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• Lourdes Chafloque Velásquez

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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES ROCAS Y AGREGADOS

ING.NELSON E. HUANGAL C.

1. MATERIALES NATURALES PÉTREOS: ROCAS

Introducción

Una roca es un sólido cohesionado que está formado por uno o más minerales

Los minerales esenciales son aquellos que abundan en una roca

Los minerales accesorios aparecen en proporciones pequeñas

Origen de las rocas

Las rocas son como ¨cajas negras¨ que graban en su interior una valiosa información sobre los procesos históricos de nuestro planeta.

La Geología extrae de las rocas información necesaria y poder contar esta historia.

Existe una gran variedad de rocas pero éstas pueden ser agrupadas en solo tres grandes grupos según su origen y su aspecto.

Las rocas varían en color, tamaño de sus cristales o granos y los tipos de minerales que la componen.

Las distintas apariencias de las rocas están determinadas fundamentalmente por dos aspectos: uno es la mineralogía, es decir los diferentes componentes y la cantidad relativa de cada uno de ellos.

Tipos de rocas

Rocas Magmáticas: Rocas plutónicas

Granito

Sienita.

Diorita.

Rocas Magmáticas: Rocas volcánicas Piedra pómez

Basalto

Obsidiana.

Rocas sedimentarias Conglomerados.

Areniscas.

Arcillas.

Presentan granos de tamaño Formadas por granos de Sus granos son tan grande unidos por una pasta o tamaño medio visibles a pequeños que no se cemento. simple vista. Los granos de distinguen unos de otros arena están unidos entre sí. y es necesaria la lupa o el microscopio para percibirlos.

Rocas metamórficas Las pizarras surgen por metamorfismo de las arcillas. Su color suele ser variable, aunque frecuentemente es gris oscuro. Presentan foliación plana.

Los esquistos

En los gneises

son rocas de se puede observar a simple metamorfismo vista la disposición en intermedio. bandas alternas de los Se forman a partir de las minerales oscuros por un arcillas. lado y claros por otro.

Principales aplicaciones de la mecánica de rocas • EXCAVACIONES A CIELOABIERTO • EXPLOTACIÓN DE BANCOS DE ROCA CUYO PRODUCTO SE UTILIZA EN: • Escolleras • Material de mejoramiento • Pedraplenes • Agregado para concreto • Cortes en vías

Principales aplicaciones de la mecánica de rocas • EXCAVACIONES SUBTERRÁNEAS • Explotación de minerales • Túneles para vías • Túneles para conducción de aguas • Casa de máquinas hidroeléctricas • Para alojar tuberías de presión

Principales aplicaciones de la mecánica de rocas • CIMENTACIÓN DE PRESAS • Torres de tomas de agua • Torres de transmisión • Edificios • Reactores, radares • puentes

Propiedades índice de las Rocas • POROSIDAD • CONTENIDO DE AGUA • PESO VOLUMÉTRICO • ALTERACIÓN • ALTERABILIDAD • SENSITIVIDAD • MINERALOGÍA • DENSIDAD

POROSIDAD • Es la relación entre el volumen de vacíos y el volúmen de la muestra, la cuál se expresa en porcentaje. n(%) = Vv x 100 Vm

La porosidad se relaciona con la resistencia al esfuerzo cortante

CONTENIDO DE AGUA • Es la relación entre el peso del agua contenida en una roca y el peso de su fase sólida. Se expresa en porcentaje • Está muy ligado a la porosidad de la muestra y a la profundidad de la proviene la misma • A mayor contenido de agua mayor disminución de la resistencia.

