Propiedades Ingenieriles Rocas

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Propiedades Ingenieriles de las rocas /INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA CIVIL

ÍNDICE: INTRODUCCIÓN.

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JUSTIFICACIÓN.

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OBJETIVOS.

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 Objetivo general.  Objetivos específicos.

4 4

I. CONCEPTO DE ROCA. II. PROPIEDADES FÍSICAS. 1. PERMEABILIDAD. 2. POROSIDAD. 3. ABSORCIÓN. 4. PESO ESPECÍFICO. 5. RESISTENCIA DE LAS ROCAS. 5.1. Resistencia a la compresión. 5.2. Resistencia a la tensión. 5.3. Resistencia a la flexión. 6. COEFICENTE DE POISSON. 7. TEXTURA. 8. DUREZA. III. TIPOS DE ROCAS:

5 5 5 5 6 7 10 10 13 14 15 15 15 16

III.I.     III.II.

Rocas ígneas o magmáticas.

16

Basalto. Granito. Piedra pómez (pumita). Andesita.

16 16 18 18

Rocas sedimentarias.

18

 Calizas.  Anhidrita.  Gres. III.III.

Rocas metamórficas.

 Cuarcitas.  Mármol.

18 19 19 19 19 19

ANEXOS.

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CONCLUSIONES.

33

RECOMENDACIONES.

34

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

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INTRODUCCIÓN: Las rocas son materiales solidificados de la superficie terrestre, compuesto de uno o varios minerales y también de sustancias amorfas no cristalinas, que forman masas de notables dimensiones y geológicamente independientes. Se clasifican en Magmáticas, Metamórficas, y Sedimentarias en función de su proceso de génesis. Todas las rocas están sometidas a un ciclo petrogenético más o menos completo. Las rocas pueden ser utilizados en la construcción, como agregados, materiales ornamentales, para acabados, etc. Las rocas, y otros materiales pétreos artificiales utilizados en la construcción, son sustancias heterogéneas caracterizadas por amplios rangos de variación composicional, textural y estructural. Esta variabilidad hace que las propiedades de los materiales, que son las que dictan sus campos de aplicación, sean también variables. Así, la adecuación de un material para un propósito concreto, tanto desde el punto de vista constructivo-ornamental como restaurador, debe basarse en determinadas propiedades que deben, a su vez, ser fácilmente medibles en el laboratorio. Las propiedades de los materiales se clasifican generalmente como físicas, químicas y mecánicas, aunque en el campo de la construcción/ornamentación/restauración también pueden incluirse las propiedades relacionadas con su trabajabilidad. Es evidente que la lista de propiedades que pueden medirse en un material es muy extensa. Por ello en este tema se presentan aquellas que tienen más relevancia desde el punto de vista que nos atañe. Dentro de las propiedades físicas se incluyen densidad, porosidad, permeabilidad a líquidos y gases, capacidad calorífica, conductividad y expansión térmicas, etc. Entre las propiedades químicas pueden incluirse la resistencia a soluciones ácidas y alcalinas, y a las reacciones inducidas por la presencia de sales. Las propiedades mecánicas incluyen la resistencia a la compresión, tensión, flexión e impacto y penetración por otro cuerpo y por otras acciones que involucran la generación de fuerzas, como la cristalización de hielo y sales en el interior del sistema poroso de los materiales y los cambios volumétricos de los mismos debidos a cambios de temperatura. Estas propiedades, que en última instancia resultan de la composición química y mineralógica de los materiales, de su textura y de su estructura, permiten caracterizar la resistencia de los materiales a los agentes de deterioro. Esto último gobierna la vida útil del material, que a fin de cuentas es equivalente a la vida útil de las partes del edificio construidas con el mismo y, para determinados elementos constructivos, del edificio mismo. Una misma propiedad de un material puede medirse en distintos aparatos, bajo distintas condiciones experimentales y utilizando probetas de muestra de distintas dimensiones y formas. Esto supone generalmente obtener resultados distintos para una misma propiedad, por lo que éstas deben medirse siguiendo normativas que aseguren que los datos obtenidos son comparables con los obtenidos en otros laboratorios.

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JUSTIFICACIÓN: La importancia de las rocas y su aplicación en las obras de ingeniería civil recaen en la composición de las mismas debido a los minerales, a la dureza y la facilidad de trabajo. De tal manera que facilitan así el laborioso y minucioso trabajo que tiene un ingeniero, garantizando a la ciudadanía la seguridad y el periodo de vida de la estructura o construcción a realizar.

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OBJETIVOS:  Objetivo general. Conocer la función de las rocas en el uso de la construcción civil, y ver cuánto nos ayuda, ya sea en tiempo, economía, estabilidad o en algunas propiedades que son necesarias en una obra.  Objetivos específicos. o o o o o

o o

Conocer las propiedades físicas de las rocas para tenerlas en cuenta a la hora de escoger la roca que nos apoyara en la construcción. El buen uso de las rocas para la sociedad, porque depende mucho también el lugar en que se realizará la obra para saber qué tipo usar. Saber en qué tipo de ambiente de obra no se pueden usar algunas rocas aun teniendo muy buenas propiedades para realizarla. El fácil reconocimiento de las rocas. Saber y distinguir los diferentes tipos de rocas, porque sus propiedades naturales varían y en algunos casos tienen transformaciones o alteraciones, que también pueden servir para otros casos de construcción. Que rocas son las más usadas y para qué. Conocer si en elementos constructivos de una obra, se usan ingredientes como las rocas que serán objetizadas en este trabajo.

