Propiedades de las rocas, mecanica de rocas

Propiedades de las rocas, mecanica de rocas

1. Propiedades Mecánicas de las Rocas

2. Resistencia a la compresión simple C arga por unidad de área a la que el material falla. S e mide en una prensa hidráulica que registra el esfuerzo compresor aplicado sobre una probeta de material en una dirección del espacio, y la deformación lineal inducida en esa misma dirección.

3. Deformación: La deformación lineal es igual al cambio de longitud experimentado por la longitud original de la probeta : La deformación inducida sobre un cuerpo puede ser elástica o plástica. La deformación es elástica cuando el cuerpo recupera su forma y volumen iniciales una vez que para la acción de las fuerzas externas. En caso contrario, la deformación es plástica.

4. Ley de Hooke: El tramo de la curva esfuerzo - deformación donde el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación representa a la ley de Hooke, hasta un límite denominado límite de proporcionalidad, representado en la Figura por el punto a.

5. Ley de Hooke: En este tramo, el comportamiento del material es elástico, o sea que si se disminuye lentamente el esfuerzo aplicado, se recorre el mismo tramo de la curva en sentido contrario, hasta alcanzar el punto de origen donde el esfuerzo y la deformación son nulos. La proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación en el tramo de la ley de Hooke permite definir el módulo de Young o módulo de elasticidad (E). Este módulo es la constante de proporcionalidad, de manera que: Este valor es característico para distintos materiales, por lo que puede utilizarse para comparar las características mecánicas de los mismo.

6. Curva esfuerzo-deformación Al aumentar el esfuerzo y superarse el límite elástico (punto b), la deformación aumenta rápidamente y es en parte permanente . Al aumentar el esfuerzo se llega finalmente al punto d, donde el cuerpo experimenta una fracturación.

7. Resistencia a la compresión de las rocas. Las rocas naturales son relativamente resistentes a la compresión, de estas, las sedimentarias son las más débiles debido a su mayor porosidad y variable grado de cementación. Aunque no puede generalizarse el efecto del tamaño de grano, Puede decirse que, en general, la resistencia a la compresión aumenta a medida que aumenta el tamaño de grano de los materiales, al igual que otras variables como composición mineral, estructura, porosidad, cementación, etc.

8. Clasificación de las rocas según su resistencia a la compresión.

9. Resistencia a la Tensión E s el esfuerzo tensional por unidad de área al que el material falla. Esta propiedad, depende de la resistencia de los minerales, del área interfacial entre granos en contacto y del cemento intergranular e intragranular .   Respecto a los materiales pétreos de construcción, puede generalizarse que, para un material dado, la magnitud de la resistencia a la tensión suele ser menor que la resistencia a la compresión.

10. Ensayo de tensión directa Existen distintas técnicas para medir la resistencia a la tensión en materiales pétreos, pero el mas común es el ensayo de tracción directa, donde se utilizan probetas cilíndricas con una razón longitud/diámetro de 2 a 2.5. Los extremos de las probetas se introducen en unas cápsulas que están unidas a cadenas que transmiten el esfuerzo tensional sin introducir componentes de torsión.

11. Resistencia a la tensión de algunas rocas

12. Resistencia a la Flexión E s la resistencia de un material a ser doblado. La medida de esta propiedad se realiza con barras de material asentadas sobre dos pivotes y aplicando carga sobre el centro de la barra (norma ASTM C99-52). La resistencia a la flexión (Sm) viene dada por la expresión : donde: P es la carga aplicada l es la distancia entre los pivotes y d 3 es el diámetro de la probeta

13. Fatiga Cuando los materiales sufren esfuerzos de forma cíclica sin llegar al punto de ruptura, se observa un debilitamiento mecánico con el tiempo. Esto implica una pérdida de sus propiedades mecánicas, que puede dar lugar a la fracturación bajo esfuerzos mucho menores que los apropiados para los materiales “frescos” que no han sido sometidos a esfuerzos. A esta característica de los materiales se le denomina  fatiga .

14. Se ha encontrado que la causa fundamental del fallo por fatiga de los materiales pétreos es la  microfracturación . Inicialmente, se produce una  microfracturación  entre los contactos de grano y en el interior de los cristales. Luego, existe un periodo con escasa deformación adicional. Por último, las  microfracturas  se unen, iniciándose el fallo del material.

