Rocas Aplicadas A LA Ingenieria Civil PDF

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la importancia y tipo rocas utilizados en la ingeniería civil...

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INTRODUCCIÓN Las rocas son uno de los más antiguos materiales de construcción empleados por el hombre, aprendiendo a manejarlas usarlas como herramienta ymateria prima para la construcción de sus primeros refugios y monumentos. Con el pasar del tiempo y gracias a la necesidad por mejorar sus condiciones de vida, las diferentes rocas son transformadas en novedosos y muy útiles materiales con los que se empiezan a crear grandes construcciones. En la actualidad las rocas son elementos importantes en la ejecución de proyectos de ingeniería civil, siendo utilizados en la construcción, cimentación, como agregados, materiales ornamentales, acabados y otros. El objetivo de este trabajo de investigación es proporcionar conceptos sobre el origen de las rocas, su clasificación, composición y propiedades físicas principales que hace importante su aplicación en diferentes proyectos de ingeniería civil. Dado que cada tipo de roca posee propiedades particulares, es muy importante conocerlas para entender sus aplicaciones en proyectos específicos recomendables y evitar su uso en otros, que pueden ocasionar serios problemas técnicos en cuanto a la seguridad y economía de los proyectos. Para la elaboración de este trabajo se adoptó la metodología de recopilación de información, principalmente de trabajos técnicos, textos de Petrología, Petrografía, Geología General, complementados con información extraída de internet concerniente al tema de investigación. Con toda la información recopilada y sintetizada se planificó y desarrolló la estructura de nuestro trabajo. La estructura del trabajo comprende el desarrollo del tema dividido en tres capítulos: Nociones Previas, Las Rocas y Aplicaciones de las Rocas a la Ingeniería Civil, divididos cada uno en subcapítulos, complementados con tablas e ilustraciones que refuerzan los conceptos. Seguido del desarrollo, se exponen las conclusiones y recomendaciones que ha dado lugar el trabajo. Finalmente se mencionan las referencias y apéndices utilizados.

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1. CONCEPTOS Y NOCIONES PREVIAS

1.1.

ESTRUCTURA INTERNA DE LA TIERRA La estructura interna de la tierra está formada por una serie de capas, las cuales están separadas o clasificadas de dos maneras, la primera es según su composición química, y la segunda por sus propiedades físicas, en esta última se pone énfasis al momento de explicar el ciclo petrológico y la tectónica de capas.

Figura N° 1. Estructura interna de la Tierra

Litósfera Es la capa más externa de la tierra, el cual es rígida y relativamente fría, de composición variable. Abarca en la parte continental desde 100 km hasta 250 km de grosor, mientras tanto, en la parte oceánica va desde unos pocos kilómetros hasta unos 100 km de grosor. Astenósfera Es la segunda capa de la tierra el cual se encuentra a unos 660 km de profundidad de la superficie terrestre, donde en la parte superior de esta capa se encuentra en estado líquido, es decir está formado por rocas

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fundidas (magma), debido a la gran temperatura que existe a dicha profundidad.

Mesósfera Esta capa se encuentra desde 660 km hasta 2900 km de profundidad aproximadamente; debido a la alta presión que existe, el cual contrarresta a los efectos de la temperatura, esta capa se encuentra en estado sólido. Núcleo externo e interno El núcleo externo es una capa que se encuentra en estado líquido, el cual abarca unos 2270 km de grosor aproximadamente. El núcleo interno es una capa que se encuentra en estado sólido debido a las altas presiones con un radio de 1216 km aproximadamente. 1.2.

TECTÓNICA DE PLACAS Esta es una teoría que nos indica que la litosfera se comporta como una capa rígida y fría, la cual está fragmentada, estos fragmentos se denominan placas, los cuales se mueven una respecto a otras cambiando de forma y tamaño.