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I.

CONCEPTO DE ROCA.

Es un agregado natural que puede ser semiduro a duro y que está constituido por uno o varios minerales y que son parte de la corteza terrestre. (Fig.1a – 1b) II.

PROPIEDADES FÍSICAS.

Una variedad de otras propiedades pueden ser útiles en la identificación de los minerales. Incluyendo el sabor, olor, el sentir (tocar) y la reacción con ácidos. Los minerales que son solubles en agua pueden tener un sabor perceptible. El sabor que se percibe si algunos de los minerales se disuelven en la saliva y activa los receptores del gusto en la lengua. Minerales comunes de los que se percibe un sabor incluyen halita (NaCl), que es salado, y silvita (KCl), que también es sal, pero es un poco más amarga que la halita. Muestras de minerales habitualmente manejados en un laboratorio de estudiante pueden adquirir un sabor salado (de la sal) en el sudor de las manos. Incluso a temperatura ambiente, la vibración térmica puede provocar elementos o moléculas para romper con la superficie de minerales débilmente en condiciones de servidumbre y ser transportado por el aire a los sensores de olor en la nariz. La mayoría de los minerales en condiciones de servidumbre iónicos, covalentes, metálicos y de la vinculación que tienen es demasiado fuerte para permitir que el olor sea perceptible. Los minerales que se calientan y tienen un enlace Van der Waals pueden tener un olor. Un ejemplo común es el grupo de los minerales de arcilla, muchos de los cuales tienen un enlace de van der Waals. La arcilla se percibe que tiene un olor a tierra. Sienten incluye una serie de percepciones, la mayoría de las cuales implican diversas propiedades de tamaño de grano y textura de la superficie, y por lo tanto sólo están vagamente relacionados con la estructura de cristal y / o composición de una propiedad de sentir que se asocia con el enlace Van der Waals. En el capítulo 3 que los enlaces de van der Waals que son muy débiles. De un dedo frota sobre la superficie de un mineral, tales como rompe grafito y permite que el mineral de difamar a producir la sensación grasienta. 1. PERMEABILIDAD: Calidad del cuerpo que deja pasar el agua u otro líquido a través de él 2. POROSIDAD: Propiedad de los organismos y los cuerpos sólidos de tener poros. La porosidad se ha obtenido con un porosímetro de inyección de mercurio sobre pequeñas muestras de unos mm de diámetro. Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 13, que permite apreciar la gran heterogeneidad en la distribución de poros de los travertinos y la homogeneidad de la porosidad de los morteros. No obstante, los mayores porcentajes de porosidad se localizan en ambos tipos de materiales en el rango de 0.001 y 0.01 milímetros (1-10 micras). En términos generales, puede concluirse que la porosidad de los morteros no difiere excesivamente de la de los travertinos. (Fig. 2) Aunque este tipo de ensayo no permite evaluar los porcentajes de radios de poro mayores de 1 mm, no se dispone de información sobre la porosidad macroscópica tan elevada que presentan tanto los travertinos como los morteros de restauración fabricados. No obstante, los ensayos de

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saturación libre en agua y desorción permiten especular con una macro - porosidad similar en ambos materiales. 3. ABSORCIÓN: Retención por una sustancia de las moléculas de otra en estado líquido o gaseoso: Estas propiedades se relacionan con la movilidad de vapor de agua o agua líquida en los materiales, esto es con la permeabilidad del medio a estas sustancias: Adsorción es la adhesión de moléculas de gases o de moléculas en solución a las superficies de los cuerpos sólidos con los que están en contacto. La higroscopicidad es la propiedad de los materiales de adsorber vapor de agua de la atmósfera. Absorción es la incorporación o asimilación de líquidos en el interior del sistema poroso del material. La succión de agua es la propiedad de los materiales de absorber agua líquida en contacto con los mismos. La higroscopicidad está controlada por la temperatura y humedad relativa del aire, por los tipos de poros, su número y tamaño, y por la naturaleza de la sustancia implicada. Debido a la naturaleza polar del agua, este último control se debe a la existencia o no de cargas residuales no compensadas en las superficies de las sustancias. Así, las superficies de algunas sustancias compuestas por átomos con enlaces iónicos atraen al agua (i.e., sustancias hidrófilas) mientras que las superficies de otros compuestos por átomos con enlaces covalentes la repelen (i.e., sustancias hidrófobas). Las sustancias hidrófilas tienen a disolverse en agua, mientras que las hidrófobas no, resistiendo la acción de los medios acuosos. A igualdad de otros factores, la higroscopicidad de un material depende del área superficial expuesta, i.e., incluyendo la de los poros y canales capilares. Los materiales con idéntica porosidad total, pero con poros más finos (capilares) son más higroscópicos que los que presentan poros grandes, lo cual es debido a que los primeros presentan mayor superficie específica. (Fig.3) La succión de agua en el interior de los sistemas porosos de los materiales incluye también la higroscopicidad. La saturación en agua afecta de forma sustancial a otras propiedades físicas y mecánicas de los materiales, tales como densidad global, conductividad térmica y resistencia mecánica, por lo que su medida es importante. La técnica es muy sencilla, y se basa en sumergir una probeta de muestra completamente en agua, a tiempos parciales, y medir el incremento de masa de las probetas en esos tiempos. Las recomendaciones del Documento NORMAL 7/81 indican utilizar probetas cúbicas de 5x5x5 cm. Los incrementos de masa permiten calcular la cantidad de agua absorbida:

Wt 

Mt  M0 M0

 100

dónde: -

Wt (%) es el contenido de agua absorbida en el tiempo t (s). Mt (kg) es el peso medido en el tiempo t (s).

