326717501 Propiedades Fisicas y Mecanicas de Las Rocas PDF

Preview

Summary

Download 326717501 Propiedades Fisicas y Mecanicas de Las Rocas PDF

Description

PROPIEDADES FISICAS Y MECANICAS DE LAS ROCAS 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, 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. 1. PROPIEDADES FISICAS 1.1. ISOTROPÍA Y ANISOTROPÍA Las sustancias isotrópicas presentan siempre el mismo comportamiento independientemente de la dirección, mientras que en las anisotrópicas las propiedades varian con la dirección. En el caso de la luz, los cristales anisótropos presentan distintos valores de sus índice de refracción en función de la dirección en que vobre la luz al atravesar el cristal. La anisotropía es una consecuencia de la estructura interna del mineral. Si carece de organización interna (minerales amorfos) o si presenta una organización muy regular son isótropos, los demás son anisótropos. Los minerales que cristalizan en el Sistema Cúbico (o Regular), es decir, el de máxima símetría, con sus atomos o iones igualmente distribuidos en las tres direcciones principales del espacio, son isótropos. Los pertenecientes al resto de los sistemas cristalinos (hexagonal, trigonal, tetragonal, rómbico, monoclínico y triclino) son anisótropos, las disposiciones de sus elementos constituyentes varian con la dirección y por tanto su elasticidad para las ondas luminosas también es diferente.

1.2. DENSIDAD Y PESO ESPECIFICO (ASTM 12-70). Densidad.- Es la masa de un mineral correspondiente a la unidad de volumen. Si se expresa en relación con la densidad del agua, se la denomina peso específico. La densidad es una propiedad

1.PROPIEDADES FISICAS 1.1.ISOTROPÍA Y ANISOTROPÍA Estos conceptos se utilizan para calificar el comportamiento de los materiales respecto de las direcciones del espacio. Así, un material es isótropo respecto de una propiedad determinada cuando esa propiedad no varia al variar la dirección en la que se mida la propiedad. En este caso, se dice que la propiedad es escalar. Por el contrario, un material es anisótropo cuando la propiedad varía según la dirección considerada. En este caso, la propiedad es vectorial.

1.2.DENSIDAD Y PESO ESPECIFICO (ASTM 12-70) 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 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):

donde:  es la densidad (kg/m3) M es la masa (kg) de la sustancia y 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:

donde: 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 dentrode los granos como entre los granos. La densidad global de los materiales condiciona en gran medida sus propiedades fisico-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 0.151.5 Gabro 3000-3100 0.10.2 Riolita 2400-2600 4.06.0 Basalto 2800-2900 0.11.0 Arenisca 2000-2600 5.025.0 Lutita 2000-2400 10.030.0 Caliza 2200-2600 5.020.0 Dolomia 2500-2600 1.05.0 Gneiss 2900-3000 0.51.5 Mármol 2600-2700 0.52.0 Cuarcita 2650 0.10.5 Pizarra 2600-2700 0.10.5 Hormigón pesado 1800-2500 Hormigón ligero 500-1800 Ladrillo 1600-1800 Arena 1450-1650 Plástico poroso 20-100

1.3.POROSIDAD La porosidad de un material es el volumen de espacios abiertos que contiene relativo a su volumen total. Los poros son pequeños espacios abiertos existentes en los materiales rellenos por soluciones acuosas y/o gaseosas (e.g., aire). Los poros pueden estar abiertos (i.e., intercomunicados) o cerrados, y ser grandes o pequeños. El tamaño de poro medio y el grado de intercomunicación entre los poros determinan el tipo y grado de movimiento de soluciones líquidas y gaseosas por el interior de los materiales. Esto controla en gran parte su durabilidad. Los poros pueden clasificarse en función de su tamaño en:  Megaporos:_____________ 256-0.062 mm  Macrocapilares:_________ 0.062-0.0001 mm  Microcapilares:_________ 90º.

