultados obtenidos y a los valores promedio de resistencia a la tracción indicados en la norma, se puede concluir que la roca analizada es una Arenisca, dado que es el valor de resistencia al cual se acerca. Resistencia a la tracción (MPa) Valor Promedio Límite de repetibilidad Límite de reproducibilidad
Arenisca
Caliza
Mármol
Granito
3.85 1.24 1.37
4.92 1.56 1.74
9.39 3.63 5.38
13.66 4.31 4.98
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Conclusiones La buena preparación de los testigos de roca, de tal forma que cumplan con todas las exigencias del ensayo, con lo cual se eliminan en un alto grado posibles mediciones erróneas que no correspondan a la realidad. La roca ensayada es, de acuerdo a la norma una arenisca, dado que su resistencia a la tracción es de 3.67 MPa dado que el promedio de la arenisca es de 3.85 Mpa. El tipo de ruptura TS
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Anexos
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Bibliografía
Apuntes tomados en cátedra y laboratorio de Fundamento de mecánica de rocas - Profesor Miguel Vera. USACH. Norma ASTM D 3967 Norma ISRM Suggested Method for Determining Indirect Tensile Strength by the Brazil.
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