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-

Mo (kg) es el peso seco de la muestra.

Por lo tanto, Wt representa incrementos de masa en % relativos al material seco. Estos datos permiten construir curvas Wt-t (generalmente, el tiempo se expresa como t ), que caracterizan el comportamiento del material. La absorción de agua es función de la porosidad total, y del tamaño y forma de los poros. Así, la cantidad de agua absorbida es siempre menor que la porosidad total del material ya que parte de los poros se encuentran cerrados, i.e., aislados del medio exterior y no accesibles al agua. Dado que los porcentajes de agua absorbida son proporcionales a la porosidad del material, y esta puede variar entre distintos materiales, se recurre a una normalización ulterior para comparar materiales de porosidad variada. Esta normalización se lleva a cabo respecto del porcentaje en peso de agua bajo saturación forzada, esto es, bajo condiciones de presión mucho menores de la atmosférica, tendiendo al vacío, recalculando el incremento de masa en los distintos tiempos respecto de la cantidad máxima de agua absorbida (Wt,max), esto es, el porcentaje de peso de agua para el tiempo t. Esta normalización permite obtener el grado de saturación en función del tiempo:

St 

Wt Ws

100

Dónde: -

St es el grado de saturación (%) Wt (%) es el porcentaje de peso de agua en el tiempo t (s) y Ws (%) es el porcentaje en peso de agua bajo la saturación forzada.

4. PESO ESPECÍFICO: Tanto la densidad como el peso específico son propiedades que no dependen de la dirección de medida, esto es, son propiedades escalares. Aunque se utilizan indistintamente, los términos de densidad y peso específico no son idénticos. La densidad es la relación entre la masa y el volumen de la sustancia, midiéndose en unidades de masa/unidades de volumen (e.g., g/cc). El peso específico es la relación numérica entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de agua a 4°C, esto es la relación entre las densidades del cuerpo y la del agua. Esta propiedad es adimensional (no se expresa en términos de unidades determinadas) ya que es la relación entre dos cantidades con la misma dimensión. Dado que el volumen del agua varía con la temperatura, se toma como referencia la densidad del agua a 4°C. Densidad = masa/volumen (gr/cc). Peso específico = Densidad cuerpo/Densidad agua a 4°C. En los minerales, ambas magnitudes son 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

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calcita presenta un peso específico de 2.72 y el aragonito 2.94, y el cuarzo- 2.65 y el cuarzo- 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), pasando de 3.22 para el Mg2 [SiO4] (forsterita pura) a 4.41 para el Fe2 [SiO4] (fayalita pura). Cuando se consideran otro tipo de sustancias (por ejemplo, rocas), la densidad o densidad real se define como la masa por unidad de volumen de una sustancia, esto es la razón entre la masa en reposo y su volumen, considerando sólo la parte impermeable (esto es, excluyendo el volumen ocupado por los poros):



M V

Dónde:  es la densidad (kg/m3). M es la masa (kg) de la sustancia. V es el volumen (m3) de la parte impermeable de la sustancia.

-

La densidad de algunos materiales de construcción se presenta en la Tabla 1. Tabla 1. Densidad (kg/m3) de algunos materiales de construcción (de Komar, 1987). -

Acero >> 7800-7900 Cemento Portland >> 2900-3100 Granito >> 2700-2800 Arena cuarzosa >> 2600-2700 Ladrillo >> 2500-2800 Vidrio >> 2500-3000 Caliza >> 2400-2600 Madera >> 1500-1600

La densidad global (a veces también denominada densidad aparente) es la masa por unidad de volumen de un material en su estado natural, incluyendo poros y todo tipo de espacios abiertos:

0 

M1 V1

Dónde: -

o es la densidad global del material (kg/m3) M1 es la masa global (kg) del material y V1 es el volumen global (m3) del material.

La densidad global de los materiales depende de su porosidad y contenido de espacios abiertos. Materiales sueltos como arena, piedra molida y cementos se caracterizan por su masa global. El volumen de estos materiales incluye tanto los poros y espacios abiertos existentes dentro de los

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granos como entre los granos. La densidad global de los materiales condiciona en gran medida sus propiedades físico-mecánicas, tales como resistencia a la compresión y conductividad térmica, que a su vez son cruciales para cálculo de estructuras y diseño de edificios. Evidentemente, la densidad global de los materiales es fuertemente variable (Tabla 2). 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. Tabla 2. Densidad global (kg/m3) y porosidad (%) de rocas y materiales de construcción (de Winkler, 1973 y Komar, 1987). Densidad global