15. Fatiga La resistencia a la tensión es una propiedad importante desde el punto de vista de los procesos de alteración de materiales pétreos de construcción, debido tanto a la existencia de procesos de alteración cíclicos que generan importantes esfuerzos tensionales capaces de producir fallos mecánicos por fatiga en los materiales, como al hecho de ser la propiedad mecánica cuantitativamente más deficiente en los mismos. Entre los procesos de deterioro mecánico por generación de esfuerzos tensionales cabe destacar los cambios volumétricos que sufren los materiales al sufrir variaciones de temperatura, la formación de hielo y la cristalización e hidratación/deshidratación de sales solubles en el interior del sistema poroso de los materiales.

16. Dureza Es la propiedad de los materiales para resistir la penetración de otro cuerpo. Para el caso de minerales, la dureza se ha considerado clásicamente como la resistencia que presenta un mineral a ser rayado por otro mineral o material. Friedrich Mohs dedujo empíricamente una escala cualitativa basada en las durezas relativas de distintos minerales.

17. Dureza en las rocas Aplicadas a los materiales pétreos, esta propiedad es importante para evaluar la trabajabilidad , con utensilios de impacto y abrasivos, de los materiales en la cantera y en la obra. Existen muchos métodos de evaluar la dureza: la resistencia al rayado, a la abrasión, al rebote y al impacto. La gran complejidad de los materiales pétreos no permite una correlación clara entre los distintos parámetros de resistencia mecánica y de dureza, aunque en general, la dureza de los materiales aumenta a medida que la resistencia a la compresión aumenta. Dado que las rocas son materiales frágiles, presenta débil o moderada resistencia al impacto. Esto permite en la mayor parte de los casos un buen acabado. Lo mismo puede decirse de su buena trabajabilidad por pulido, particularmente en rocas como calizas y mármoles, aunque existen rocas relativamente duras (aquellas que presentan abundante cuarzo, como cuarcitas y granitos) que resisten bien la rayadura y la abrasión.

18. Expansión térmica El incremento de la temperatura de cualquier material produce un aumento de su volumen. Esto se debe a que la energía térmica absorbida induce un incremento en las vibraciones de los átomos constitutivos de la materia, agrandando las distancias interatómicas. La medida de este fenómeno se realiza en términos del coeficiente de expansión térmica (a). Este coeficiente representa el incremento relativo de volumen producido al aumentar la temperatura en un grado a presión constante, y puede escribirse como: a = 1/V*(DV/DT )

19. Expansión térmica lineal Por lo que se refiere a los minerales cuya estructura cristalina no es cúbica, como es el caso de la mayoría de los minerales que constituyen las rocas comunes, sus coeficientes de expansión térmica dependen de la dirección cristalina en la que se mida ( o sea que son anisótropos respecto a esta propiedad). Este comportamiento se denomina expansión térmica diferencial, y su medida se realiza en términos de coeficientes de expansión térmica lineal (l), que representan los incrementos relativos de longitud producidos al aumentar la temperatura en un grado a presión constante : l = 1/l*(Dl/DT)

20. Velocidad de las ondas sónicas El método de ensayo utilizado ha sido el de impulsos ultrasónicos. En este ensayo se suministra una vibración a la muestra y se mide el tiempo requerido para la propagación de la onda a lo largo de la longitud de la muestra, entre dos caras paralelas .

21. Mediante este ensayo puede obtenerse la velocidad de propagación de las ondas de compresión longitudinales, ( Vp ), y la velocidad de las ondas de cizalla o transversales, (Vs).

22. La velocidad de propagación de las ondas elásticas al atravesar la roca depende de la densidad y de las propiedades elásticas del material, y su medida aporta información sobre algunas características como la porosidad.

23. Procedimiento de la prueba de impulsos ultrasónicos El equipo utilizado está constituido por un generador de impulsos, dos transductores (transmisor y receptor) equipados con cristal de cuarzo y un osciloscopio para el análisis de las ondas recibidas. El acoplamiento entre las muestras y los transductores fue rígido, utilizándose como interfase de unión .

24. Se preparan cinco probetas cilíndricas de 35 mm de diámetro y unos 65mm de altura, extraídas de bloques de roca matriz, sin discontinuidades. Sobre dichas probetas se ha determinado la porosidad por el método de la pesada hidrostática .

25. En cada una de las probetas se determinó el Vp y Vs en condiciones secas y saturadas. El secado se consigue colocando las probetas durante 24 horas en un horno a 80°C. La saturación es un proceso más elaborado, en el cual las probetas se ponen 14 horas de vacío seco; introducción lenta de agua sin romper el vacío; otras 10 horas de vacío sumergidas las muestras en agua, y finalmente, 36 horas más de inmersión libre en agua