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Mecnica de RocasTema 6.

Ensayos de Caracterizacin

Universidade da Corua

Jordi Delgado MartnE.T.S. Ingenieros de Caminos,

Canales y Puertos

Tema 6.1.

Propiedades Bsicas delas Rocas

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Tipos de Ensayo en MMRREnsayos para determinarpropiedades ndice:

Caracterizan propiedades de la matriz rocosa y facilitansu clasificacin

PorosidadDensidad (y parmetros derivados)Velocidad de propagacin de ondas acsticasPermeabilidadDurabilidadResistenciaDurezaCompacidadAbrasividadPropiedades expansivas

Tipos de Ensayo en MMRR

Ensayos de diseoInforman del comportamiento tensodeformacional de lasrocas. P. Ej.

Parmetros elsticos (mdulo de Young, coeficiente dePoisson)Capacidad de fluenciaCapacidad de propagacin de fisuras

Ensayos relativos al comportamiento de las juntasInforman sobre las caractersticas resistentes de las

juntas de un macizo rocoso. P. Ej.Resistencia cortante de las juntas

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Preparacin de Probetas

Porosidad y Porosidad Eficaz

tot

h

V

Vn

totw

osate

V

WWn

sec

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4

Porosidadwd

wd

e

ex

V

Vn

stot

h

111100

w

d

h

wr

n

wx

V

VS

100100

100xM

Mw

s

w

n

nx

V

Ve

s

h

1

100 Relacin de huecos

Grado de saturacin

Contenido de agua

Porosidad

Porosidad

Relacinporosidad/resistenciaa compresin simple

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PorosidadTipo Porosidad (%) Tipo Porosidad (%)

Depsitos no consolidados Rocas

Grava (s.l.) 25 40 Basalto fracturado 3 40Grava gruesa 24 36 Caliza krstica 5 50

Grava fina 25 38 Arenisca 5 30Arena (s.l.) 25 50 Limolita 21 41

Arena gruesa 31 46 Caliza, doloma 0 40Arena fina 26 53 Pizarra 0 10

Limo 34 61 Roca cristalina fracturada 0 10Arcilla 34 70 Roca cristalina densa 0 5

Granito meteorizado 34 57Gabro meteorizado 42 45

Porosidad

Determinacin de la

porosidad mediante unporosmetro de

intrusin de mercurio

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Porosidad

d

)cos(4P

P: presin de inyeccin: tensin superficial del lquido: ngulo de contacto lquido/slidod: dimetro del poro

Porosmetro de Hg

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Peso Especfico y Densidad

g

dtot

ws

tot

w

V

MM

V

M

1001

w

G

Peso especfico (unit weigth)

Densidad

(bulk density)

Densidad relativa (specific gravity)

tot

sd

V

M Densidad seca (dry density)

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Gravedad Especfica de

MineralesMineral Densidad Relativa, G Mineral Densidad Relativa, G

Halita 2.1 2.6 Biotita 2.8 3.1

Yeso 2.3 2.4 Dolomita 2.8 3.1

Serpentina 2.3 2.6 Anhidrita 2.9 3.0

Ortosa 2.5 2.6 Piroxeno 3.2 3.6

Calcedonia 2.6 2.64 Olivino 3.2 3.6

Cuarzo 2.65 Barita 4.3 4.6

Plagioclasa 2.6 2.8 Magnetita 4.4 5.2

Clorita Illita 2.6 3.0 Pirita 4.9 5.2

Calcita 2.7 Ilmenita 5.5 6.0

Moscovita 2.7 3.0 Galena 7.4 7.6Mercurio 13.546

Roca Densidad Seca (g/cm3)Sienita nefelnica 2.7

Sienita 2.6Granito 2.65Diorita 2.85Gabro 3.0

Yeso 2.3Sal 2.1

Carbn 0.7 2.0Pizarra bituminosa 1.6 2.7

Caliza (densa) 2.7Mrmol 2.75

Pizarra (Oklahoma, a 1000 pies de profundidad) 2.25Pizarra (Oklahoma, a 3000 pies de profundidad) 2.52Pizarra (Oklahoma, a 5000 pies de profundidad) 2.62

Micaesquisto 2.82Anfibolita 2.99

Riolita 2.37Basalto 2.77

Valores Tpicos de Rocas

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Permeabilidad

K = conductividad hidrulica o coeficiente depermeabilidad (m/s)k = permeabilidad intrnseca o absoluta (m2) = densidad del fluido (kg/m3) = viscosidad del fluido (Pa.s)

Permeabilidad

Lquidos (p. ej. agua)