Porosidad

Acero

7800-7850

Granito 2600-2800

0.15-1.5

Gabro 3000-3100

0.1-0.2

Riolita 2400-2600

4.0-6.0

Basalto 2800-2900

0.1-1.0

Arenisca

2000-2600

5.0-25.0

Lutita

2000-2400

10.0-30.0

Caliza

2200-2600

5.0-20.0

Dolomia

2500-2600

1.0-5.0

Gneiss

2900-3000

0.5-1.5

Mármol

2600-2700

0.5-2.0

Cuarcita

2650

Pizarra 2600-2700

0.1-0.5

Hormigón pesado

1800-2500

Hormigón ligero

500-1800

Ladrillo

1600-1800

Arena

1450-1650

Plástico poroso

20-100

0.1-0.5

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5. RESISTENCIA DE LAS ROCAS: 5.1. Resistencia a la comprensión: La resistencia a la compresión es la carga (o peso) por unidad de área a la que el material falla (se rompe) por fracturación por cizalla o extensional (Figura 4). Esta propiedad es muy importante en la mecánica de materiales, tanto en situación no confinada (i.e., uniaxial) como confinada (i.e., triaxial). Dado que los materiales cerca de la superficie terrestre, incluyendo los edificios, suelen estar sometidos a condiciones no confinadas, consideraremos exclusivamente esta situación. En este caso, la resistencia a la compresión uniaxial (i.e., longitudinal) se mide en una prensa hidráulica que registra el esfuerzo compresor (l) aplicado sobre una probeta de material en una dirección del espacio, y la deformación lineal (l) inducida en esa misma dirección. Es importante indicar que los resultados obtenidos en los experimentos de resistencia a la compresión para un mismo material dependen de la forma y tamaño de la probeta. Así, los prismas y cilindros largos presentan menores resistencias a la compresión que los cubos con la misma área de sección, y estos a su vez menores que los prismas y cilindros cortos (con alturas menores que sus lados o radios). Igualmente, la resistencia a la compresión depende de la tasa de aplicación de la carga, de forma que a mayores velocidades de compresión mayor es el valor de la resistencia. La metodología experimental puede seguir la norma ASTM D3148-86, según la cual las probetas de muestra serán cilíndricas, con una relación altura/diámetro comprendida entre 2.5 y 3 (e.g., 10 cm de altura por 4 cm de diámetro). Deben ensayarse al menos 5 probetas por cada tipo de material, manteniendo la tasa de aplicación de la carga constante (entre 0.5 y 1 MPa/s). Por otra parte, hay que evitar una mala colocación de la probeta en la prensa, para asegurar una distribución homogénea del esfuerzo compresor. El esfuerzo es igual a la fuerza aplicada por sección o superficie:

l 

Fl S

Dónde: F1 es la fuerza aplicada longitudinalmente, expresada en newtons en el sistema mks (N=kg·m·s-2), dinas en el sistema CGS o kilogramos-fuerza en el sistema técnico. -

S es la sección de la probeta (m2) y 1 es el esfuerzo lineal expresado en Pa (N/m2), dinas/cm2 o kg/m2 (las dimensiones del esfuerzo son las mismas que las de presión).

Dado que la fuerza es un vector, también lo es el esfuerzo. Así, dado que el signo de la fuerza se toma negativo por convenio cuando es compresiva, y positivo cuando es tensional, el esfuerzo compresor es negativo y el tensor es positivo. La deformación lineal es igual al cambio de longitud experimentado por la longitud original de la probeta:

l 

l1  l 0 l0



l l0

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Dónde: -

l0 (m) es la longitud original. l1 (m) es la longitud final. l (m) es el incremento de longitud de la probeta.

Puesto que al comprimir l0 es siempre mayor que l1, l0 y l son negativos (positivos para el caso de tensión). El valor de l (que es adimensional) es generalmente muy pequeño para materiales pétreos (del orden de 0.01 y menores). La deformación inducida sobre un cuerpo debido a la acción de un campo de fuerzas exteriores puede ser elástica o plástica. La deformación es elástica cuando el cuerpo recupera su forma y volumen iniciales una vez cesada la acción de las fuerzas externas. En caso contrario, la deformación es plástica (esto es, si la deformación persiste en parte). El que la deformación sea elástica o plástica depende de la naturaleza del cuerpo, de la temperatura, y del grado y tasa (velocidad) de deformación al que ha sido sometido. A temperatura constante, los materiales se comportan normalmente como elásticos cuando los esfuerzos aplicados son pequeños, si bien se tornan plásticos cuando los esfuerzos superan un cierto límite. Para estudiar el comportamiento mecánico de los materiales, se recurre a la experimentación sometiendo a los mismos a esfuerzos progresivos y registrando la deformación resultante. Estos datos se expresan en diagramas l-l como los de la Figura 5, donde toma la forma de curvas similares (en forma) a las obtenidas en los ensayos de succión capilar. En la Figura 5 puede apreciarse un tramo de la curva l-l donde el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación. Este comportamiento constituye la ley de Hooke, que aplica solo para pequeñas deformaciones, hasta un límite denominado límite de proporcionalidad, representado en la Figura 5 por el punto a. En este tramo, el comportamiento del material es elástico, esto es, si se disminuye el esfuerzo aplicado lentamente, 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:

E

l l

Donde el módulo de elasticidad E es positivo (l y l son negativos) y presenta las mismas dimensiones que el esfuerzo ya que l es adimensional. El valor del módulo de Young es característico para distintos materiales, por lo que puede utilizarse para comparar las características mecánicas de los mismos. Para deformaciones superiores al límite de proporcionalidad, existe un cierto tramo de la curva ll donde el comportamiento del material es elástico, aunque no existe proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación. El límite en el que el comportamiento del material deja de ser elástico se denomina límite elástico, representado por el punto b de la curva en la Figura 5.