PESO VOLUMÉTRICO • Es la relación entre el peso de la muestra y el volumen de la muestra • El peso y volumen de la muestra se realiza pesándola en el aire y luego pesándola sumergida en mercurio

Determinación del peso volumétrico

ALTERACIÓN • LAS ROCAS AL ESTAR EXPUESTAS AL MEDIO NATURAL SUFREN MODIFICACIONES EN SU ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN MINERALÓGICA • CUANDO SE ALTERA UNA ROCA SE INCREMENTA LA POROSIDAD Y POR LO TANTO SE PRODUCE MAYOR ABSORCIÓN DE AGUA

Relación de la porosidad con la absorción de agua para rocas

ALTERABILIDAD DE LAS ROCAS • ES LA CAPACIDAD DE UNA ROCA PARA ALTERARSE EN EL FUTURO • FACTORES CONDICIONANTES: • composición mineralógica • fisuras de la roca • agentes agresivos • tratamiento mecánico a que se somete

Uso de la roca de acuerdo con su alterabilidad

Sensitividad La sensitividad se establece al analizar la variación de su permeabilidad al cerrarse o abrirse sus fisuras bajo el efecto de una modificación del estado de esfuerzos aplicados. Para medir dichas variaciones de permeabilidad se realiza una prueba que consiste en utilizar una probeta cilíndrica de roca con una perforación central la cual se somete a dos tipos de flujo. 1. Flujo convergente y 2. Flujo divergente

Tipos de flujo para obtener la sensitividad de una muestra de roca

Propiedades Mecánicas de las rocas Resistencia Mecánica

Es una de las principales características de las rocas. En presencia de agua resisten menos. Normalmente no se suelen disponer de forma que tengan que soportar esfuerzos de tracción

Resistencia a compresión

Relación entre la carga de rotura y la sección sobre la que actúa esta.

Resistencia a tracción

En las rocas, la resistencia a tracción es pequeña, pues depende de la cohesión y esta es muy débil. Por norma general, la resistencia a tracción es 1/30 de la resistencia a compresión.

Propiedades Mecánicas de las rocas

Tenacidad

Resistencia de las rocas a la rotura por choque

Resistencia a la abrasión

Es la resistencia al desgaste producido por frotamiento de un material extraño. Importante para pavimentos.

Cauce de río: corresponde a la extracción desde el lecho del río, en los cuales se encuentra material arrastrado por el escurrimiento de las aguas.

Bancos de sedimentación

Pozos secos: zonas de antiguos rellenos aluviales en valles cercanos a ríos.

Canteras: es la explotación de los mantos rocosos o formaciones geológicas, donde los materiales se extraen usualmente desde cerros mediante lo que se denomina voladura

2. MATERIALES NATURALES PÉTREOS: AGREGADOS Elementos inertes del concreto que son aglomerados por la pasta de cemento para formar una estructura resistente

¿INERTES?

Antiguamente se decía que los agregados eran elementos inertes dentro del concreto ya que no intervenían directamente dentro de las reacciones químicas, la tecnología moderna establece que siendo este material el que mayor porcentaje de participación tendrá dentro de la unidad cúbica de concreto sus propiedades y características diversas influyen en todas las propiedades del concreto.

• Se define como agregado al conjunto de partículas inorgánicas de origen natural o artificial cuyas dimensiones están comprendidas entre los límites fijados en la NTP 400.011 • Son materiales que están embebidos en la pasta y ocupan aproximadamente el 75% del volumen de concreto. • Son los responsables de proporcionar la estabilidad volumétrica y durabilidad del concreto

EXTRACCION DEL AGREGADO Los yacimientos de agregados, son localizados en ríos, lagos, lechos marinos, cerros o lomas a partir de una exploración visual de las formaciones geológicas, y una vez localizados se realiza una exploración mecánica. Una vez identificado la veta se extrae por medios mecánicos o con explosivos si se trata de piedra muy dura.

SELECCIÓN DE LA CANTERA • Estudios de origen geológico. • Clasificación petrográfica y composición mineral del material. • Propiedades y comportamiento del agregado. • Costo de operación y rendimiento. Posibilidades de abastecimiento del volumen necesario. • Accesibilidad.

