INTRODUCCIÓN

Las consideraciones de las propiedades físicas en las rocas, son de gran importancia en geología, pues se emplean en multitud de áreas de estudio, como la petrología, geofísica, geoquímica, ingeniería geológica, o la geoquímica. Por ejemplo, los geólogos emplean la datación radioactiva para la reconstrucción de la historia geológica, los sismólogos predicen sismos mediante el estudio de la transmisión de ondas sísmicas naturales o artificiales, los cristalógrafos estudian los minerales por medio de sus características físicas y ópticas, con la prospección geofísica se detectan yacimientos minerales mediante las variaciones en las propiedades físicas del sustrato rocoso, los ingenieros geotécnicos calculan las propiedades físicas y estructurales del subsuelo para la correcta construcción de obras públicas, y los geólogos del petróleo analizan la respuesta de las rocas en el subsuelo mediante testificación geofísica o directa (mediante sondeos).Como las rocas son consideradas como asociaciones minerales, sus propiedades físicas dependen en gran medida de las que presentan cada uno sus minerales constituyentes. Según la disposición de los cristales o granos en una roca, algunas propiedades físicas pueden variar con sus orientaciones, característica que se conoce con el nombre de anisotropía. Otras propiedades dependen del tamaño de grano o cristal, su forma, disposición en el espacio, de las condiciones depresión y temperatura, de la presencia o ausencia de fluidos (agua, gases, petróleo, etc.) en la porosidad de las rocas, etc., razón por la cual, según los factores que presente las rocas en cada uno de sus afloramientos, no van a coincidir exactamente, sino que se mantienen dentro de ciertos rangos.

En el laboratorio de mecánica de rocas, para poder estimar y comparar los diferentes esfuerzos que ofrece la roca es necesario conocer de antemano sus propiedades físicas, el tipo de roca; de esta manera se puede ir comparando resultados bajo un sistema de tablas establecidas por la ISRM.

En el presente informe sobre el ensayo de las propiedades física de la roca en la cual se ha determinado a partir de datos primarios la gravedad específica aparente, contenido de humedad, etc.

Para la determinación de estas propiedades fue necesario hacer remojar en agua las muestras de roca durante mas de 3 días, durante este periodo se ha observado en incremente de peso de las muestras luego de sucesivas pesadas, las muestras han conservado un peso casi constante el cual indicaba que estaba totalmente saturada con agua.

Como resultado de este ensayo se ha conseguido sus propiedades de esta roca que fue estudiada por un grupo de compañeros y cuyos resultados se muestran mas adelante.

PROPIEDADES FISICAS DE LAS ROCAS

DENSIDAD Y 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. 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 (g/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-a 2.65 y el cuarzo-b 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):

Tabla 1. Densidad (kg/m3) de algunos materiales de construcción (de Komar, 1987).Acero 7800-7900Cemento Portland 2900-3100Granito 2700-2800Arena cuarzosa 2600-2700Ladrillo 2500-2800

Vidrio 2500-3000Caliza 2400-2600Madera 1500-1600

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 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

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:________<0.0001 mm

Existen distintos conceptos de porosidad. La porosidad teórica viene dada por la ecuación:

PV

V

V V

V

p

o

o sólidos

o

100 100

Donde: P es la porosidad total (%)

Vp (m3): es el volumen de porosVsólidos (m3): es el volumen agregado de las partículas sólidas yVo(m3): es el volumen total de la muestra.

Teniendo en cuenta que la relación entre masa, volumen y densidad, y que la masa del material poroso es idéntica a la masa de la sustancia (sin poros) si los poros están ocupados por vacío, la expresión anterior queda:

P o

1 100

Donde: P es la porosidad total (%)

o: es la densidad global del material (kg/m3) y: es la densidad real de la sustancia (kg/m3), asumiéndola libre de poros.

La densidad de la sustancia libre de poros es difícil de estimar. Por ello se recurre a otro tipo de mediciones. La porosidad total efectiva es la porosidad medible mediante intrusión de mercurio hasta una presión forzada de 1000 atmósferas, aunque se puede llegar hasta varios miles de atmósferas:

PV

Vt

p

o

100

Donde: Pt es la porosidad total efectiva (%)

Vp (m3): es el volumen de mercurio intuido yVo (m3): es el volumen de la muestra seca.

Mediante la técnica de intrusión forzada de mercurio puede estimarse no sólo la porosidad total efectiva, sino la porosidad media (%) comprendida entre un determinado rango de tamaño de poro, medido en términos de radio o diámetro de poro. En general, los aparatos (porosímetros de Hg) más comunes permiten evaluar los porcentajes de radios de poro menores de 1 mm de los materiales, por lo que no se obtiene información sobre la porosidad debida a megaporos, que en algunas rocas sedimentarias y materiales de construcción como morteros puede ser muy elevada. Las dimensiones de las probetas de muestra medidas en el porosímetro de Hg dependen del aparato utilizado, aunque es común que sean pequeñas, de unos mm de diámetro. Para asegurar que los análisis sean representativos, pueden seguirse las recomendaciones del Documento NORMAL 4/80.