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Al aumentar el esfuerzo y superarse el límite elástico (punto b), la deformación aumenta rápidamente y es en parte permanente. Así, si se disminuye el esfuerzo aplicado lentamente a partir del punto c de la curva, se recorrerá el trayecto indicado por una flecha de puntos hasta alcanzar el punto donde el esfuerzo es nulo, pero existe una cierta deformación permanente (el cuerpo no recupera su longitud original). Al aumentar el esfuerzo se llega finalmente al punto d, denominado punto de ruptura, donde el cuerpo experimenta una fracturación catastrófica por cizalla o fisuración extensional. Este punto de ruptura define, en términos del esfuerzo compresivo, la resistencia a la compresión (R). La resistencia a la compresión de los materiales de construcción es muy variable, oscilando desde materiales: Muy débiles (1400 kg/cm2). Las rocas naturales son relativamente resistentes a la compresión (no tanto a la tensión y flexión), aunque las rocas sedimentarias son las más débiles debido sobre todo a su mayor porosidad y variable grado de cementación, al igual que los hormigones (Tabla 3). 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, a igualdad de otras variables como composición mineral, estructura, porosidad, cementación, etc. Tabla 3. Resistencia a la compresión de algunas rocas y materiales de construcción (modificado de Winkler, 1973). (Mpa)

kg/m2·106

kg/cm2·103

Granito

97

310

10

32

1.0

3.2

Sienita

186

434

19

44

1.9

4.4

Gabro, diabasa

124

303

13

31

1.3

3.1

Basalto

110

338

11

34

1.1

3.4

Caliza

14

255

1

26

0.1

2.6

Arenisca

34

248

4

25

0.4

2.5

Gneiss

152

248

15

25

1.5

2.5

Cuarcita

207

627

21

64

2.1

6.4

Mármol

69

241

7

25

0.7

2.5

Pizarra 138

207

14

21

1.4

2.1

13

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Hormigón

5.5

69

1

7

0.1

0.7

La resistencia a la compresión de rocas utilizada en monumentos granadinos (Guardia. 1996, pag.140) Tabla 4. Resistencia a la compresión de rocas utilizadas en monumentos granadinos (Guardia Olmedo et al., (1986). Calcarenita:

75-500 kg/cm2

Travertino:

400-700 kg/cm2

Conglomerados:

200 kg/cm2

Caliza de Sierra Elvira:

600-900 kg/cm2

Mármol de Macael:

680-980 kg/cm2

Serpentinita:

400-700 kg/cm2

Las relaciones entre esfuerzo y deformación ilustradas en la Figura 5 son ideales, ya que representan un comportamiento estrictamente elástico para el material en el tramo lineal de la curva correspondiente a la ley de Hooke. No obstante, los materiales reales muestran relaciones esfuerzo-deformación más complicadas, no siguiéndose estrictamente la relación de linearidad. Esto significa que las curvas esfuerzo-deformación pueden presentar tramos elásticos, casielásticos, semi-elásticos y no-elásticos (o plásticos). Los tipos de curvas para materiales casielásticos, semi-elásticos y no-elásticos se representan en la Figura 6. Por otro lado, los materiales pueden clasificarse como frágiles y dúctiles (Figura 7). Los materiales frágiles (como el vidrio) se rompen cuando se supera el límite elástico, (b y d son muy cercanos), mientras que los materiales dúctiles (como el acero o el cobre) presentan un tramo de comportamiento plástico amplio. Como se ha indicado, la presencia de agua en el interior del sistema poroso de un material altera sus propiedades mecánicas. Este efecto se debe dos causas: 1) al desarrollo de presiones hidráulicas en los poros rellenos de agua que afectan a los esfuerzos intergranulares (i.e., contactos de granos), y 2) a la alteración de las propiedades de superficie de los granos (minerales). Esto puede causar inestabilidad a lo largo de superficies más débiles y disminuir la resistencia a la cizalla o fricción, produciéndose una reducción más o menos significativa de su resistencia a la compresión. 5.2. Resistencia a la Tensión: La resistencia a la tensión es el esfuerzo tensional por unidad de área a la que el material falla (se rompe) por fracturación extensional. Esta propiedad, que es una indicación del grado de coherencia del material para resistir fuerzas “tirantes”, depende de la resistencia de los minerales, del área interfacial entre granos en contacto y del cemento intergranular e intragranular. Existen distintas técnicas para medir la resistencia a la tensión, tanto en materiales pétreos como en morteros, cementos y hormigones. En el ensayo de tracción directa, quizás el más apropiado, se utilizan probetas cilíndricas con una razón longitud/diámetro de 2 a 2.5. Los extremos de las

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probetas se introducen (y pegan con resina epoxi) en unas cápsulas que están unidas a cadenas que transmiten el esfuerzo tensional sin introducir componentes de torsión. La norma ASTM D2936 regula los métodos y condiciones experimentales este ensayo. Los conceptos, definiciones y controles de la deformación introducidos anteriormente para la resistencia a la compresión pueden ser extendidos sin más problema a la resistencia a la tensión. Respecto de los materiales pétreos de construcción, puede generalizarse que, para un material dado, la magnitud de la resistencia a la tensión suele ser de un orden de magnitud menor que la resistencia a la compresión. En la Tabla 5 se presentan valores de resistencia a la tensión para algunas rocas medidos con la técnica de tracción directa. Tabla 5. Resistencia a la tensión (Mpa) de algunas rocas (de Touloukian y Ho, 1981). Basalto

8.6

Conglomerado

29.7

Calizas

4.2

5.8

Arenisca

1.1

1.7

Arenisca calcárea

4.3

Esquistos

3.1

5.3. Resistencia a la Flexión La resistencia a la flexión, o módulo de ruptura, es la resistencia de un material a ser doblado (plegado) o flexurado. 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:

Sm 

8  P l  d

3

Dónde: -

P (Pa) es la carga aplicada. l (m) es la distancia entre los pivotes. d3 (m) es el diámetro de la probeta

Si la probeta es cilíndrica, y por la expresión:

Sm 

3  P l 2b h

2

Dónde: -

b (m) es el ancho de la sección de la probeta. h (m) es el largo de la probeta.

si la probeta es prismática.