CLASIFICACION

PROCEDENCIA

GRADACION

DENSIDAD

NATURALES

AG. FINO

NORMALES

ARTIFICIALES

AG. GRUESO

LIGEROS

PESADOS

Por su procedencia:

GRAVA

PIEDRA CHANCADA

Por su gradación AGREGADO FINO Se define como aquel que pasa el tamiz 3/8” y queda retenido en la malla N° 200, el más usual es la arena producto resultante de la desintegración natural de las rocas.

AGREGADO GRUESO Es aquel que queda retenido en el tamiz N°4 y proviene de la desintegración natural o artificial de las rocas; puede a su vez clasificarse en piedra chancada y grava.

HORMIGÓN ó AGREGADO GLOBAL Es el material conformado por una mezcla de arena y grava este material mezclado en proporciones arbitrarias se encuentra en forma natural en la corteza terrestre y se emplea tal cual se extrae en la cantera.

•

Existe un limite en el contenido de agregados gruesos dado por la trabajabilidad del concreto. Si la cantidad de agregados gruesos es excesiva la mezcla se volverá difícil de trabajar y habrá una tendencia de los agregados gruesos a separarse del mortero (segregación).

•

La arena debe estar presente en una cantidad mínima que permita una buena trabajabilidad y brinde cohesión a la mezcla. Pero no debe estar en exceso porque perjudicará las resistencias.

•

Se debe optimizar la proporción de cada material de forma tal que se logren las propiedades deseadas a un mínimo costo.

Por su densidad: Se pueden clasificar en agregados de peso especifico relativo: • Normal comprendidos entre 2.50 a 2.75 • Ligeros con pesos específicos menores a 2.5 • Pesados cuyos pesos específicos son mayores a 2.75.

Las bajas densidades indican también que el material es poroso y débil y de alta absorción.

FISICAS

PROPIEDADES

QUIMICAS

RESISTENTES

TERMICAS

OTRAS

CONDICIONES DE SATURACIÓN

Estado

Humedad Total En los cálculos para el proporcionamiento de los componentes del concreto, se considera al agregado en condiciones de saturado y superficialmente seco, es decir con todos sus poros abiertos llenos de agua y libre de humedad superficial.

CONTENIDO DE AGUA

Peso específico: es la relación de su peso respecto al peso de un volumen absoluto igual de agua. Absorción: de los agregados se determina con el fin de controlar el contenido neto de agua en el concreto y se puedan determinar los pesos correctos de cada mezcla.

Porosidad Espacio no ocupado por materia sólida en la partícula de agregado Siendo una de las más importantes propiedades del agregado por su influencia en las otras propiedades de éste, puede influir en la estabilidad química, resistencia a la abrasión, resistencias mecánicas, propiedades elásticas, gravedad específica, absorción y permeabilidad.

REACCIONES EXPANSIVAS Es la reacción entre los constituyentes minerales activos de algunos agregados y los hidróxidos alcalinos de sodio y potasio en el concreto. Reacción álcali-sílice (RAS) Se produce cuando la disolución alcalina de los poros del concreto y los minerales silíceos de algunos áridos reaccionan para formar un gel, que al embeber agua, aumenta de volumen y consiguiente aumento de presión en el concreto lo que ocasiona fisuras y el deterioro del concreto.

 Reacción álcali-carbonato (RAC) Esta se produce entre los álcalis y piedras calizas dolomíticas.

RESISTENCIA La resistencia dependen de su composición, textura y estructura.

DUREZA , RESISTENCIA A LA ABRASIÓN: Se refiere a la capacidad de resistir impactos y fricción, Esta resistencia depende en gran medida del tipo de roca y su grado de cementación y consolidación.

