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Universidad José Carlos Mariátegui ÍNDICE I.

RESUMEN. ………………………………………………………………….…Pág. 2

II.

INTRODUCCIÓN……………………………………………………………..Pág. 4 1. ROCAS……………………………………………………………………....… Pág. 5 2. TIPOS DE ROCAS………………………………………………………….... Pág. 6  ROCAS ÍGNEAS  ROCAS SEDIMENTARIAS  ROCAS METAMÓRFICAS 3. PROPIEDADES FÍSICAS…………………………………………………… Pág. 9  PESO ESPECÍFICO  DUREZA  DENSIDAD  POROSIDAD  PERMEABILIDAD  ABSORCIÓN  SATURACIÓN  CAPILARIDAD 4. RESISTENCIA DE LAS ROCAS……………………………………………. Pág. 22  A LA COMPRESIÓN  A LA TENSIÓN  MECÁNICA DE LAS FUERZAS CORTANTES 5. ELASTICIDAD DE LAS ROCAS……………………………………………. Pág. 25  MÓDULO DE ELASTICIDAD  MÓDULO DE COMPRESIÓN  COEFICIENTE DE POISSON  TENSIONES RESIDUALES

III.

CONCLUSIONES…………………………………………………………..….. Pág. 31

IV.

APORTE AL ALUMNO…………………………………………………...….. Pág. 32

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Universidad José Carlos Mariátegui RESUMEN

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INTRODUCCIÓN

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PROPIEDADES INGENIERILES DE LAS ROCAS 1. ROCAS En geología se le denomina roca a la asociación de uno o varios minerales, natural, inorgánica, heterogénea, de composición química variable, sin forma geométrica determinada, como resultado de un proceso geológico definido. Las rocas están sometidas a continuos cambios por las acciones de los agentes geológicos, según un ciclo cerrado (el ciclo de las rocas), llamado ciclo litológico, en el cual intervienen incluso los seres vivos. Las rocas están constituidas en general como mezclas heterogéneas de diversos materiales homogéneos y cristalinos, es decir, minerales. Las rocas poliminerálicas están formadas por granos o cristales de varias especies mineralógicas y las rocas monominerálicas están constituidos por granos o cristales de un mismo mineral. Las rocas suelen ser materiales duros, pero también pueden ser blandas, como ocurre en el caso de las rocas arcillosas o arenosas. En la composición de una roca pueden diferenciarse dos categorías de minerales: Minerales esenciales o Minerales formadores de roca.- Son los minerales que caracterizan la composición de una determinada roca, los más abundantes en ella. Por ejemplo, el granito siempre contiene cuarzo, feldespato y mica. Minerales accesorios.- Son minerales que aparecen en pequeña proporción (menos del 5% del volumen total de la roca) y que en algunos casos pueden estar ausentes sin que cambien las características de la roca de la que forman parte. Por ejemplo, el granito puede contener zircón y apatito.

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2. TIPOS DE ROCAS Las rocas se pueden clasificar atendiendo a sus propiedades, como la composición química, la textura, la permeabilidad, entre otras. En cualquier caso, el criterio más usado es el origen, es decir, el mecanismo de su formación. De acuerdo con este criterio se clasifican en ígneas o magmáticas, sedimentarias y metamórficas, aunque puede considerarse aparte una clase de rocas de alteración, que se estudian a veces entre las sedimentarias.

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ROCAS ÍGNEAS

Se forman por la solidificación del magma, una masa mineral fundida que incluye volátiles, gases disueltos. El proceso es lento, cuando ocurre en las profundidades de la corteza, o más rápido, si acaece en la superficie. El resultado en el primer caso son rocas plutónicas o intrusivas, formadas por cristales gruesos y reconocibles, o rocas volcánicas o extrusivas, cuando el magma llega a la superficie, convertido en lava por desgasificación. Las estructuras originales de las rocas ígneas son los plutones, formas masivas originadas a gran profundidad, los diques, constituidos en el subsuelo como rellenos de grietas, y coladas volcánicas, mantos de lava enfriada en la superficie. Si el enfriamiento es rápido los cristales apenas se ven. Clásicamente las rocas magmáticas se clasifican en tres grupos: Plutónicas.- Se originan a grandes profundidades. Se caracterizan por presentar cristales visibles a simple vista. Un ejemplo es el granito y la sienita Volcánicas.- Formadas en la superficie de la corteza. Se caracterizan por presentar cristales muy pequeños apenas apreciables. Un ejemplo sería el basalto. Filonianas.-Son rocas que se forman a poca profundidad. Se caracterizan por presentar cristales grandes. Un ejemplo serían las pegmatitas.