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Para un material pétreo dado, el valor de resistencia a la flexión es cercano al doble de su resistencia a la tensión medida con el método de tracción directa. 6.

COEFICIENTE DE POISSON

El coeficiente de Poisson (denotado mediante la letra griega) es una constante elástica que proporciona una medida del estrechamiento de sección de un prisma de material elástico lineal e isótropo cuando se estira longitudinalmente y se adelgaza en las direcciones perpendiculares a la de estiramiento. El nombre de dicho coeficiente se le dio en honor al físico francés Simeon Poisson. 7.

TEXTURA

Modo de construcción de la roca, describe las relaciones entre los componentes, que construyen la roca. Significa el modo de construcción de la roca y describe las relaciones entre las componentes constituyendo la roca. 'Textura' es determinada por la forma de los componentes minerales y por las relaciones geométricas de ellos. Los parámetros principales de 'textura' son: - La forma del grano. - La granularidad. - La cristalinidad. La forma del grano puede ser | - Idiomorfa: forma propia, la idiomorfía se muestra a través de las formas rectas de los bordes de los granos, p.ej. granates idiomorfos en una micacita con granate. | - Hipidiomorfa: forma entre forma propia y forma ajena p.ej. las hipidiomorfas plagioclasas en los granitos. | - Xenomorfa: forma ajena por ejemplo los xenomorfos cuarzos en los granitos. 8.

DUREZA.

La resistencia ofrecida por un mineral a la abrasión, o al raspado. Es de gran importancia en el reconocimiento rápido de los minerales, pues una dureza aproximada de una muestra se puede determinar fácilmente. La dureza de un mineral depende de su composición química y también de la disposición estructural de sus átomos. Cuanto más grandes son las fuerzas de enlace, mayor será la dureza del mineral. La dureza se mide por la resistencia que ofrece una superficie a la abrasión.

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La dureza de un mineral se determina por su situación aproximada en la escala de Mohs. El mineral de mayor dureza rayará al más blando. Dos minerales con la misma dureza no se rayarán entre sí, si lo hacen, será de una forma muy ligera. Si el cuarzo raya un mineral y el mineral raya al feldespato se dice que ese mineral tiene una dureza de 6.5. III. III.I.

Tipos de Rocas. (Fig. 8). Rocas ígneas o magmáticas:

Se forman por fusión de materiales de la corteza o el manto y tiende a ascender hacia la superficie debido a que su densidad es menor que las rocas que lo rodean. Durante el ascenso, el magma se enfría y empieza a cristalizar. Existen tres grandes grupos de rocas ígneas: Plutónicas, filonianas y volcánicas. Las rocas plutónicas cristalizan en el interior de la corteza y forman masas de considerable tamaño (plutones). Como pierden calor lentamente, todos los minerales tienen largo tiempo para cristalizar, son equigranulares.  Basalto: El basalto es una roca ígnea volcánica de color oscuro, de composición máfica —rica en silicatos de magnesio y hierro y bajo contenido en sílice—, que constituye una de las rocas más abundantes en la corteza terrestre. También se encuentra en las superficies de la Luna y de Marte, así como en algunos meteoritos. Los basaltos suelen tener una textura porfídica, con fenocristales de olivino, augita y plagioclasas y una matriz cristalina fina. En ocasiones puede presentarse en forma de vidrio, denominado sideromelano, con muy pocos cristales o sin ellos. Algunas utilidades de esta roca en la ingeniería civil son: -

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Construcción de empedrados. Construcción de cimientos y muros de contención. Excelente como árido por su superficie rugosa con adherencia magnifica para el cemento y el asfalto. Se utiliza como balasto. Cumple la función de aportar estabilidad a la vía férrea, haciendo que permanezca con la geometría dada durante su construcción. Adicionalmente cumple otras dos funciones importantes: distribuye las presiones que trasmite la vía al terreno, permite el drenaje del agua de lluvia, evitando que se deteriore el conjunto. Peldaños ( bajo cubierta ), pavimentación ( adoquines )  Granito:

Comprende a las rocas ardientes de estructura granular combinadas esencialmente de feldespato, mica y cuarzo. Es una roca que puede ser cortado y pulido a dimensiones y formas determinadas. Es más fuerte que el mármol, es más resistente al deterioro, a la corrosión y a la aplicación de esfuerzos de compresión. También podemos decir que es la roca más abundante de la corteza continental. Esta se origina cuando el magma, (es una mezcla que tiene varias fases de alta temperatura, dependiendo de su composición y evolución), con un alto contenido en sílice (es un componente de la arena que está compuesto de silicio y oxigeno) es creado por fusión de las rocas que los forman, sometidas esta al calor. El granito tiene que solidificarse lentamente y a gran

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presión. Debido al incremento de las lluvias ácidas en los países desarrollados, el granito está reemplazando al mármol. El granito pulido realza su utilidad en cocinas debido a durabilidad y cualidades estéticas. Utilidades que presenta esta piedra en la ingeniería civil son: -

Se utiliza para pisos, mesadas, pilares, otros. Usados también en adoquines, bordillos y mojones. Son buenos para la utilización en cimientos debido a su buena resistencia a la compresión. Es utilizado como árido grueso para la composición del hormigón armado. Los granitos coloreados, son buscados para revestimiento de fachadas, embaldosados de suelos. La densidad elevada del granito, su alta resistencia al desgaste, así como la posibilidad de obtener bloques de gran tamaño lo hace un material ideal para diques de puerto. Recubrimientos arquitectónicos. Diseño urbano y de interiores, veredas, muros de retención, muros anti incendios.