Figura N° 2. Proceso de subducción de placas

Las placas tectónicas están asociadas a la formación de fallas, estas últimas son desplazamientos de bloque una respecto a otra, produciéndose fracturas en la corteza, aberturas por donde asciende el magma. 1.3.

CICLO PETROLÓGICO

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La Tierra es un sistema. Esto significa que nuestro planeta está formado por muchas partes interactuantes que forman un todo complejo. El ciclo de las rocas nos permite examinar muchas de las interrelaciones entre las diferentes partes del sistema Tierra. Nos ayuda a entender el origen de las rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas, y a ver que cada tipo está vinculado a los otros por los procesos que actúan sobre y dentro del planeta.

Punto 1 Figura N° 3. Ciclo Petrológico

De la figura N° 3, empezaremos a analizar a partir del punto 1. Tenemos el magma que empieza a enfriarse, a este proceso se llama solidificación o cristalización, si el enfriamiento se da al interior de la corteza terrestre(este proceso es muy lento) la roca que se genera por la cristalización se llama roca ígnea plutónica, que se caracteriza por ser rocas de grandes cristales o granos (son llamados fenos) en su estructura; si la cristalización se da de forma rápida como en el caso de erupciones volcánicas que se da un enfriamiento rápido se llama roca ígnea volcánica, que se caracteriza por tener granos muy finos que no son visibles, cada una de las rocas formadas tendrán diferentes características que dependen de los minerales que contengan.

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A través de millones de años las rocas ígneas descritas afloran y son afectados por agentes erosivos como el agua, viento entre otros, a este proceso se llama meteorización e intemperismo, estos agentes generan sedimentos que son transportados por los mismos hasta cuencas planas donde se depositan ahí empiezan a compactarse a través de miles de años dando origen a las rocas sedimentarias, donde las propiedades de cada una dependerá de los minerales transformados de las rocas ígneas como los feldespatos(mineral presente en las rocas ígneas) que se transformaron en caolín, por ejemplo. A las rocas sedimentarias formadas a través de millones de años se le aumenta la presión y temperatura (esto se da por el movimiento de placas tectónicas que hace que eso descienda al interior de la tierra), a este proceso se llama metamorfismo dando a origen a las rocas metamórficas. Este proceso no se da precisamente a partir de las rocas sedimentarias, también puede ocurrir sobre las rocas ígneas e incluso sobre las mismas rocas metamórficas, pues una roca metamórfica puede originar otra roca metamórfica. Si seguimos aumentando la presión y temperatura las rocas en este punto empieza a fundirse volviendo a dar origen al magma, y este volverá a dar origen a las rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas, repitiéndose el ciclo una y otra vez. Todos estos procesos se dan a través de millones de años.

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2. LAS ROCAS 2.1. DEFINICIÓN Las rocas son agregados de minerales sólidos de origen natural, estos minerales son compuestos químicos (o en algunas ocasiones elementos únicos), cada uno deellos con su propia composición y sus propiedades físicas. Los minerales se presentan como granos o cristales que pueden ser microscópicos o fácilmente visibles sin ayuda de un microscopio.

Figura N° 4. Las rocas son agregados de varias clases de minerales

2.2. GRUPOS DE MINERALES Se conocen por su nombre casi 4.000 minerales, pero solo una docena de minerales son abundantes. En conjunto estos pocos constituyen la mayor parte de las rocas de la corteza terrestre y como tales se clasifican como los minerales formadores de rocas. También es importante señalar que solo ocho elementos químicosconstituyen la mayor parte de esos minerales y representan más del 98 por ciento (en peso) de la corteza continental.Estos elementos son: Oxígeno (46.6%), Silicio (27.7%), Aluminio (8.1%), Hierro (5.0%), Calcio (3.6%), Sodio (2.8%), Potasio (2.6%) y Magnesio (2.1%).