DUREZA • •

Resistencia a la erosión o en general al desgaste. Depende de sus constituyentes. Talco

1

Yeso

2

Calcita

3

Se raya con una moneda de cobre

Fluorita

4

Se raya con la hoja de una cuchillo o un cristal de

Apatito

5

vidrio

Feldespato

6

Cuarzo

7

Topacio

8

Corindón

9

Diamante

10

Se raya con una uña

Raya una hoja de cuchillo o un cristal de vidrio

Raya todos los materiales comunes

TENACIDAD La tenacidad de un elemento implica dos conceptos de manera simultánea: su capacidad de resistir carga y su capacidad de deformarse. Las fibras dentro del concreto aumentan la tenacidad con respecto al concreto simple: le confiere la propiedad de continuar transfiriendo carga después de la fisuración. Esta capacidad de transferencia de carga se mide bajo el concepto de tenacidad o absorción de energía.

Los efectos térmicos en los agregados causan dilatación y fisuración (agrietamiento).

DURABILIDAD: Congelamiento y deshielo

CALOR ESPECIFICO Es la cantidad de calor necesaria para incrementar en un grado centígrado la temperatura. No varía mucho en los diversos tipos de roca salvo en el caso de agregados muy ligeros y porosos.

CONDUCTIVIDAD TERMICA Es la mayor o menor facilidad para conducir el calor. Está influenciada básicamente por la porosidad siendo su rango de variación relativamente estrecho.

DIFUSIVIDAD Representa la velocidad con que se pueden producir cambios térmicos dentro de una masa. Se expresa como el cociente de dividir la conductividad entre el producto de calor especifico por la densidad.

Tamaño máximo Corresponde al menor tamiz por el que pasa toda la muestra de agregado.

Tamaño nominal máximo Corresponde al menor tamiz en el cual se produce el primer retenido. •El tamaño máximo del agregado grueso será: -1/5 de la menor dimensión entre caras de encofrados ó -1/3 de la altura de las losas ó -3/4 del espacio libre mínimo entre varillas individuales de refuerzo.

Efectos del Tamaño de Partícula sobre la Cantidad de Pasta

Partícula de agregado

al dividirla en dos, aparecen nuevas superficies a cubrir con pasta

al dividir nuevamente en mitades aumentan las superficies a recubrir

Por lo tanto, cuanto mayor sea la superficie de los agregados mayor será la cantidad de pasta necesaria

Peso volumétrico: Es el peso del agregado que se requiere para llenar un recipiente con un volumen unitario especificado

Forma

Forma y textura Redondeadarugosa

Angular-rugosa

Angular-lisa

Redondeada y lisa

Forma

Angulosidad Superficie Necesidad de agua Trabajabilidad y Compactacion

Agregados Naturales

Agregados Triturados

Esférica

Cúbica

Larga/Plana

Redondeada Lisa

Larga/Plana

Angulosa Aspera Creciente

Decreciente Adherencia Creciente

Los agregados no deben formar combinaciones desfavorables con los elementos del cemento; no deben influir negativamente sobre la hidratación ni amenazar la protección contra la corrosión del refuerzo esto sucede cuando se encuentran diversas sustancias contaminantes.

Materia Orgánica Trae aparejado una demora en el fraguado y un retardo en la adquisición de resistencia, desconociendo si el concreto alcanzará la resistencia prevista en los cálculos para poder seguir avanzando en las etapas constructivas programadas.

Terrones de arcilla Durante el mezclado con agua los terrones se disgregan, transformándose en polvo de alta superficie específica. Los terrones no se disgregan al mezclarse con el agua y quedan como tales. En condiciones húmedas dentro de la masa de concreto al cabo de unos días pierden su poder cementante convirtiéndose en partículas blandas.

El Lignito Es un carbón mineral que se forma por compresión de la turba, convirtiéndose en una sustancia desmenuzable en la que aún se pueden reconocer algunas estructuras vegetales. Es de color negro o pardo .Su concentración en carbono varía entre el 60% y el 75% y tiene mucho menor contenido en agua que la turba.

Partículas inestables Algunos elementos que contaminan los agregados experimentan en contacto con el agua expansiones destructivas . Tal es el caso de la pizarra y otras partículas de baja densidad.

 En otros casos, inclusiones blandas , como el carbón, pueden hincharse y causar roturas en el concreto .  Las piritas de hierro presentan características expansivas, al reaccionar con el aluminio cálcico del cemento . La presencia de estas partículas se determina por la prueba de decantación en liquido denso.