Figura 4. Fuerzas resultantes (F) de la conjunción de las tensiones superficiales en un sistema sólido-líquido-gas en un tubo capilar (w es el peso de la columna de agua para el caso a). El líquido se eleva una altura h si (a)  < 90º, y desciende si (b)  > 90º. La Figura 5 muestra las curvas altura-radio de capilar calculadas para el sistema agua-aire y distintos valores de . Nótese que valores de altura negativos se obtienen para ángulos  > 90º, lo que implica que el agua descenderá en el capilar, y que la altura ascendida (o descendida) es del orden de varios metros para radios de poro muy pequeños, como los que generalmente presentan rocas y morteros.

Figura 5. Curvas altura-radio de capilar calculadas para el sistema agua-aire. La rutina de trabajo (recomendaciones RILEM y NORMAL 11/85) consiste en la colocación de las probetas (la relación de área/volumen de la probeta cúbica, prismática o cilíndrica debe estar comprendida entre 1 y 2 cm-1) sobre una superficie mojada, dentro de una cubeta de material plástico con agua destilada e interfase de papel absorbente para asegurar un flujo de humedad continua, sin llegar a mojar otra superficie que no sea la base de la probeta. Para evitar una rápida evaporación del agua de la cubeta, ésta se cubre con una tapadera de plástico protegida con papel absorbente para evitar el goteo de condensación sobre las probetas junto con las paredes laterales de la cubeta. El recipiente debe colocarse dentro de una campana aislante con unos valores de temperatura y de humedad relativa constantes. El ensayo consiste en pesar y medir la altura del agua sobre las diferentes probetas a tiempos parciales. Las pesadas se realizan eliminando previamente el exceso de agua depositada sobre la base de las probetas con una bayeta absorbente ligeramente humedecida; de esta forma se retiran los excesos de agua sin llegar a restar parte de la contenida en la probeta. Los resultados que se obtienen con el ensayo son los siguientes: peso en función del tiempo ( Mt) expresado en gramos y altura ascendida en función del tiempo ( ht) expresada en centímetros. La cantidad o incremento de agua absorbida de la muestra, por unidad de superficie en el tiempo se calcula con la siguiente ecuación:

donde: M/S es el incremento de masa por unidad de superficie (kg/m2) Mt (kg) es el peso de la muestra en función del tiempo t (s) M0 (kg) es el peso de la muestra seca y S es el área (m2) de la cara de la probeta en contacto con el agua. Con los datos obtenidos es posible construir dos curvas, una de absorción capilar y otra de ascenso capilar, en función de (min0.5). La primera se traza en función del incremento de peso experimentado por la probeta a lo largo del ensayo, la segunda curva representa la altura de agua ascendida en función del tiempo transcurrido. Además de observar el comportamiento del material, se pueden obtener el coeficiente de absorción capilar (con dimensiones kg/m2·s0.5) y el coeficiente de penetración capilar (con dimensiones m/s0.5 ) obtenidos mediante cálculos de regresión en los tramo rectilíneos de las curvas.

2.PROPIEDADES MECANICAS Las propiedades mecánicas definen la capacidad del material para resistir acciones externas o internas que implican la aplicación de fuerzas sobre el mismo. Esencialmente, estas fuerzas son de compresión, tensión (o extensión), flexión y de impacto.

2.1.RESISTENCIA A LA COMPRESION 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 6). 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.

Figura 6. Desarrollo de fracturas extensionales y de cizalla como resultado de compresión. Es importante indicar que los resultados obtenidos en los experimentos de resistencia a la compresión para un mismo material depende 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:

donde: Fl 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 l 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:

donde: 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, l 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 debida 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 7, donde toma la forma de curvas similares (en forma) a las obtenidas en los ensayos de succión capilar. En la Figura 7 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 7 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:

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.

Figura 7. Curva esfuerzo-deformación para compresión, con ilustración de los tramos elástico y plástico. 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 7. 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 2 3 kg/cm ·10 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 Hormigón 5.5 69 1 7 0.1 0.7 La resitencia a la compresión de rocas utilizada en monumentos granadinos son (valores obtenidos en seco por Guardia Olmedo et al., 1986, Arte y Deterioro en los Monumentos Granadinos. Catedral, Chancillería y Palacio de Carlos V. Universidad de Granada, 140 p.)

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: 200kg/cm2 Caliza de Sierr...