Otra medida de la porosidad se puede obtener mediante pesada hidrostática, que define la porosidad abierta o accesible al agua. El material se sumerge en agua (u otro líquido de densidad conocida) hasta su saturación (ver más adelante), calculándose la porosidad a partir de la masa del material seco, saturado y saturado por pesada hidrostática (i.e., peso de la muestra saturada inmersa en un recipiente con agua) mediante la expresión:

nM M

M Mo

s o

s h

100

Donde: no es la porosidad abierta (%)

Ms(kg): es el peso medido en saturaciónMo(kg): es el peso seco de la muestra, yM (kg): es el peso de la muestra

saturada medida por pesada hidrostática.

Al contrario que la porosidad total efectiva medida por intrusión forzada, la porosidad abierta da información sobre la porosidad debida a los poros más gruesos por los que el agua puede circular. No obstante, no se pueden extraer valores de porosidad media para distintos rangos de tamaño de poro. Las dimensiones de las probetas de muestra son las mismas que las utilizadas para estimar la saturación de agua.

ADSORCION Y ABSORCION DE AGUA

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.

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) y

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:

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.

DESORCION DE AGUA

Los materiales localizados en contacto con el aire retienen cierta cantidad de humedad. La cantidad de agua retenida es función de las condiciones ambientas (temperatura y humedad relativa), así como de la naturaleza de las sustancias (hidrófilas o hidrófobas) y de la composición de la solución acuosa (agua pura vs. soluciones salinas). Si las condiciones ambientales cambian, por ejemplo, descendiendo la humedad relativa, el material tiende a ceder vapor de agua al medio aéreo, secándose. Este proceso de desorción de agua es inverso al de adsorción, aunque si la muestra se encuentra saturada en agua, es inverso al de absorción.

La tasa de desorción o secado depende de la diferencia entre la humedad del material y la del medio ambiente (a mayor diferencia, mayor tasa de secado), de la naturaleza del material y de la naturaleza de la porosidad (sustancias hidrorepelentes con poros grandes tienden a eliminar más rápidamente la humedad).

La técnica de medición de la desorción de agua es similar a la de saturación de agua, y persigue evaluar la facilidad de los materiales para eliminar el agua absorbida en el interior de su sistema poroso. El ensayo se realiza con el mismo material utilizado en el de saturación, y se basa en medir las pérdidas de masa, a tiempos parciales, respecto del peso de la muestra saturada en agua. Este ensayo debe realizarse en un ambiente con temperatura (20 ºC) y humedad relativas (60 %) constantes para asegurar la comparación de muestras distintas. Las pérdidas de masa permiten calcular la cantidad de agua desorbida:

WM M

Me

t o

o

100

Donde: We (%) es la cantidad de agua perdida

Mt (kg) es la masa medida en el tiempo t (s) y

Mo (kg) es el peso de la muestra saturada en agua.

Por lo tanto, We representa pérdidas de masa en % relativos al material saturado. Igualmente, estos datos permiten construir curvas We-t (generalmente, el tiempo se expresa como: t ), que caracterizan el comportamiento del material.

Al igual que en el caso de absorción, se calcula el grado de saturación en función del tiempo con el fin de comparar muestras de porosidad muy variada:

SW

We

e

s

100

Donde: Se (%) es el grado de saturación

We es el porcentaje de peso de agua en el tiempo t (seg) y

Ws es el porcentaje en peso de agua bajo la saturación forzada.

Las tasas de saturación observadas en los ensayos de absorción y desorción, evaluadas mediante las curvas respectivas St-t y Se-t no tienen porque coincidir. Esto se debe a que los procesos físicos involucrados en ambos procesos son distintos.

Como se ha indicado más arriba, la humedad en los materiales de construcción afecta a sus propiedades físicas y mecánicas. El principal efecto es un cambio de volumen: los materiales se hinchan cuando absorben agua y se contraen al evacuarla. Dado que los cambios de volumen generan tensiones internas en los materiales, ciclos continuados a escala diaria y estacional de mojado-secado inducen esfuerzos alternantes en el material que, aunque poco significativos en términos absolutos para materiales pétreos, generan pérdida de resistencia mecánica por fatiga (ver más adelante). Un ejemplo claro son los morteros, cuyo aglomerante (cal, cemento) sufre contracción durante el secado mientras el árido no, lo que genera esfuerzos tensionales que conllevan la pérdida de cohesión del agregado por microfracturación del aglomerante. Ensayos de ciclos de secado-mojado durante largos periodos de tiempo permiten calificar la resistencia al deterioro por esta causa.