Gases

1 darcy = 9.869233x10-13 m2

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Permeabilidad

Permeabilidad

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Permeabilidad

Permeabilidad

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Permeabilidad

Permeabilidad

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Permeabilidad

Permeabilidad

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Permeabilidad

Permeabilidad

1 darcy = 9.869233x10-13 m2

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Permeabilidad

PermeabilidadRoca/Formacin Campo Laboratorio

Arenisca 3x103a 8x108 1x103a 3x108

Formacin Navajo 2x103Arenisca

Formacin Berea 4x105

Grauvaca 3.2x10

8Pizarra 109a 5x1013 108a 1011

PizarraFormacin Pierre 5x1012 2x109a 5x1011

Caliza, Doloma 105a 1013 103a 107Caliza, doloma

Formacin Salem 2x106

Basalto 1012 102a 107

Granito 107a 10-11 104a 109

Esquisto 108 2x107

Esquisto fisurado 1x104a 3x104

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DurabilidadEnsayos de inmersinSlake Durability Test (ISRM, 1972)

Franklin y Chandra (1972)ASTM D4644-87 (1998) Se toman 10 trozos de roca (Wtot ~ 500 g) Se hacen girar en el tambor sumergido en agua

durante 10 min, a 20 rpm. Tras dos ciclos de giro (con secado intermedio de la

muestra a 105 C), se mide la variacin de peso entreal principio y fin del ensayo.

100(%) sec xW

WI

inicial

od

Durabilidad

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Slake Durability Test

Clasificacin de Rocas deAcuerdo con su Durabilidad

Categora de Durabilidad% retenido tras unciclo de 10 minutos

% retenido tras dosciclos de 10 minutos

Extremadamente alta > 99 > 98Muy alta 98 99 95 98Media alta 95 98 85 95

Media 85 95 60 85Baja 60 85 30 60

Muy baja < 60 < 30

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Velocidad de Propagacin de

Ondas SnicasDa una indicacin muy fiable del grado de fisuracinde una roca (y de otros materiales).Aporta informacin valiosa sobre los mduloselsticos (dinmicos) del espcimen.Se determinan VPy VSEl mtodo recomendado est descrito en la normaASTM D2845-00

Se recomienda realizar no menos de 5 medidas pormuestra.

Velocidad de Propagacin deOndas Snicas

Hertz (ciclo/s)

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Velocidad de Propagacin de

Ondas Snicas

Emisor Snico - OsciladoresPiezoelctricos

Los cristalespiezoelctricos

transforman la energaelctrica en mecnica a

travs de variacionesoscilatorias de volumenque producen unavibracin armnica

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Cristales Piezoelctricos

Transductores Tpicos

transmisor receptor

cable

barreraacstica

dispositivotpico deultra-sonidos

elementoanalizado

trayectoriade los haces

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Velocidad de Propagacin de

Ondas Snicas

Mdulos Elsticos Dinmicos

22

222 43

SP

SPS

din VV

VVVE

2222

2 SP

SPdin

VV

VV

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Velocidad de Propagacin de

Ondas Snicas en RocasLitologa

VP(m/s)

LitologaVP

(m/s)Arenisca 1400 4200 Gneiss 3100 5500Basalto 4500 6500 Granito (sano) 4500 6000Caliza 2500 6000 Lutita 1400 3000

Conglomerado 2500 5000 Marga 1800 3200Cuarcita 5000 6500 Mrmol 3500 6000Diabasa 5500 7000 Pizarra 3500 5000

Dolerita 4500 6500 Sal 4500 6000Doloma 5000 6000 Yeso 3000 4000Gabro 4500 6500

Velocidades Tericas dePropagacin

Litologa*

PV

(m/s)

Gabro 7000Basalto 6500 7000

Caliza 6000 6500Doloma 6500 7000Arenisca y Cuarcita 6000

Rocas granticas 5500 6000

Fourmaintraux (1976)

i iP

i

P V

C

V ,*

1

Mineral VP (m/s)

Cuarzo 6050Olivino 8400Augita 7200

Anfbol 7200Moscovita 5800Ortosa 5800

Plagioclasa 6250Calcita 6600

Dolomita 7500Magnetita 7400

Yeso 5200Epidota 7450Pirita 8000

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ndice de Calidad IQ

100(%)*x

V

VIQ

P

P

DurezaEs un parmetro importante relacionado con elpoder abrasivo de las rocas.

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DurezaExisten muchas formas de determinar la dureza delos materiales:

Knoop (indentacin o punzonamiento esttico)Rockwell (indentacin o punzonamiento esttico)Vickers (indentacin o punzonamiento esttico)Brinell (indentacin o punzonamiento esttico)Mohs (raya)Rosiwal (pulido)Chorro de arena (erosin)Shore (rebote dinmico)

Schmidt (rebote dinmico)

Dureza Vickers

La dureza Vickers (HV) se define como...