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ROCAS SEDIMENTARIAS

Los procesos geológicos que operan en la superficie terrestre originan cambios en el relieve topográfico que son imperceptibles cuando se estudian a escala humana, pero que alcanzan magnitudes considerables cuando se consideran períodos de decenas de miles o millones de años. Así, por ejemplo, el relieve de una montaña desaparecerá inevitablemente como consecuencia de la meteorización y la erosión de las rocas que afloran en superficie. En realidad, la historia de una roca sedimentaria comienza con la alteración y la destrucción de rocas preexistentes, dando lugar a los productos de la meteorización, que pueden depositarse en el mismo lugar donde se originan, formando los depósitos residuales, aunque el caso más frecuente es que estos materiales sean transportados por el agua de los ríos, el hielo, el viento o en corrientes oceánicas hacia zonas más o menos alejadas del área de origen. Estos materiales, finalmente, se acumulan en las cuencas sedimentarias formando los sedimentos que, una vez consolidados, originan las rocas sedimentarias. Se constituyen por diagénesis (compactación y cementación) de los sedimentos, materiales procedentes de la alteración en superficie de otras rocas, que posteriormente son transportados y depositados por el agua, el hielo y el viento, con ayuda de la gravedad o por precipitación desde disoluciones. Las rocas sedimentarias se forman en las cuencas de sedimentación, las concavidades del terreno a donde los materiales arrastrados por la erosión son conducidos con ayuda de la gravedad. Las estructuras originales de las rocas sedimentarias se llaman estratos, capas formadas por depósito, que constituyen formaciones a veces de gran espesor. Se dividen en: Detríticas.- Si se originan a partir de fragmentos de otras rocas. Químicas.- Si se forman a partir de la precipitación de compuestos químicos (sales). Orgánicas.- Si se forman por acumulación de restos de seres vivos.

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ROCAS METAMÓRFICAS

En sentido estricto es metamórfica cualquier roca que se ha producido por la evolución de otra anterior al quedar está sometida a un ambiente energéticamente muy distinto de su formación, mucho más caliente o más frío, o a una presión muy diferente. Cuando esto ocurre la roca tiende a evolucionar hasta alcanzar características que la hagan estable bajo esas nuevas condiciones. Lo más común es el metamorfismo progresivo, el que se da cuando la roca es sometida a calor o presión mayores, aunque sin llegar a fundirse (porque entonces entramos en el terreno del magmatismo); pero también existe un concepto de metamorfismo regresivo, cuando una roca evolucionada a gran profundidad bajo condiciones de elevada temperatura y presión pasa a encontrarse en la superficie, o cerca de ella, donde es inestable y evoluciona a poco que algún factor desencadene el proceso. Las rocas metamórficas abundan en zonas profundas de la corteza, por encima del zócalo magmático. Tienden a distribuirse clasificadas en zonas, distintas por el grado de metamorfismo alcanzado, según la influencia del factor implicado. Por ejemplo, cuando la causa es el calor liberado por una bolsa de magma, las rocas forman una aureola con zonas concéntricas alrededor del plutón magmático. Muchas rocas metamórficas muestran los efectos de presiones dirigidas, que hacen evolucionar los minerales a otros laminares, y toman un aspecto laminar. Ejemplos de rocas metamórficas, son las pizarras, los mármoles o las cuarcitas.