A) Algunas obras que se realizan con el granito:  Excavaciones: El granito sano admite taludes casi verticales (70-80º), en zona alterada no se debe pasar de 45º. Suele presentar bloques sueltos (salvo casos de granito muy sano) por lo que hay que sanear, sujetar con remaches, etc. La zona superficial suele estar alterada (jabre) por lo que se puede producir un comportamiento diferencial. Se dan problemas al excavar zanjas en granito parcialmente alterado, que requieren el uso de explosivos, y los frecuentes cambios de dureza al perforar.  Cimentaciones: No suele dar problemas de cimiento en granito sano, ya que presenta resistencias entre 300 y 1000 Kg/cm2, Se ha de tener cuidado con las zonas parcialmente alteradas por los asientos diferenciales.  Obras hidráulicas: El factor más importante es el comportamiento del granito alterado. Ocasionalmente pueden darse fuentes de mayor caudal, casi siempre ligadas a fracturas profundas y con características termales. En presas el embalse puede alimentar de agua las diaclasas incrementando su caudal. La más desfavorable suele ser la diaclasa por las posibles fugas a su través.

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 Piedra pómez (pumita): Algunas utilidades que presenta esta piedra en la ingeniería civil son: -

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Es utilizado como árido para la fabricación de hormigón armado para construcciones en donde no se necesite demasiada resistencia. En construcción se emplea para fabricar rocas ligeras (rocas esponjosas). Los trozos de pumita triturados y mezclados con cemento forman, una vez prensados, piezas adecuadas para la construcción. En zonas volcánicas donde la pumita es abundante, se ha utilizado para cimientos en viviendas tradicionales, sin embargo en la construcción moderna no se considera apta para cimientos debido a su porosidad. Es utilizada para revestimientos y muros.  Andesita:

Algunas utilidades que presenta esta piedra en la ingeniería civil son: -

Utilizado para pisos. Son rocas aptas para usarse como áridos. También son utilizados para la obtención de adoquines.

Otras piedras como la diorita (Roca magmática de textura granulosa, de color gris oscuro, constituida esencialmente de feldespato, anfibolita y mica y empleada especialmente en la construcción y como piedra ornamental) y el gabro dan buenos resultados en la utilización como agregados gruesos para los hormigones. III.II.

Rocas sedimentarias:

Se formaron por la acumulación de sedimentos que se consolidaron en rocas duras, firmes y estratificadas, por un proceso de meteorización, erosión, transporte y sedimentación de rocas pre – existentes, en un caso, en otros por proceso de precipitación y acumulación en la superficie de la tierra.  Calizas: Es una roca sedimentaria compuesta mayoritariamente por carbonato de calcio (CaCO3), generalmente calcita. También puede contener pequeñas cantidades de minerales como arcilla, hematita, siderita, cuarzo, etc., que modifican (a veces sensiblemente) el color y el grado de coherencia de la roca. El carácter prácticamente monomineral de las calizas permite reconocerlas fácilmente gracias a dos características físicas y químicas fundamentales de la calcita: es menos dura que el cobre (su dureza en la escala de Mohs es de 3) y reacciona con efervescencia en presencia de ácidos tales como el ácido clorhídrico. Usos en la Ing. Civil: -

Cementos.

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Morteros. Piedra de cantería.  Anhidrita.

Químicamente, la anhidrita es un sulfato cálcico (CaSO4). A diferencia de otros minerales semejantes, como puede ser el yeso (CaSO4·1/2H2O), la anhidrita no contiene agua en su estructura cristalina, es decir, se trata de un compuesto anhidro. Esta particularidad, así como su específica configuración cristalina, determinarán sus propiedades finales. Usos en la Ing. Civil: La anhidrita es una alternativa, medioambientalmente sostenible, al cemento para la elaboración de morteros auto nivelantes.  Gres: Es un tipo de cerámica muy utilizada para revestir suelos. Se presenta en numerosas variedades, tamaños, texturas y colores, por lo que se ha hecho muy popular, además del conveniente precio en comparación con otros materiales. Existe el gres rústico y el porcelánico, siendo este último el más utilizado debido a sus propiedades estéticas en la decoración. Usos en la Ing. civil: -

Tuberías de saneamiento. Pavimentos. Revestimientos de baldosas para el suelo.

Rocas Metamórficas:  Cuarcitas. La cuarcita o metacuarcita es una roca metamórfica dura con alto contenido de cuarzo, se forma por recristalización a altas temperaturas y presión. La cuarcita carece de foliación, tiene una meteorización lenta y produce suelos inusualmente delgados y magros. Su resistencia a la erosión hace que formaciones de cuarcita sobresalgan en el paisaje. Se usa ampliamente en la construcción de: -

Caminos. Suelos. Muros. Revestimiento de superficies.