)(4.1854 2 MPad

gM

A

F

HV donde:

M = masa aplicada sobre el indentador (en g)g = constante gravitacional (9.81 m/s2)d = dimetro de la indentacin permanente (m)

El nmero de dureza Vickers se expresa en kg/mm2

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Mineral/Roca Dureza Mohs Mineral/Roca Dureza MohsDiamante 10.0 Caliza 3.3Cuarzo 7.0 Esquisto Pizarra 3.1Basalto 7.0 Calcita 3.0Chert 6.5 Antracita 3.0

Feldespato 6.2 Mrmol 3.0Gneiss 5.2 Pizarra bituminosa 2.5

Esquisto 5.0 Mica 2.3Magnetita 4.2 Yeso 2.0

Arenisca 3.8 Talco 1.0Dolomita 3.7

Dureza Mohs de Minerales yRocas

Dureza Mohs de Rocas

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Dureza en Funcin de T

Dureza

Knoop

(kg/mm2)

Temperatura (C)

Ensayo de Penetracin porPunzonamiento

S

SP

I635.0

S

SP

I635.0

Punch Penetration Test e indentador cnico del NCB

Desarrollado por el National British Coal Board para estimar la resistencia derocas susceptibles de ser excavadas por equipos de obra.

No es adecuado para rocas muy duras o abrasivas (p. Ej. calizas, granitos,...)El tamao de la probeta es 25x25x6 mm

SIC 8.240

PS = penetracin del punzn en la roca (mm)C0 = resistencia a compresin simple

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Resistencia al Impacto

(Rock Toughness Index)ASTM D3 (resistencia al impacto)Se deja caer un martillo percutor de 2 kg demasa desde una altura de 1 cm sobre unaprobeta lisa de roca (25 mm espesor y 24 25mm )Se incrementa progresivamente la altura del

martillo (en etapas de 1 cm) hasta que la rocase rompe: ndice de tenacidad de la roca

AbrasividadEs un parmetro ndice importante desde el puntode vista del desgaste de los elementos de corte yperforacin.

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Ensayos para Rocasndice de abrasividad Cerchar (CAI)Ensayo de abrasin TaberEnsayo de ShimazekCoeficiente de desgaste, F

ndice de AbrasividadCerchar

10

1

0254.0i

idCAICAI

xmCLI

21006.2)(

CLI: cutter LifeIndex

CAI: CercharAbrasivity Index

7 kg

90

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ndice de Abrasividad

Cerchar

ndice de AbrasividadCerchar

Clasificacin CAI Tipo de Roca

Extremadamenteabrasiva

> 4.5 Gneiss, pegmatita, granito

Muy abrasiva 4.25 4.5

Anfibolita, granito

Abrasiva4.0 4.25

Granito, gneiss, esquistos, piroxenita,arenisca

Moderadamente abrasiva 3.5 4.0 AreniscaAbrasividad media 2.5 3.5 Gneiss, granito, dolerita

Poco abrasiva 1.2 2.5 AreniscaMuy poco abrasiva < 1.2 caliza

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ndice de Abrasividad

CercharLitologa Procedencia CAI Litologa Procedencia CAIPizarra

Nueva York,USA

0.9 Granito Suecia 4.0

Pizarra Ohio, USA 1.1 DioritaCarolina del Norte,

USA4.1

Caliza Illinois, USA 1.1 Gneiss Georgia, USA 4.1

AreniscaBerea, Ohio,

USA1.2 Cuarzo-gneiss Georgia, USA 4.3

Caliza Indiana, USA 1.3 Cuarcita frica oriental 4.3Filita Noruega 1.3 Gneiss Noruega 4.4

MicaesquistoWashington,

USA2.2 Arenisca Kentucky, USA 4.7

Andesita Arizona, USA 2.3 Cuarzo-gneiss Noruega 4.8Cuarzodiorita Noruega 3.2

Granito-Gneiss

Noruega 4.8

Arenisca roja Kentucky, USA 3.6 Micaesquisto Nueva York, USA 5.3Anfibolita Norueka 3.6 Cuarcita Noruega 5.9

Gabro Noruega 3.7 GranodioritaCarolina del Norte,

USA3.9

Ensayo de Abrasin Taber

ASTM C1353-98

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Coeficiente de Desgaste, F

100

mequivQF

RozabilidadCoeficiente de desgaste, F(kgf/cm) Calificacin m3/h

0.2 0.3 Muy buena 45 650.3 0.4 Buena 30 45

0.4 0.5 Moderada 20 300.5 0.6 Regular 15 200.6 0.8 Mala 10 150.8 1.0 Muy mala 6 10

Indicador del poder abrasivode las rocas que contienen

cuarzo

Ensayo de HinchamientoISRM (1972)