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FACULTAD DE INGENIERÍA

MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

MATERIALES PÉTREOS – LA ROCA

Docente: M.C. Ing. Luis Matías Tejada Arias

MATERIALES DE CONTRUCCIÓN

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TRABAJO PRÁCTICO

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ESTUDIO DE LA ROCA Grupos de 05 alumnos como máximo Obtener 04 muestras prismáticos de roca de 50x50x50 mm (02 de 02 diferentes tipos de roca caliza, granito, traquita)

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DEFINICIONES

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Tipos de Rocas

La roca como material de construcción

En proyectos de movimiento de tierras, se estudia la roca como superficie de fundación o como relleno para estructuras

Mejoramiento con relleno de roca

La roca como material de construcción

Estudio de la roca en taludes de corte

Para estabilización de taludes cortados de roca

La roca como material de construcción

Estudio de la roca para su clasificación y determinación de su debido sostenimiento en obras subterráneas y taludes naturales o de corte

La roca como material de construcción CLASIFICACIÓN RMR DE BIENIAWSKI

Estudio de la roca para su clasificación y determinación de su debido sostenimiento en obras subterráneas

La roca como material de construcción La roca ornamental o piedra, deberá estudiarse, para poder utilizarse y destilarse a ser instalada según sus propiedades, ya que algunas rocas prestan mejores condiciones al desgaste o cargas

Masa al aire de la roca (P)

Fuente: TEORÍA Y PROBLEMAS DE MATERIALES DE CONTRUCCIÓN, Mayor, G. Madrid

Volumen aparente (V) Volumen del sólido (Volumen real, Vr) de la roca incluyendo los poros accesibles e inaccesibles Poros accesibles, huecos accesibles(ha) Poros inaccesibles, huecos inaccesibles (hi)

𝑉 =𝑎∗𝑏∗𝑐

𝑉 = 𝑉𝑟 + ℎ𝑎 + ℎ𝑖

Volumen sólido, Volumen real (Vr)

Fuente: TEORÍA Y PROBLEMAS DE MATERIALES DE CONTRUCCIÓN, Mayor, G. Madrid

Poros accesibles, huecos accesibles(ha)

Poros accesibles (ha)

Poros inaccesibles, huecos inaccesibles (hi)

También llamados abiertos, son los que están en contacto con el aire exterior a la roca

Poros inaccesibles (hi) También llamados cerrados, son los que no están en contacto con el aire exterior a la roca

Volumen real (Vr) Volumen que ocupa la roca sin contar los poros

Volumen sólido, Volumen real (Vr)

𝑃𝑜𝑟𝑜𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 = ℎ = ℎ𝑎 + ℎ𝑖

𝑉𝑟 = 𝑉 − ℎ 𝑉𝑟 = 𝑉 − ℎ𝑎 − ℎ𝑖

Fuente: TEORÍA Y PROBLEMAS DE MATERIALES DE CONTRUCCIÓN, Mayor, G. Madrid

Densidades 𝐷𝑎 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 =

𝐷𝑟 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑎𝑙 =

Compacidad

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑃 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑉

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑃 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑉𝑟

Grado de densidad de los materiales, a mayor compacidad, menor porosidad

𝑃 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑉𝑟 𝐷𝑎 𝐶 = 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 = = = 𝑉 = 𝑃 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑉 𝐷𝑟 𝑉𝑟

Fuente: TEORÍA Y PROBLEMAS DE MATERIALES DE CONTRUCCIÓN, Mayor, G. Madrid

Porosidades Se considera la palabra absoluta su considera los poros totales (accesibles e inaccesibles) y la palabra relativo se consideran únicamente los poros accesibles. 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 ℎ ℎ𝑎 + ℎ𝑖 𝑃𝑜𝑟𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 = 𝑃𝑎 = = = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑉 𝑉 También se puede expresar según la compacidad: 𝑃𝑎 =