 Mármol. Son rocas metamórficas compactada, formada a partir de rocas calizas que, sometidas a elevadas temperaturas y presiones alcanzan un alto grado de cristalización. A grandes rasgos el uso del mármol en la ingeniera civil está indicado en:

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Recubrimiento de paredes, tanto interiores como exteriores, por su gran belleza, y por la sensación de limpieza que transmite su brillo. Escaleras y suelos interiores en los que se desee dar un toque de distinción y elegancia. Elementos ornamentales dentro del hogar como por ejemplo barandas, columnas, etc.

A) Algunas obras que se realizan con las rocas metamórficas: En cimentaciones se usan básicamente rocas metamórficas provenientes de las riveras de los ríos, las que llamamos piedras de canto rodeado, y que mientras más golpes hayan recibido en su formación, mejor calidad tendrá para su uso. Sirven para cargar el peso de toda una vivienda, repartiéndolo uniformemente en el terreno sobre el que se encuentra construido. La cimentación es necesaria en cualquier construcción, aun en el caso de que esta se haga por partes. El tamaño y dimensiones de un cimiento dependen del peso de la construcción que va a soportar, tomando en cuenta el tipo de material de construcción y el número de pisos, entre más pesada es una construcción más ancha será su base. El uso común de la piedra chancada se restringe al campo de preparación del concreto, como agregado grueso para obtener resistencias que dependen del requerimiento de un elemento estructural que debe resistir una carga especifica pudiendo ser cimentación, sobrecimiento, columna, viga o losa.

B) CONSEJO. • Para pavimentos interiores, debido al excelente resultado se recomienda la utilización de mármoles, travertinos y pizarras. • Para pavimentos urbanos, usar basalto y granitos.

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Anexos:

Fig. 1ª

Fig. 1b

Figura 2.- Distribución de la porosidad en función del tamaño de poro en los travertinos y morteros M3 y M4.

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Adsorción de agua por partículas hidrófilas

Estructura del agua

mojado

secado

mojado

Figura 3.- Adsorción de moléculas agua (polares) por partículas hidrófilas (con cargas electrostáticas residuales en su superficie) durante ciclos de mojado y secado.

Figura 4.- Desarrollo de fracturas extensionales y de cizalla como resultado de compresión.

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Figura 5.- Curva esfuerzo-deformación para compresión, con ilustración de los tramos elástico y plástico.

Figura 6.- Curvas esquemáticas esfuerzo-deformación para materiales casi-elásticos (e.g., basaltos, granitos de grano fino), semi-elásticos (e.g., calizas, areniscas, mármoles) y plásticos (morteros de cal, morteros de yeso).

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Figura 7.- Deformación frágil y dúctil bajo compresión, torsión y extensión (1, 2 y 3, son los esfuerzos principales mayor, intermedio y menor, respectivamente). Las flechas marcan las tendencias en el comportamiento de los materiales al variar la presión, la temperatura, la presión de fluidos localizados en los poros y la tasa de deformación.

Fig. 8.- Tipos de rocas

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Rocas Ígneas y su utilidad en la ingeniería civil

El basalto:

Baldosas de piedra basáltica

El granito:

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Pilares de granito Diseño de interiores con granito Piedra Pómez:

Dunas de acceso al campo de piedra pómez

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La construcción de la cúpula del Panteón de Agripa se realizó con hormigón que fue aligerado utilizando piedra pómez como árido. Andesita:

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Otras piedras ígneas usadas en la ingeniería civil

Grabo Diorita -

Rocas Sedimentarias y sus usos en la ingeniería civil:

Calizas:

Anhidrita:

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Solera de ANHIDRITA

Gres:

Pavimento exterior

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Cerámica gres -

Rocas metamórficas.

Cuarcita:

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Diseño de interiores de una mansión FLORIDA para marcos en una piscina Mármol:

Mármol blanco

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Mármol porcelana

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CONCLUSIONES. o o

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Se llegó a conocer las propiedades físicas de las rocas para saber escoger la roca que nos servirá de apoyo en la construcción. Se concluye que es un factor muy importante la sociedad, porque depende mucho también el lugar en que se realizará la obra para saber qué tipo usar y la buena opinión de las personas si es una publica o el visto bueno de la empresa si es una obra particular. Hay algunos tipos de ambiente de obra en donde no se pueden usar algunas rocas aun teniendo muy buenas propiedades para realizarla. El reconocimiento de las rocas es esencial para no cometer errores y con este informe ya podemos hacerlo. Se puede distinguir los diferentes tipos de rocas, porque sus propiedades naturales varían y en algunos casos tienen transformaciones o alteraciones, que también pueden servir para otros casos de construcción siendo de muy buena ayuda, como también ser pésimas. En los cementos, morteros también son usados como elemento de fabricación. Las rocas más usadas son: El gres, cuarzo, mármol, granito y basalto mayormente para acabados de interiores.

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Recomendaciones:  Tener un amplio conocimiento de las rocas para no cometer errores a la hora de usarlas para la construcción.  Tener criterio para diferenciar entre rocas parecidas.  Ver en los elementos constructivos si se usaron algunas rocas en especial ya que pueden servir de ayuda o no.  Conseguir de buenas canteras o lugares de almacenamiento de rocas, para ser usadas como elementos constructivos de acabados de interiores.  Tener en cuenta que las rocas no solo sirven para construir sino también para cuando ya está terminada una obra , como cerámicas, pero para piezas de museo hechas con ellas, más sirven para estos casos y contienen muy pocas propiedades que nos ayudaran por lo que en este trabajo fueron las no mencionadas.

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Referencias Bibliográficas: -

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