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3. PROPIEDADES FÍSICAS 

PESO ESPECÍFICO Se le llama peso específico a la relación entre el peso de una sustancia y su volumen. Su expresión de cálculo es:

Dónde: : Peso específico P : Peso de la sustancia V: Volumen de la sustancia ρ : Densidad de la sustancia m: Masa de la sustancia g : La aceleración de la gravedad En los minerales es función de la estructura cristalina y la composición del mineral, así como de la temperatura y presión, ya que los cambios de estos factores provocan contracciones (descenso de T y/o aumentos de P) o expansiones (aumento de T y/o descenso de P) de las estructuras. Los cambios de estructura afectan a estas magnitudes; así por ejemplo, la calcita presenta un peso específico de 2.72 y el aragonito 2.94, y el cuarzo-a 2.65 y el cuarzo-b 2.40. La composición también afecta en el caso de los minerales solución sólida; así por ejemplo, el peso específico del olivino aumenta a medida que los átomos de Fe (más pesados) sustituyen a los de Mg (más ligeros).

El peso específico o peso específico verdadero de una sustancia es la razón entre la masa de una unidad de volumen de la sustancia y la masa de la misma unidad de volumen de agua destilada. Para los sólidos, el volumen considerado es el de la parte impermeable. El peso específico global se define de manera similar, aunque considera el volumen total del cuerpo, incluyendo los poros. Propiedades ingenieriles de las rocas

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Universidad José Carlos Mariátegui Cuadro con los pesos específicos de algunas rocas:

ROCAS Arenisca Arenisca Porosa Basalto o Meláfiro Caliza Compacta Caliza Porosa Diabasa Diorita Dolomita Gneis Grabo Granito Mármol Pizarra Pórfido Sienita Travertino

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Peso específico N/m3 2600 2400 3000 2800 2400 2800 3000 2900 3000 3000 2800 2800 2800 2800 2800 2400

DUREZA Se llama dureza al grado de resistencia que opone un mineral a la deformación mecánica. Un método útil y semicuantitativo para la determinación de la dureza de un mineral fue introducido por el químico alemán Mohs. El creó una escala de dureza de 10 niveles. Para cada nivel existe un mineral representativo y muy común. El mineral del nivel superior perteneciendo a esta escala puede rayar todos los minerales de los niveles inferiores de esta escala. La dureza de un mineral desconocido puede averiguarse rascando entre sí una cara fresca del mineral desconocido con los minerales de la escala de MOHS. El mineral más duro es capaz de rayar el mineral más blando. Los minerales de la escala de MOHS que rayan el mineral desconocido son más duros como esto, los minerales que son rayados por el mineral desconocido son menos duros. Por tanto la dureza del mineral desconocido se estrecha entre el nivel superior del mineral que puede rayarlo y el nivel inferior del mineral que es rayado por este mineral. Con cierta experiencia y algunos medios auxiliares simples se puede conocer rápidamente la dureza de forma aproximada.

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Universidad José Carlos Mariátegui Los minerales que pertenecen a la escala de MOHS son los siguientes:

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Universidad José Carlos Mariátegui La dureza de un mineral depende de su composición química y también de la disposición de sus átomos. Cuanto más grande son las fuerzas de enlace, mayor será la dureza del mineral. Grafito y diamante por ejemplo son de la misma composición química, solamente se constituyen de átomos de carbono C. Grafito tiene una dureza según MOHS de 1, mientras que diamante tiene una dureza según MOHS de 10. En la estructura del diamante cada átomo de carbono que tiene 4 electrones en su capa más exterior - puede alcanzar la configuración de ocho electrones compartiendo un par de los mismos con 4 átomos de carbono adyacentes, los cuales ocupan las esquinas de una unidad estructural de forma tetraédrica. El enlace covalente entre los átomos de carbono se repite formando una estructura continua, dentro de lo cual la energía de los enlaces covalentes se concentra en la proximidad de los electrones compartidos, lo que determina la dureza excepcional del diamante. En la estructura del grafito, los átomos de carbono se presentan en capas compuestas por anillos hexagonales de átomos, de modo que cada átomo tiene 3 que lo rodean. Las capas de átomos del grafito están separadas una distancia relativamente grande, y quedan átomos dispuestos en forma alternada, exactamente por encima de los átomos de la capa adyacente. La causa de la poca dureza del grafito es que los enlaces entre las capas de átomos son muy débiles, mientras que los átomos en el interior de las capas están dispuestos mucho más próximos que en la estructura del diamante. 