POLVO Se adhiere a la superficie de las partículas de agregado:

 Es frecuente en arenas de lechos de ríos o playas  Puede aparecer entre los agregados en el proceso de trituración

 Puede aparecer por transporte mediante palas de arrastre con la incorporación de partículas del suelo. Provoca:

Disminución de la resistencia de la interfaz, por lo cual la resistencia mecánica del hormigón disminuye, y en especial, la resistencia a tracción. El polvo, por el proceso de exudación, llega a la superficie del hormigón formando una película de polvo, cemento y agua fácilmente desgastable. Puede provocar aumento del contenido cemento, el contenido de agua de mezclado, o ambos, manteniendo constante la relación.

Sales Solubles Los sulfatos reaccionan con el aluminato tricálcico del cemento provocando expansiones. Los cloruros atacan las armaduras y elementos metálicos embebidos en el concreto Los carbonatos o los bicarbonatos aumentan el pH del concreto lo que puede ocasionar un retardo del proceso de hidratación o provocar manchas denominadas eflorescencia.

METODOS DE ENSAYO

¿Qué es la granulometría? • La granulometría es la distribución de los tamaños de las partículas de un agregado

Módulo de fineza Esta dado por:

Los agregados con módulo de fineza bajo indican la preponderancia de partículas finas, con un área superficial total muy alta lo que será necesario cubrir con pasta.

MATERIALES – ENSAYO GRANULOMETÍA Juego de Tamices Sirve para separar las partículas de los agregados en diferentes tamaños

Balanza Digital

Brocha o cepillo

Tara

Para pesar las muestras de los agregados antes y después delos ensayos

Sirve como ayuda para extraer o sacar las partículas retenidas en los diferentes tamices y también para limpiar el limo

Nos sirve para colocar los diferentes agregados para poder pesarlos en la balanza.

Cucharón metálico Se utilizó para el método del cuarteo para separar los materiales.

CUARTEO Y PASOS PREVIOS AGREGADO GRUESO

CURVA GRANULOMÉTRICA DE AGREGADO GRUESO (1½", 1", ¾", ½", 3/8", N° 4, N° 8 , N° 16) FORMULAS: • % Retenido = Peso de material retenido en tamiz x100 Peso total de la muestra • % PASA = 100 – % Retenido Acumulado.

TABLA PARA GRANULOMETRÍA DE AGREGADO GRUESO Malla

Peso retenido % Retenido % Retenido acumulado % Que pasa

2" 1 1/2" 1" 3/4" 1/2" 3/8" N° 4 N° 8 N° 16 Fondo

0 0 392.4 1538.9 2906.3 1360.6 1608.6 66.4 4.1 18

0 0 4.97 19.49 36.81 17.23 20.37 0.84 0.05 0.23

∑ Total

7895.3

99.99

0 0 4.97 24.46 61.27 78.5 98.87 99.71 99.76 99.99

100 100 95.03 75.54 38.73 21.5 1.13 0.29 0.24 0.01

CURVA GRANULOMETRICA DEL AGREGADO GRUESO

CUARTEO Y PASOS PREVIOS AGREGADO FINO

GRANULOMETRÍA PARA AGREGADO FINO FORMULAS: 3/8”, 4”, 8”, 16”, 30”, 50”, 100”. • % Retenido = Peso de material retenido en tamiz * 100 Peso total de la muestra • % PASA = 100 – % Retenido Acumulado

TABLA PARA GRANULOMETRIA DE AGREGADO FINO

CURVA GRANULOMETRICA PARA EL AGREGADO FINO

Aplicaciones en la Ingeniería Civil Las aplicaciones que tienen las rocas en la ingeniería civil son variadas, podemos mencionar su uso en la elaboración del concreto, en la construcción de zapatas, columnas, pavimentos (carreteras, losas), alcantarillados, presas, etc.

En columnas

En vigas