ℎ ℎ+𝑉−𝑉 𝑉 ℎ−𝑉 𝑉−ℎ = = + =1− =1−𝐶 𝑉 𝑉 𝑉 𝑉 𝑉

𝑃𝑜𝑟𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 = 𝑃𝑟 =

ℎ𝑎 𝑉

La porosidad también se puede referir al Volumen real Vr 𝑃𝑜𝑟𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 𝑎𝑙 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑟𝑒𝑎𝑙) =

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 ℎ = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑉𝑟

Fuente: TEORÍA Y PROBLEMAS DE MATERIALES DE CONTRUCCIÓN, Mayor, G. Madrid

Determinación de propiedades de la roca Si se sumerge en agua a la probeta hasta que el agua ocupe todos los poros abiertos, se seca su superficie con un trapo, se pesa al aire, La masa Ps de la muestra sería

Poros accesibles saturados (ha)

s

𝑃𝑠 = 𝑃 + ℎ𝑎 . 1

D𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∶ 1 𝑃: 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 ℎ𝑎: 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 𝑎𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑜𝑠

Fuente: TEORÍA Y PROBLEMAS DE MATERIALES DE CONTRUCCIÓN, Mayor, G. Madrid

Determinación de propiedades de la roca Si la probeta se pesa en una balanza hidrostática, aplicando el principio de Arquímedes, tenemos que la masa sumergida Ph:

Ph 𝑃ℎ = 𝑃 − 𝑉 − ℎ𝑎 1

D𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∶ 1 𝑃: 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 ℎ𝑎: 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 𝑎𝑏𝑖𝑒𝑟𝑡𝑜𝑠 𝑉: 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 Fuente: TEORÍA Y PROBLEMAS DE MATERIALES DE CONTRUCCIÓN, Mayor, G. Madrid

Determinación de propiedades de la roca Si se sumerge la probeta de roca saturada de agua en un picnómetro debidamente graduado, por diferencia de medidas de volumen se puede determinar el volumen de la probeta.

𝑉 − ℎ𝑎

Fuente: TEORÍA Y PROBLEMAS DE MATERIALES DE CONTRUCCIÓN, Mayor, G. Madrid

Ejercicios 1. La densidad aparente de una muestra de una muestra de roca es de 2,32 𝐾𝑔/𝑑𝑚3 y su densidad real 3,20 𝐾𝑔/𝑑𝑚3 . Después de sumergida en agua durante 24 horas, el agua representa el 10% del peso de la roca seca. Se desea saber el % de poros cerrados de la roca. 2. Una muestra de roca pesa 1766 Kg en seco, pesa 2242 Kg cuando está saturada de agua y luego de saturar pesa 1041 Kg en una balanza hidrostática. Se desea saber la densidad aparente, densidad real y la porosidad, sabiendo que todos los poros son accesibles. 3. Una roca tiene una densidad aparente de 1.9 𝐾𝑔/𝑑𝑚3 , su densidad real vale 2.6 𝐾𝑔/𝑑𝑚3 y el volumen de poros inaccesibles es doble que el de poros abiertos. Hallar el incremento de peso que experimentará una muestra de esa roca al estar saturada de agua, expresado en porcentaje del peso seco de la roca. 4. Una roca tiene una densidad real de 2,6 𝐾𝑔/𝑑𝑚3 , una densidad porosidad relativa del 2% referido al volumen aparente de la roca y los poros cerrados representan el 4% del volumen real. Se pide hallar la densidad aparente.

Fuente: TEORÍA Y PROBLEMAS DE MATERIALES DE CONTRUCCIÓN, Mayor, G. Madrid

ENSAYOS DE ESTUDIO DE LA ROCA

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ENSAYOS DE ESTUDIO DE LA ROCA Determinación de la densidad aparente y poros accesibles de roca Probetas:

serán un mínimo de 06 especímenes de forma cúbica, primatica o cilíndrica Volumen aparente mínimo de 60 ml ( 60 cm3)

Procedimiento:

1. Se marcan las probetas para la identificación de las mismas 2. Se miden y registran para verificar que cumplen con las condiciones geométricas y se identifica si es posible los planos de sedimentación.