DENSIDAD La densidad es la relación entre la masa y el volumen de la sustancia, midiéndose en unidades de kg/m3. Dicho parámetro se recoge en diferentes especificaciones, como la ASTM, para la utilización de las rocas ornamentales para edificación. Por ejemplo, la densidad mínima para granitos es 2,56 g/cm3. La fórmula para hallar la densidad de una roca es:

Dónde: ρ: Densidad (kg/m3) M: Masa de la sustancia (kg) V: Volumen de la sustancia (m3) En función de la fracción de porosidad que se considere, se puede definir diferentes tipos de densidad, como la densidad real, de conjunto y aparente:

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Universidad José Carlos Mariátegui La densidad real (PR).- Excluye la porosidad, y se define como el cociente entre la masa de la roca en seco y el volumen de sólido. Ésta se puede obtener mediante los picnómetros de agua y helio, y calcular como el sumatorio de la fracción de cada mineral que constituye la roca (también llamada densidad de grano).

Dónde: ρ: Densidad (kg/m3) M: Masa de la sustancia (kg) Vr: Volumen real de la sustancia (m3)

La densidad de conjunto o bulk (PB).- Incluye la porosidad total (conectada y no conectada), y se define como el cociente entre la masa de la roca en seco y el volumen de la probeta.

Dónde: ρ: Densidad (kg/m3) M: Masa de la sustancia (kg) Vre: Volumen relativo de la sustancia (m3) Vre = Va - ha Va = Volumen aparente ha = Volumen de huecos accesibles

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La densidad aparente (AP).- Depende de la porosidad que puede acceder los fluidos en cada técnica de caracterización (poro simetría de mercurio, inmersión, capilaridad, etc.). En esencia, el volumen aparente excluye a los poros donde el fluido puede llegar (porosidad accesible).

Dónde: ρ: Densidad (kg/m3) M: Masa de la sustancia (kg) Va: Volumen aparente ROCAS

Granitos Anortositas Dioritas Sienitas Diabasas Basaltos Peridotitas Cuarcitas Mármoles Gneises Porfiritas Yeso Caliza

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DENSIDAD gr / cm3 Media Límites de variación 2.6 2.4 – 2.7 2.7 2.6 – 2.8 2.8 2.7 - 2.9 2.8 2.6 – 2.9 2.9 2.8 – 3.1 3.0 2.6 - 3.3 3.2 2.8 – 3.6 2.5 2.3 – 2.7 2.7 2.6 – 2.8 2.7 2.6 – 3.2 2.8 2.7 – 2.9 2.2 2.2 – 2.3 2.1 1.5 – 2.8

POROSIDAD Es el volumen de huecos por unidad de volumen de la formación. Es decir, la fracción del volumen total de una muestra que está ocupada por poros o espacios vacíos. El símbolo de la porosidad es υ. Una sustancia densa y uniforme, como lo es un pedazo de vidrio, tiene porosidad cero. Por el contrario, una esponja tiene una porosidad muy alta. La porosidad de las formaciones del subsuelo puede variar considerablemente. Los carbonatos densos (calizas y dolomitas) y las evaporitas (sales, anhidritas y yeso), pueden tener porosidades cercanas a cero, para todos los efectos prácticos. Por su parte, las areniscas bien consolidadas pueden tener de 10% a 15% de porosidad, mientras que las no consolidadas pueden tener un 30% o más de porosidad.

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Universidad José Carlos Mariátegui Las lutitas o arcillas pueden tener una porosidad mayor a 40% llenas de agua, pero estos poros son considerados individualmente, por lo general estos poros son tan pequeños, que la roca es impermeable al flujo de los fluidos.

Los poros pueden clasificarse en función de su tamaño en: Megaporos:____________256-0.062 mm Macrocapilares:_________0.062-0.0001 mm Microcapilares:___________