CÁLCULOS

Densidad= Peso SecoVolumen

ρ1=( 132.945.6 )g /cm3

ρ1=2.91 g/cm3

ρ2=( 77.529.7 ) g/cm3

ρ2=2.61g/cm3

ρ3=( 89.534.8 ) g/cm3

ρ3=2.57g /cm3

ρ4=( 116.947.7 )g /cm3

ρ4=2.45 g/cm3

Peso Espec í fico Aparente(P . E . A)= Peso SecoVolumen

×9.81(KN /m3)

P .E . A=ρ×9.81(KN /m3)

P .E . A1=2.91×9.81=28.55KN /m3

P .E . A2=2.61×9.81=25.6 oKN /m3

P .E . A3=2.57×9.81=25.21KN /m3

P .E . A4=2.45×9.81=24.03KN /m3

Porosidas Aparente (P .a )= PesoSaturado−PesoSecoγω×Volumen

×100 ,(%)

Donde : {γω=Densidad del Agua(g/cm3)

P .a1=1

1g /cm3 ( 0.245.6 )×100%P .a1=0.43%

P .a2=1

1g /cm3 ( 2.429.7 )×100%P .a2=8.08%

P .a3=1

1g /cm3 ( 1.534.8 )×100%P .a3=4.31%

P .a4=1

1 g/cm3 ( 0.647.7 )×100%P .a4=1.26%

Absorción ( enPeso )=Peso Saturado−Peso SecoPeso Seco

×100 ,(%)

Absorción(en peso)1=( 0.2132.9 )×100%Absorción(en peso)1=0.15%

Absorción(en peso)2=( 2.477.5 )×100%Absorción(en peso)2=3.09%

Absorción(en peso)3=( 1.589.5 )×100%Absorción(en peso)3=1.68%

Absorción(en peso)4=( 0.6116.9 )×100%Absorción(en peso)4=0.51%

Nº de datos

Peso seco(g)

Peso saturado

(g)

Volumen(cm3)

Peso saturado –peso seco

(g)12

132.7162.7

350350

400412

132.5162.5

3456789

10promedio

114.3118.589.169.186.987.886

164.8119.19

300300300300300300300300310

350350339336338347348358

357.8

114.1118.3

8969

86.887.885.8

164.7111.05

Tabla de datos iniciales para el cálculo de propiedades físicas

Roca Densidad (g/cm3) Porosidad (%)AndesitaAnfibolitaAreniscaBasaltoCalizaCarbónCuarcitaDiorita

EsquistoGranitoMármolLutitasPizarraRiolita

SalYeso

2.2-2.351.9-3.02.3-2.62.7-2.92.3-2.61.0-2.02.6-2.7

2.7-2.852.5-2.82.6-2.72.6-2.82.2-2.62.5-2.72.4-2.62.1-2.2

2.3

2.10-15--

5-25(16.0)0.1-2

5-20(11.0)10

0.1-0.5--3

0.5-1.5(0.9)0.3-2(0.6)

2-150.1-14-655

Valores medidos datos seleccionados a partir de Goodman (1989), Ranhn (1986)

COMENTARIO

Las densidades obtenidas en este ensayo corresponden a diferentes tipos de roca según la tabla Nº2 estas rocas son: arenisca, cuarcita, caliza, esquisto, granito, mármol. Lutitas, pizarra y riolita, sin embargo, por la petrología estas rocas son intrusivas, calizas y alteraciones de estas que posiblemente hayan alterado por la meteorización, también en esta misma tabla indica que estas roca tiene de 0.5 a 1.5 (0.9) % de porosidad, esto quieres decir que esta roca es bastante compacta y casi no tiene espacios vacios en su textura.

ANEXOS:

CONCLUSIONES

Las rocas y minerales que existen en la naturaleza tienen diferentes propiedades unas mas que otras, en las rocas estas propiedades sirven para la determinación de una serie de actividades en la minería, tales así en mas importante se aplica para el sostenimiento de labores subterráneos. Con las propiedades físicas de una roca bien estudiadas se pueden determinar otras propiedades mecánicas que posteriormente serán utilizados para la estimación de otros parámetros en la mecánica de rocas.

Para otras consideraciones la muestra en mano es importante conocerlo y sobre todo saber de que tipo de roca se trata, conociendo sus propiedades físicas y viendo los minerales que la componen, las propiedades que están a primera vista como el color, forma geométrica, alteraciones, etc. Estas propiedades ayudan a determinar aun con más la precisión y la calidad del material.

Para la determinación de las propiedades físicas de esta roca se ha requerido de un periodo de tiempo que parece muy larga, sin embargo, pienso que existe una forma más fácil de determinar sus propiedades, mas no conozco la forma ni los equipos que lo determinan, esto dicho por que en la actividad minera los datos que se obtienen en el frente de producción requieren resultados inmediatos a pesar de estudios hachos con anterioridad.