PROPIEDADES INGENIERILES DE LAS ROCAS

RESISTENCIA

La resistencia mecánica de una roca es la propiedad de oponerse a su destrucción frente a una carga exterior, estática o dinámica. Las rocas oponen una resistencia máxima a la compresión, y comúnmente la resistencia a la tracción no pasa del 10% al 15% de la resistencia a la compresión.La resistencia de las rocas depende fundamentalmente de su composición mineralógica. Entre los minerales integrantes se destaca la presencia del cuarzo, que es el más sólido de los minerales. Las rocas con presencia de cuarzo presentan una resistencia a la compresión que supera los 500 MPa, mientras que la calcita tiene una resistencia a la compresión de 10 a 20 MPa. En general, y por este motivo, cuando existe una mayor presencia de cuarzo en una roca la resistencia a la compresión y tracción aumenta.

ELASTICIDAD

La mayoría de los minerales constituyentes de las rocas tienen un comportamiento elástico-frágil. Esta característica pasa por diferentes estados, hasta llegar a la destrucción cuando se supera el límite de resistencia, llamado límite de elasticidad.

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.

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:

1. la forma del grano

2. la granulidad

3. 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. |

DENSIDAD.

La densidad de un mineral es su masa por unidad de volumen y es necesario especificar las unidades usadas, por ejemplo kilogramos por metro cúbico o libras por pie cuadradas.

La densidad de un mineral puede obtenerse pesando directamente el ejemplar, primero en el aire luego en el agua. Si el espécimen es suficientemente grande, puede suspenderse por un hilo de nylon de gancho de una balanza de precisión.

El ejemplar se pesa en el aire y luego se sumerge en un recipiente con agua. La densidad se obtiene dividiendo el peso en el aire entre la pérdida de peso en el agua. Uno de los instrumentos más sencillos de utilizar es la balanza de Jolly. Este instrumento consiste de un resorte espiral en cuyo extremo inferior están sostenidos dos platillos o canastillas de alambre, sobre la plataforma móvil se coloca un vaso lleno de agua y se procede a hacer la lectura.

También existe el picnómetro, éste se usa cuando son minerales pequeños. El picnómetro es una pequeña botella que tiene tapón esmerilado que cierra perfectamente y termina en un tubo con una abertura muy fina. La botella se llena con agua destilada, se inserta el tapón y el agua se que derrama se elimina cuidadosamente con un trapo y entonces se pesa

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.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.

TRABAJO DE INVESTIGACION

PROPIEDADES INGENIERILES DE LAS ROCAS

INTRODUCCION:

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. Entre estas normas cabe mencionar las de la Sociedad Americana para el Ensayo de Materiales (American Society for Testing Materials, o ASTM), las de grupo italiano para la Normativa de Productos Pétreos (Normativa Manuffati Lapidei, o NORMAL) del Consiglio Nazionale delle Ricerche-Istituto Centrale per il Restauro (CNR-ICR) y las de la Reunión Internacional de Laboratorios de Ensayos de Materiales (RILEM), incluyendo las de la Comisión 25 para la Protección y Erosión de los Monumentos (25 Protection and Erosion des Monuments, o PEM) de la RILEM.

PROPIEDADES INGENIERILES:

CONCEPTO:

ROCA:

Es un agregado natural que puede ser semiduro a duro y que esta constituido por uno o varios minerales y que son parte de la corteza terrestre.

PROPIEDADES FÍSICAS:

Varias propiedades 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:

1. Permeabilidad

2. Peso específico

3. Porosidad

4. Absorción

*Propiedad de los organismos y los cuerpos sólidos de tener poros.

'porosidad' aparece también en las siguientes entradas

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 del travertino 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.

Figura 13.- Distribución de la porosidad en función del tamaño de poro en los travertinos y morteros M3 y M4.

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 saturación libre en agua y desorción permiten especular con una macroporosidad similar en ambos materiales.

3. ABSORCION:

*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.

Adsorción de agua por partículas hidrófilas

secado

mojado

mojadoEstructura del agua

Figura 2. Adsorción de moléculas agua (polares) por partículas hidrófilas (con cargas electrostáticas residuales en su superficie) durante ciclos de mojado y secado.