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Los Silicatosson un grupo de minerales, componentes principales de las rocas ígneas y representa más del 90% de la corteza terrestre. Dado que las rocas sedimentarias suelen estar compuestas por productos meteorizados de las rocas ígneas, los minerales silicatados también abundan en los sedimentos y las rocas sedimentarias. Los minerales silicatados también son constituyentes importantes de algunas rocas metamórficas. Todo Silicato contiene los elementos oxígeno y silicio, dispuestos en una estructura molecular tetraédrica compuesta de cuatroiones de oxígeno que rodean a un ion de silicio muchomenor. El tetraedro Silicio-Oxígeno es union complejo SiO4 con una carga de -4. Los Silicatos, excepto unos pocos, como el cuarzo,contienen uno o más elementos necesarios para establecer la neutralidad eléctrica. Los tetraedros pueden unirse entre sí, según una variedad de configuraciones como cadenas simples, dobles o estructuras laminares, dando lugar a diferentes tipos de Silicatos: Nesosilicatos, Sorosilicatos, Ciclosilicatos, Inosilicatos, Filosilicatos y Tectosilicatos.

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Figura N° 5. Clasificación de los Silicatos

Tabla N° 1. Silicatos comunes

Puesto que otros grupos de minerales son muchomenos abundantes en la corteza terrestre que los silicatos, a menudo se agrupan bajo la denominación de no silicatados.Estos grupos de minerales incluyen miembros queson componentes importantes de rocas sedimentarias. Además, algunos minerales no silicatados se encuentran en las rocas metamórficas, pero tienden a ser raros en ambientes ígneos. Pertenecen al grupo de los minerales no silicatados: Carbonatos, Haluros, Óxidos, Sulfuros, Sulfatos, elementos Nativos (elementos simples).

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Tabla N° 2. Minerales comunes no silicatados

Dureza de los minerales La dureza es la propiedad de los minerales que mide la resistencia que ofrecen estos a la abrasión o al rayado. Esta propiedad se determina frotando un mineral de dureza desconocida contra uno de dureza conocida, o viceversa. La dureza puede expresarse con un valor numérico utilizando la escala de Mohs de dureza, que consiste en diez minerales dispuestos en orden desde 1 (el más blando) hasta 10 (el más duro).

Figura N° 6. Escala de Mohs de dureza

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2.3.TIPOS DE ROCAS Los geólogos dividen las rocas en tres grandes grupos: Ígneas, Sedimentarias y Metamórficas. 2.3.1.ROCAS ÍGNEAS Las rocas ígneas(ignis_fuego) se formancuando denominada magma, se enfríay se solidifica.

la

roca

fundida,

El magma es roca fundida que se puede formar a varios niveles de profundidad en el interior de la corteza de la Tierra y el manto superior (100 km. a 200 km. aproximadamente) y se encuentra a una temperatura que varía entre los 1200 °C Y 1500 °C. A medida que se enfría el magma, se van formando y creciendo los cristales de varios minerales. Cuando el magma permanece en el interior profundo de la corteza, se enfría lentamente durante millones de años. Esta pérdida gradual de calor permite el desarrollo de cristales relativamente grandes antes de que toda la masa se solidifique por completo. El magma asciendepor flotación hacia la superficie porque es menos densoque las rocas que le rodean. Cuando la roca fundida seabre camino hacia la superficie, produce una erupción volcánica. El magma que alcanza la superficie de la Tierra se denomina lava. El magma y la lava podrían tener una composición química similar. Ambos términos describen roca fundida o líquida. El magma existe debajo de la superficie de la Tierra, y la lava es roca fundida que ha alcanzado la superficie. Por esta razón pueden tener una composición similar. La lava se produce a partir del magma, pero en general ha perdido los materiales que escapan en forma gaseosa, como el vapor de agua. 2.3.1.1. CLASES DE ROCAS ÍGNEAS Según cómo y dónde se enfría el magma se distinguen dos grandes tipos de rocas ígneas, las Plutónicas o Intrusivas y las Volcánicas o Extrusivas. a). Rocas Ígneas Plutónicas o Intrusivas Estas rocas ígneas son de grano grueso, se forman por debajo de la superficie. El magma, rodeado de rocas preexistentes (conocidas como rocas caja), se enfría lenta y continuamente, lo que permite que haya tiempo de que se formen minerales con cristales grandes.