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Determinación de la densidad aparente de roca Procedimiento: 1. Se determina la masa seca de la probeta a manteniendo en horno a 65 °C hasta obtener un peso constante, consideramos que se tiene una masa constante cuando la diferencia de pesadas no varia en más de 0,1%, los pesos se realizan con aproximación de 0,1% del peso. (P)

2. Se determina la masa saturada de la probeta, sumergiéndola en agua destilada hasta que alcance un peso constante para esto se realizarán pesadas cada 24 horas hasta que la diferencia de pesadas no varia en 0,1%, se seca superficialmente con una franela y se determina la masa saturada (Ps).

3. Se determina la masa bajo el agua, colocando la probeta saturada en una canasta pesada sumergida en agua, por diferencia de masas se determina la masa hidrostática de la probeta (Ph) 23

Determinación de la densidad aparente de roca Cálculos 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠 = ℎ𝑎 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝑉𝑎 = 𝑉 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 = 𝐷𝑎 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒

% 𝑃𝑜𝑟𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 =

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠 ∗ 100 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒

% 𝐴𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑜𝑟 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑚𝑒𝑟𝑠𝑖ó𝑛 = 24

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 ∗ 100 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎

ENSAYOS DE ESTUDIO DE LA ROCA Determinación de la densidad real de la roca Procedimiento: 1. Se supone que si se tritura la piedra hasta una finura elevada, se elimina los poros queda la parte sólida, se muele la probeta hasta obtener una muestra seca de mínimo 50g que pasen por el tamiz #200. 2. Se determina el volumen real de 50g exactos de la muestra utilizando un volunómetro, se llena el recipiente hasta la medida de 0 y se añade la muestra en pequeñas porciones evitando que se formen grumos y agitando, luego se mide el aumento de volumen del liquido que sería el volumen real de los 50g. El procedimiento también se podría realizar con un picnómetro mediante pesos. Aumento de volumen = volumen real de 50g de muestra 25

Determinación de la densidad real de la roca: Cálculos 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝐷𝑟 =

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑠𝑒𝑐𝑎 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑟𝑒𝑎𝑙

Mediante la densidad aparente ya obtenida y la utilización de la compacidad, se puede determinar el porcentaje de poros totales de la roca: 𝑃𝑜𝑟𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 = 1 −

𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑒𝑛𝑡𝑒 𝐷𝑎 =1− 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝐷𝑟

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑟𝑜𝑠 𝑖𝑛𝑎𝑐𝑐𝑒𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠 = ℎ𝑖 = ℎ − ℎ𝑎

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ENSAYOS DE ESTUDIO DE LA ROCA Determinación la resistencia a compresión de la roca ASTM C170: Resistencia de compresión de las piedras dimensionales Muestra: 1. La muestra debe estar seca o húmeda: Muestras secas -48 horas a 140 ±4º Fahrenheit (60º ±2 Celsius), Muestras húmedas deben ser inmersas en agua durante 48 horas a 72 ±4ºFahrenheit (22,2º ±2.2 Celsius).

2. Se deberá registrar las dimensiones de la probeta e identificar el plano de falla, según los planos de estratificación de la roca. Y seleccionar el modo de falla requerido (Perpendicular, Paralela, o sin referencia)

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Determinación la resistencia a compresión de la roca ASTM C170: Resistencia de compresión de las piedras dimensionales Muestra, modo de aplicación de la carga: Se deberá registrar las dimensiones de la probeta e identificar el plano de falla, según los planos de estratificación de la roca. Y seleccionar el modo de falla requerido (Perpendicular, Paralela, o sin referencia)

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Determinación la resistencia a compresión de la roca ASTM C170: Resistencia de compresión de las piedras dimensionales

Procedimiento Se centrará la probeta en la maquina de compresión y se aplicará la carga con velocidades no mayores a 70 𝐾𝑔/𝑐𝑚2 hasta la rotura del espécimen.

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Deformímetro