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:

WM M

Mt

t

0

0

100

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

SW

Wt

t

s

100

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

4. PESO ESPECIFICO:

Tanto la densidad como el peso específico son propiedades que no dependen de la dirección de medida, esto es, son propiedades escalaresAunque 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):

M

Vdonde: es la densidad (kg/m3)

M es la masa (kg) de la sustancia yV 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 7800-7900Cemento Portland 2900-3100Granito 2700-2800Arena cuarzosa 2600-2700Ladrillo 2500-2800Vidrio 2500-3000Caliza 2400-2600Madera 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:

01

1

M

V

donde: o es la densidad global del material (kg/m3)M1 es la masa global (kg) del material yV1 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 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 PorosidadAcero 7800-7850Granito 2600-2800 0.15-1.5Gabro 3000-3100 0.1-0.2Riolita 2400-2600 4.0-6.0Basalto 2800-2900 0.1-1.0Arenisca 2000-2600 5.0-25.0Lutita 2000-2400 10.0-30.0Caliza 2200-2600 5.0-20.0Dolomia 2500-2600 1.0-5.0Gneiss 2900-3000 0.5-1.5Mármol 2600-2700 0.5-2.0Cuarcita 2650 0.1-0.5Pizarra 2600-2700 0.1-0.5Hormigón pesado 1800-2500Hormigón ligero 500-1800Ladrillo 1600-1800Arena 1450-1650Plástico poroso 20-100

RESISTENCIA DE LAS ROCAS:

A la comprencion:

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:

llF

S

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) yl 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

l l

l

l

l

1 0

0 0

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:

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.

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 (<70 kg/cm2) débiles (70-200 kg/cm2) moderadamente resistentes (200-700 kg/cm2) fuertes (700-1400 kg/cm2) hasta muy fuertes (>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 3.2Sienita 186 434 19 44 1.9 4.4Gabro, diabasa 124 303 13 31 1.3 3.1Basalto 110 338 11 34 1.1 3.4Caliza 14 255 1 26 0.1 2.6Arenisca 34 248 4 25 0.4 2.5Gneiss 152 248 15 25 1.5 2.5Cuarcita 207 627 21 64 2.1 6.4Mármol 69 241 7 25 0.7 2.5Pizarra 138 207 14 21 1.4 2.1Hormigón 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: 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 7 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, casi-elásticos, semi-elásticos y no-elásticos (o plásticos). Los tipos de curvas para materiales casi-elásticos, semi-elásticos y no-elásticos se representan en la Figura 8.

Por otro lado, los materiales pueden clasificarse como frágiles y dúctiles (Figura 9). 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.

Los materiales pétreos pueden caracterizarse, en general, como frágiles bajo condiciones de temperatura ambiental (si bien a altas presiones y temperaturas presentan tramos plásticos más amplios, Figura 9). La deformación permanente entre el límite elástico y el punto de ruptura en los materiales heterogéneos como los pétreos se verifica a bajas temperaturas mediante una microfracturación frágil. Esta microfracturación se produce sobre todo en el interior de los minerales que forman las rocas, a favor de sus sistema de exfoliación, o entre microporos. El grado de microfracturación, que es controlado por las características texturales y estructurales de los materiales (e.g., tamaño de grano, porosidad, razón clastos/matriz, cementación, etc.), define en gran medida la forma de la curva esfuerzo-deformación. Así, puede generalizarse que los materiales pétreos con tamaño de grano fino tienden a ser casi-elásticos, mientras que los de grano grueso tienden a ser semi-elásticos, siempre a igualdad de otros factores. Respecto de la porosidad, materiales compactos y poco porosos tenderán a un comportamiento casi-elástico o semi-elástico, mientras los materiales muy porosos y poco o moderadamente coherentes (esto es, escasamente cementados, como las calcarenitas bioclásticas utilizadas en la construcción de edificios históricos de Granada o morteros de cal) tienden a un comportamiento semi-elástico o plástico. El comportamiento semi-elastico o plástico indica un rápido aumento de la deformación en los primeros incrementos de esfuerzo, lo cual se explica por acomodo de la carga por el movimiento relativo de los granos (gruesos) del entramado y/o deformación de los poros, pasándose a continuación a una situación en que la tasa de deformación es menor, esto es, de recuperación mecánica, en la que el esfuerzo y la deformación aumentan más o menos proporcionalmente una vez el entramado de granos ha adquirido cierta compactación (Figura 8).