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Las intrusiones magmáticas a partir de las cuales se forman las rocas plutónicas se denominan plutones, como por ejemplo los batolitos, los lacolitos, los sills, diques. Las rocas plutónicas son visibles cuando la corteza asciende y la erosión elimina las rocas que cubren la intrusión. Cuando la masa de rocas queda expuesta se denomina afloramiento. El corazón de las principales cordilleras está formado por rocas plutónicas, que al aflorar pueden recubrir enormes áreas de la superficie terrestre. Por ejemplo el Batolito de la Costa del Perú, formado por una serie de intrusiones ígneas de granitoides paralelos a la costa del Pacífico en el Perú, fueron emplazados desdehace 100 millones de años los más antiguos hasta 37 millones de años los más jóvenes y se extienden en un área de 1600 km. de largo y 60 km. de ancho. b). Rocas Ígneas Volcánicas o Extrusivas Las rocas volcánicas o extrusivas se forman por la solidificación del magma (lava) en la superficie de la corteza terrestre, usualmente tras una erupción volcánica. Dado que el enfriamiento es mucho más rápido en un ambiente de superficie, los iones de los minerales no pueden organizarse en cristales grandes, por lo que las rocas volcánicas son de grano fino. 2.3.1.2. PROCESO DE CRISTALIZACIÓN MAGMÁTICA La composición del magma y la velocidad de enfriamiento determinan la naturaleza mineral y características texturales de las rocas ígneas como la forma y tamaños de los granos minerales. El color de las rocas está relacionada a la abundancia relativa de los distintos minerales. El magma, generado en profundidad asciende hacia niveles superficiales como diapiros o a través de fracturas o fallas geológicas. Al ascender, el magma se enfría, aumentando su viscosidad y reduciendo por tanto su capacidad de fluir, emplazándose a una determinada profundidad formándose un cuerpo magmático denominado cámara magmática.Sucesivas recargas de magma profundo aumentan el tamaño de estas cámaras magmáticas. El enfriamiento del magma es lento pero continuo permitiendo la cristalización de distintos minerales, formándose cristales de minerales en suspensión. Cuando se alcanza temperaturas cercanas a los 650 °C la mayor parte del líquido ya ha

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cristalizado, llegando eventualmente a cristalizar totalmente y formando una roca ígnea plutónica a temperaturas menores a 600 °C. La naturaleza de las asociaciones de minerales que precipitan depende de la composición del líquidomagmático. Cuando este es rico en Si, Al, Na y K y pobre en Fe, Mg y Ca, las asociaciones de minerales están dominadas por cuarzo, plagioclasa sódica y feldespato alcalino (micas, anfíbol y minerales accesorios como ilmenita circón), formándose rocas ígneas ácidas, de color claro (como el Granito). Cuando el líquido es pobre en Si, Al, Na y K y rico en Fe, Mg y Ca, las asociaciones minerales están dominadas por plagioclasa cálcica, clinopiroxeno, ortopiroxeno y olivino, dando lugar a rocas ígneas básicas de color oscuro (como el Gabro). Eventualmente, los cristales en suspensión pueden decantarse, haciendo que el líquido se separe de los cristales, acumulándose en las partes superiores de las cámaras magmáticas, lo que a su vez permite el inicio del proceso de cristalización a partir de un líquido distinto del original. A medida que precipitan minerales, el líquido residual tiene una composición química distinta de la del líquido original. Las rocas que se forman a partir de estos líquidos residuales son diferentes a las que se forman del líquido original. A este conjunto de procesos se le conoce como Diferenciación Magmática. Los procesos son muy variados, desde fraccionamiento gravitacional, mezcla de magmas, asimilación de rocas del entorno, etc. A veces, los cristales adquieren un tamaño muy grande, formando las denominadasPegmatitas. Las Pegmatitas se forman en los estadios finales de la evolución magmática profunda, cuando el líquido silicatado residual es escaso y esta enriquecido en componentes volátiles (principalmente agua). Si este líquido se segrega, forma bolsadas de magma hidratado, que al cristalizar a temperaturas cercanas a los 600 °C, forman grandes cristales como resultado del efecto positivo que tiene el agua sobre el movimiento de los elementos y compuestos que se agregan para formar los minerales (cuarzo, feldespatos, micas, turmalina, etc.). Al cristalizar los últimos restos líquidos residuales aproximadamente a 600 °C, queda un último residuo muy volátil y rico en agua e iones metálicos disueltos denominado fluido

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hidrotermal. Este fluido acuoso migra con facilidad particularmente siguiendo fracturas en las rocas preexistentes, formando rocas filonianas hidrotermales, comúnmente mineralizadas con minerales de interés económico (yacimientos hidrotermales). El magma generado en profundidad, o el magma almacenado o diferenciado en una cámara magmática plutónica, puede ascender hasta la superficie de la Tierra, ya sea porque es poco viscoso, porque es sometido a presión, o porque se encuentra con fracturas o fallas. Al salir al exterior, se forman coladas de lava que al solidificarse forman rocas volcánicas como el Basalto. El rápido enfriamiento de la lava condiciona el poco tiempo que tienen los minerales para cristalizar de la lava, por lo que los pocos granos minerales que pueden formarse en estas condiciones serán de tamaño muy fino. El resto de la lava que no alcanza a cristalizar forma vidrio volcánico amorfo. Cuando las rocas volcánicas están formadas exclusivamente por vidrio volcánico se denomina Obsidiana. Cuando se forman las rocas volcánicas, se liberan los componentes volátiles diluidos en el líquido silicatado formando características burbujas llamadas vacuolas que suelen estar vacías, como en la piedra pómez. En ocasiones las vacuolas se rellenan por minerales secundarios.

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Figura N° 7. Cámara Magmática

Figura N° 8. Ciclo de las rocas

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Figura N° 9. Serie de Bowen. Orden de cristalización de los principales minerales formadores de rocas ígneas

Figura N° 10. Mineralogía de las rocas ígneas comunes

2.3.1.3. TEXTURAS DE LAS ROCAS ÍGNEAS

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Tres factores contribuyen a la textura de las rocas ígneas:la velocidad a la cual se enfría el magma, la cantidad desílice presente, y la cantidad de gases disueltos en el magma. a).Textura afanítica Estructura de grano muy fino (a _ no; phaner _ visible). Los cristales que constituyen las rocas afaníticas son demasiado pequeños para que los minerales individuales se distingan a simple vista. b).Textura fanerítica Estructura de grano grueso(phaner _ visible). Estas rocas de grano grueso consisten en una masade cristales intercrecidos que son aproximadamente del mismo tamaño y lo suficientemente grandes como para que los minerales individuales puedan identificarse sin la ayuda de un microscopio. c).Textura porfídica Dado que los diferentes minerales cristalizan a temperaturas diferentes (así como a velocidades diferentes) es posible que algunos cristales se hagan bastante grandes mientras que otros estén empezando a formarse. Si el magma que contiene algunoscristales grandes cambia de condiciones (por ejemplo,saliendo a la superficie) la porción líquida restante de la lava se enfriará relativamente rápido. Se dice que la roca resultante, que tiene grandes cristales incrustados en una matriz de cristales más pequeños, tiene una texturaporfídica.Los grandes cristales que hay en una roca de este tipo se denominan fenocristales (pheno _ mostrar; cristal _ cristal), mientras que la matrizde cristales más pequeños se denomina matriz. Unaroca con una textura de este tipo se conoce como pórfido. d).Textura vítrea Durante...