Como puede deducirse de lo anterior, el módulo de Young sólo puede definirse en rigor cuando los materiales elásticos, ya que la proporcionalidad lineal entre esfuerzo y deformación no se verifica en los materiales casi-elásticos, semi-elásticos y plásticos. A pesar de ello, este módulo puede calcularse para partes determinadas de las curvas esfuerzo-deformación, aunque sin el conocimiento de sus formas este dato sirve de poco. No obstante, cuando los materiales son frágiles, y su comportamiento es elástico o casi elástico, el módulo de Young y la resistencia a la compresión nos permiten tener una idea bastante aproximada de las curvas esfuerzo-deformación, ya que en estos materiales el límite de proporcionalidad, el límite elástico y el punto de ruptura casi son coincidentes. En estos casos, el módulo de Young será muy util para evaluar el comportamiento mecánico de los materiales ante la acción de esfuerzos compresivos de tipo uniaxial.

Las anisotropías estructurales de los materiales, tales como superficies de estratificación o foliación, introducen lógicamente anisotropías mecánicas. Dado que estas superficies introducen debilidades mecáncias (i.e., los materiales se fracturan por extensión y cizalla más fácilmente a favor de las mismas), la resistencia a la compresión y el módulo de elasticidad disminuyen si el esfuerzo principal mayor (i.e., compresor, 1) es paralelo u oblicuo (cercano a 45º) a tales superficies. La resistencia a la compresión de materiales anisótropos es máxima cuando las superficies están orientadas perpendicularmente al esfuerzo principal mayor. Esto es importante en la estabilidad de las estructuras en los edificios y en los trabajos de restauración que impliquen sustitución de piezas por materiales estructuralmente anisótropos.

Figura 8. 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).

Figura 9. 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.

Como se ha indicado más arriba, 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.

La razón entre los coeficientes de resistencia a la compresión del material saturado en agua y seco, denominado coeficiente de ablandamiento, es una medida del efecto del agua sobre la resistencia a la compresión:

KR

Rs

s

d

donde: Ks es el coeficiente de ablandamiento (adimensional)Rs (Pa) es la resistencia a la compresión del material saturado en agua yRd (Pa) es la resistencia a la compresión del material seco.

Para algunos materiales muy porosos fácilmente empapables, este coeficiente tiende a 0,

ya que Rs tiende a 0, mientras que otros materiales poco porosos como vidrios o aceros el

coeficiente de ablandamiento tiende a 1, esto es, retienen sus propiedades mecánicas ante

la presencia de agua. Los materiales con coefientes de ablandamiento mayores de 0.8 se

califican de resistentes mecánicamente respecto de la acción del agua. Los materiales con

coeficientes menores de 0.8 nunca deben exponerse a la acción de la humedad (e.g., zócalos de elementos constructivos que sufren infiltración capilar), y en caso de exponerse, deben aislarse de la humedad con barreras impermeables o tratarseconproductos hidrofugantes.

RESISTENCIA A LA TENSION:

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 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 8.6Conglomerado 29.7Calizas 4.2 5.8Arenisca 1.1 1.7Arenisca calcárea 4.3Esquistos 3.1

RESISTENCIA A LA FLEXION

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:

SP l

dm

83

donde: P (Pa) es la carga aplicadal (m) es la distancia entre los pivotes yd3 (m) es el diámetro de la probeta

si la probeta es cilíndrica, y por la expresión:

SP l

b hm

3

2 2

donde: b (m) es el ancho de la sección de la probeta yh (m) es el largo de la probeta

si la probeta es prismática.

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.

MECANICA DE LOS ESFUERZOS CORTANTES:

ELASTICIDAD DE LAS ROCAS: