PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DEL PERU Sección Ingeniería de Minas

LABORATORIO N° 2

ENSAYO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN SIMPLE (UNIAXIAL) DE LAS ROCAS

Objetivo

El objetivo del ensayo de compresión simple es determinar la resistencia

máxima a la compresión sin confinamiento lateral en una muestra cilíndrica de roca. La

preparación de las muestras se hace según norma ASTM D4543-85 y los ensayos de

compresión simple se ejecutan siguiendo las recomendaciones y procedimientos de la

norma ASTM D2938-95 (2002).

Equipo necesario

a) Máquina de ensayos. Una prensa que puede aplicar y medir la carga axial sobre la

muestra, con una capacidad de carga de 100 toneladas y que cumpla con los

requerimientos de la Norma ASTM E4 y British Standard 1610.

b) Bloques de asiento. La máquina de ensayos debe ser equipada con dos bloques de

asiento en forma de disco, de acero con dureza Rockwell no menor de HRC 58. Estos

bloques de asiento pueden ser: bloques de asiento esférico o bloques de asiento rígido.

Las superficies de apoyo no deben salir de un plano por más de 0.0125 mm cuando los

asientos son nuevos, y se permite una variación de 0.025 mm. El diámetro del asiento

será tan grande como el diámetro de la muestra, pero no excederá de 1.10 veces el

diámetro de la misma. El espesor del asiento debe ser por lo menos la mitad del

diámetro de la muestra.

-Asientos esféricos: Una de las superficies de apoyo podría ser un asiento

esférico y otro una base rígida plana. El diámetro del asiento esférico será por lo

menos tan grande como la muestra, pero no exceder dos veces el diámetro de la misma.

El centro de la esfera en el asiento esférico debe estar alineado con la muestra. El

asiento esférico debe ser lubricado con aceite mineral o grasa para asegurar que gire

libremente sobre su base.

-Asientos rígidos: Si no son usados asientos esféricos, las caras de los asientos

deben ser paralelos a 0,0005 mm/mm del diámetro del asiento. Este criterio será

cumplido cuando los asientos están en el dispositivo de carga y separados por

aproximadamente la altura de la muestra.

Preparación de las muestras (ASTM D4543-85)

a) Las muestras deben ser cilíndricas circulares con una relación longitud-diámetro

(L/D) entre 2 y 2.5. La relación entre el diámetro del testigo y el diámetro del grano más

grande de la roca debe ser como mínimo de 10 a 1. Se utiliza una cortadora de disco

diamantino para dimensionar cada muestra en su longitud en relación a su diámetro.

b) La superficie de la muestra debe ser lisa y libre de irregularidades abruptas, con todos

sus elementos alineados sin desviarse más de 0.5 mm a lo largo de la muestra.

c) Las bases deben ser paralelas entre sí, sin desviarse más de 0.025 mm y

perpendiculares con respecto al eje longitudinal del cilindro sin apartarse más de 0.05

mm en 50 mm.

d) Para lograr el paralelismo de las bases se emplea una máquina refrentadora.

e) No se permiten muestras que estén cubiertas con otro material o que tengan algún

tratamiento superficial diferente al de la máquina refrentadora.

f) El diámetro debe ser medido con aproximación a 0.1 mm y ser el promedio de las

medidas de dos diámetros perpendiculares entre sí y tomadas en tres partes de la

muestra: superior, medio, inferior.

g) La altura debe ser tomada con aproximación al mm.

h) La condición de humedad de la muestra puede tener un efecto significativo en la

resistencia que pueda alcanzar la roca. Los testigos no deben ser almacenados por más

de 30 días y es una buena práctica tratar de conservar las condiciones de humedad

natural de la muestra hasta el momento del ensayo.

Metodología a) Asegurar que el asiento esférico pueda girar libremente sobre su base.

b) Limpiar las caras de los bloques de asiento superior e inferior y de la muestra.

c) Colocar la muestra sobre el asiento inferior. La carga y asiento superior se acercan

hacia la muestra gradualmente hasta que se obtiene un asentamiento uniforme de la

carga sobre la muestra.

d) Muchos tipos de roca fallan por compresión de manera violenta. Una malla

protectora se coloca alrededor de la muestra para prevenir posibles daños al volar los

fragmentos de roca.

e) La carga debe ser aplicada en forma continua con una razón constante de manera que

la ruptura ocurra entre 2 y 15 minutos después de iniciada la carga.

f) Registrar la carga máxima aplicada sobre la muestra.

g) Se recomienda realizar un registro o esquema de la muestra fracturada.

Cálculos

La resistencia a la compresión simple se obtiene dividiendo la máxima carga aplicada

sobre la muestra durante el ensayo entre el área de su sección circular expresado en

kgf/cm2 o MPa. Si la relación (L/D) es menor que 2 se hace una corrección utilizando la

siguiente expresión:

C=Ca/(0.88+(0.24b/h))

Donde:

C = resistencia a la compresión simple corregida

Ca = resistencia a la compresión simple última

b = diámetro de la muestra

h = altura de la muestra

ENSAYO DE CARGA PUNTUAL

Objetivo Mediante este ensayo se determina el Índice Is(50) en muestras de roca que

requieren de poca preparación y que pueden tener formas regulares o irregulares. Se

utiliza en la clasificación de macizos rocosos y para estimar otros parámetros de

esfuerzo como la resistencia a la compresión simple. Los ensayos se ejecutan siguiendo

el procedimiento recomendado por las normas ISRM (1985) y ASTM D5731-08.

Equipo necesario El equipo utilizado es la versión portátil. Este equipo consta de:

a) Sistema de carga

b) Lector de carga

c) Lector de distancia

a) Sistema de carga

Marco de carga

El marco de carga esta diseñado y construido de manera que por la aplicación

repetida de la carga no se desvíe y las puntas cónicas permanezcan coaxiales con una

desviación máxima de 0.2 mm.

Se puede fijar en posiciones que permitan la colocación de las muestras de roca

con diferentes dimensiones. Generalmente estas dimensiones varían de 15 a 100 mm.

Dos puntas cónicas

Las puntas cónicas deben tener asientos rígidos de manera que no existan

problemas de deslizamientos cuando las muestras de geometría irregular sean

ensayadas.

Una de ellas está fija al marco de carga y la otra está situada en el cilindro

hidráulico.

Las puntas son conos esféricamente truncados. El cono es de 60° y el radio de la

esfera es de 5 mm y deben coincidir tangencialmente.

Cilindro hidráulico

El cilindro hidráulico es accionado mediante una bomba hidráulica manual a

través del cual se aplica la carga de compresión sobre la muestra.

b) Lector de carga Dos manómetros calibrados con aguja de arrastre para registrar la carga máxima

de falla.

c) Lector de distancia Un sistema de medición instalado sobre el marco de carga que registra la

distancia entre los puntos de contacto de las puntas cónicas con la muestra.

Calibración del equipo El equipo debe ser calibrado periódicamente usando una celda de carga

certificada y un juego de bloques para chequear que las lecturas de P y D estén dentro

de los rangos previamente establecidos para este ensayo.

Selección de muestras Las muestras pueden tener las siguientes formas:

a) muestras cilíndricas de roca (ensayo axial o diametral)

b) bloques cortados (ensayo de bloques)

c) pedazos irregulares (ensayos de pedazos irregulares)

Metodología Ensayo diametral a) Las muestras de forma cilíndrica apropiadas para este ensayo son los que tienen

relación longitud/ diámetro mayor que 1.

b) La muestra es colocada en la máquina de ensayo y las puntas cónicas deben juntarse

hasta hacer contacto con un diámetro de la muestra, asegurando que la distancia L entre

el punto de contacto y la base libre más cercana sea 0.5 veces el diámetro D o mayor.

c) Si la muestra es de material blando de manera que se produzca una significativa

penetración de las puntas en el momento de la falla, debe registrarse esta distancia como

D.

d) La distancia D es registrada con aproximación al mm.

e) La carga es aplicada bombeando en forma constante de manera que la falla ocurra

dentro de los 10 o 60 segundos de iniciada la carga.

f) Se anota la carga de ruptura P.

g) Si la superficie de falla pasa solo a través de un punto de carga, el ensayo no será

considerado válido.

h) El procedimiento será repetido para el resto de las muestras.

Ensayo axial a) Las muestras cilíndricas utilizadas en este ensayo deben cumplir con la relación

longitud/diámetro de 0.3 a 1.

b) Las piezas de las muestras que han sido utilizadas en los ensayos diametrales y que

cumplen con la condición a) pueden ser usados en el ensayo axial.

Se repiten los pasos b), c), d), e), f), g), h), i) del procedimiento para el ensayo

diametral.

Ensayo de bloques y pedazos irregulares a) En este ensayo se utilizan bloques de roca o pedazos irregulares de dimensiones entre

15 a 85 mm y de las formas mostradas en la norma correspondiente. La relación D/W

debe ser entre 0.3 y 1.0, preferiblemente cercano a 1.0.

b) La distancia L deberá ser de por lo menos 0.5 W. Las muestras de este tamaño y

forma serán seleccionadas si están disponibles o deberán ser preparadas, obteniéndolas

de piezas grandes.

c) La muestra es colocada en la máquina de ensayos y las puntas cónicas se ajustarán

hasta hacer contacto con la menor dimensión del bloque o pedazo.

d) La distancia D entre los puntos de contacto de la muestra con las platinas es tomada

con aproximación a 0.1 mm. El ancho W perpendicular a la dirección de carga es

anotado con una aproximación al mm. Si los lados no son paralelos entonces W es

calculado como (W1 + W2) / 2.

e) La carga debe ser aplicada constantemente de manera que la falla ocurra entre los 10

y 60 segundos de iniciada la carga. La carga última P es anotada. El ensayo deberá ser

anulado sí la superficie de falla no pasa a través de los puntos los puntos de aplicación

de la carga.

Cálculos El esfuerzo de carga puntual Is = P ,donde De (diámetro equivalente) es: De

2

en el ensayo diametral De 2 = D2

en el ensayo axial, de bloques o pedazos irregulares De 2 = 4A

π donde A = WD y entonces De

2 = 4WD π Correcciones a) Is varía como una función de D en el ensayo diametral y como una función de De en

el ensayo axial, de bloques y pedazos irregulares, por eso se debe aplicar una corrección

para obtener un valor único de esfuerzo de carga puntual para una muestra de roca. y

para que este valor pueda ser usado para propósitos de clasificación de la roca.

b) El valor de esfuerzo de carga puntual corregido Is(50) de una muestra de roca está

definido como el valor Is medido en un ensayo diametral con diámetro D= 50mm.

c) El método más efectivo de obtener Is(50) es ejecutar ensayos diametrales muy cerca de

D=50mm. La corrección entonces no será necesaria o se introducirá un mínimo de error

(p.e. en el caso de ensayos diametrales de muestras cilíndricas NX con D=54mm, la

corrección no es necesaria). Sin embargo no todos los ensayos de carga puntual son

ejecutados con estas muestras por lo que la siguiente corrección debe ser aplicada:

Is(50) = F x Is

donde el factor F se calcula mediante la siguiente expresión:

F = (De/50)0.45

d) Para muestras con medidas cerca del estándar 50 mm, un pequeño error será

introducido si se usa la expresión:

F = (De/50)0.50

e) Los resultados finales Is(50) serán calculados eliminando los dos valores más altos y

los dos más bajos de una muestra de 10 o más ensayos válidos y calculando el promedio

con los valores restantes. Si los ensayos válidos fueran pocos solo se eliminará el mayor

y el menor y se calculará el promedio con los restantes.

f) Los resultados de los ensayos diametrales, axiales, de bloques y pedazos irregulares

deben ser calculados separadamente.

g) A partir del índice de carga puntual corregido Is(50) se puede utilizar la formula de E.

Broch y J. A. Franklin para estimar la resistencia a la compresión no simple:

σc = K Is(50)

En la que:

Is(50) : Índice de carga puntual corregido para un diámetro de muestra de 50 mm (en

MPa)

σc : Resistencia a la compresión simple estimada a partir del Is(50) (en MPa)

K: Factor de conversión

De acuerdo con investigaciones recientes (Hawkins, 1998 y Thuro, 2001), el

factor K, puede variar entre 10 y 50, por lo que en general se recomienda efectuar

ensayos de compresión simple y de carga puntual por cada grupo de muestras de un tipo

de roca dado, con el fin de determinar el factor de conversión.

Los ensayos de carga puntual son pruebas rápidas y de bajo costo, que pueden

ejecutarse en gran cantidad durante la ejecución de un estudio.

Si el valor del factor “K” de correlación no está disponible, los valores que

pueden ser usados se presentan en el Cuadro 1.

Cuadro 1. Índices para conversión de Is(50) a la resistencia a la compresión simple

Tamaño núcleo (mm) Valor de “K”

21.5 (núcleo Ex) 18

30 19

42 (núcleo Bx) 21

50 23

54 (núcleo Nx) 24

60 24.5

ENSAYO PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA A LA TRACCIÓN INDIRECTA

Objetivo

Este ensayo permite determinar la resistencia a la tracción de una roca a través

de la aplicación de una carga lineal de compresión sobre un diámetro del disco de roca.

El esfuerzo de tracción debería ser obtenido de un ensayo de tracción uniaxial directa,

pero por tratarse de un ensayo difícil y costoso para ser realizado repetidamente, en la

práctica geotécnica se ha optado por reemplazarlo por este ensayo que es sencillo.

El valor de esfuerzo a la tracción se utiliza para graficar el círculo de Mohr (σc y

σt en la envolvente de esfuerzos).

Equipo necesario a) Máquina de ensayos. Una prensa que puede aplicar y medir la carga axial sobre la

muestra, con una capacidad de carga de 100 toneladas y que cumpla con los

requerimientos de la Norma ASTM E4 y British Standard 1610.

b) Superficies de asiento. La máquina de ensayo debe ser equipada con dos bloques de

asiento de acero con una dureza Rockwell no menor de 58 HRC.

b.1) Bloques de asiento planos. Durante el ensayo, la muestra puede ser colocada en

contacto directo con las placas de apoyo del equipo. Las superficies de asiento no

deberán salir de un plano más de 0.0125 mm cuando los platos son nuevos y serán

mantenidas dentro de una variación permitida de 0.025 mm. El diámetro del bloque de

apoyo debe ser tan grande como el espesor de la muestra.

b.2) Bloques de asiento curvos. Podría ser usado para reducir las tensiones de contacto.

El radio de curvatura de los platos de apoyo suplementarios podrían ser diseñados de

manera que el arco de contacto con la muestra no exceda 15° o que el ancho de contacto

sea menor que D/6, donde D es el diámetro de la muestra.

b.3) Asientos esféricos. Una de las superficies de apoyo podría ser un asiento esférico y

otro un bloque rígido plano. El diámetro del asiento esférico será por lo menos tan

grande como la muestra, pero no exceder dos veces el diámetro de la misma. El centro

de la esfera en el asiento esférico debe estar alineado con la muestra. El asiento esférico

debe ser lubricado para asegurar que gire libremente sobre su base.

b.4) Asientos rígidos. Si no son usados asientos esféricos, las caras de los bloques de

apoyo deberán ser paralelos a 0.0005 mm/mm del diámetro del bloque. Este criterio

será cumplido cuando los bloques están en el dispositivo de carga y separados

aproximadamente el diámetro de la muestra.

c) Aislador de apoyos. Se recomienda colocar entre las superficies de apoyo, una

cartulina gruesa de espesor 0.01D, donde D es el diámetro de la muestra, o una madera

contrachapada de 0.25 pulgadas de espesor de la muestra, para reducir las altas

concentraciones de tensiones generadas en el lugar de aplicación de carga.

Preparación de las muestras

 

La muestra debe ser un disco circular con una relación espesor/diámetro (t/D)

entre 0.2 y 0.75. El diámetro de la muestra deberá ser por lo menos 10 veces mayor que

el grano más grande de mineral que forma la roca. Un diámetro de 50 mm (NX) podría

generalmente satisfacer este criterio. Cuando el diámetro es menor que el indicado y se

debe ensayar pues no hay disponibilidad de material, se debe anotar este hecho en el

informe.

Cortar los extremos de la muestra en forma paralela una del otro y perpendicular

al eje longitudinal. Los extremos de la muestra no pueden desviarse de la perpendicular

al eje de la base por más de 0.5°. Este requisito puede ser cumplido generalmente

cortando la muestra con una sierra diamantada de precisión.

Determinar el diámetro de la muestra con una aproximación de 0.25 mm (0.01

pulgadas), tomando el promedio de por lo menos tres medidas, una de las medidas debe

ser tomada en el diámetro que se va ensayar.

Determinar el espesor de la muestra con una aproximación de 0.25 mm (0.01

pulgadas), tomando el promedio de por lo menos tres medidas, una de las cuales debe

ser tomada en el eje del disco.

Metodología

La orientación vertical deseada debe ser indicada marcando una línea diametral

en cada extremo de la muestra. Estas líneas serán usadas para centrar cada muestra en

la máquina de ensayos y asegurar una orientación apropiada, además como líneas de

referencia para medir el espesor y el diámetro.

La muestra debe ser instalada en la máquina de ensayos asegurando que la carga

sea aplicada sobre el diámetro trazado y que los apoyos adicionales coincidan también

con la superficie de apoyo con una aproximación de 1.25 mm (0.05 pulgadas).

La carga debe ser aplicada en forma continua para producir una rapidez

constante de carga o deformación, tal que la ruptura ocurra dentro de 1 a 10 minutos de

carga, que debe ser entre 0.05 y 0.35 MPa/s (500 y 3000 psi/min) de rapidez de carga,

dependiendo del tipo de roca.

Registrar el valor máximo de la carga aplicada sobre la muestra.

Se recomienda realizar un registro o esquema de la muestra fracturada.

Cálculos

El esfuerzo de tracción indirecta de la muestra se halla calculando como sigue:

στ = 2P πLD

σ t = resistencia a la tracción indirecta, MPa (psi)

P = máxima carga aplicada indicada en la máquina de ensayo, N (lbf)

L = espesor de la muestra, mm (pulgadas)

D = diámetro de la muestra, mm (pulgadas)

ENSAYO PARA DETERMINAR LA DUREZA ESCLEROSCÓPICA DE ROCAS MEDIANTE EL MARTILLO SCHMIDT

Objetivo

El objeto de conocer la dureza de una roca mediante el Martillo Schmidt es

poder estimar su resistencia a la compresión simple, al igual que el ensayo de carga

puntual.

Es importante indicar que el valor real de la resistencia a la compresión simple

es determinada mediante el ensayo de compresión simple y no mediante el martillo

Schmidt ni carga puntual, ya que éstas son solo estimaciones.

Tipos de martillos

Como todo instrumento de medición; existen diferentes tipos de martillo, según

los fines y objetivos que se planifica.

El martillo Tipo “L” es el que se adecúa a la aplicación de la Mecánica de

Rocas, para los efectos de los trabajos se dispone de una fórmula que lo relaciona con el

martillo Tipo “N”, en cuanto se refiere al número de rebote “R”.

RL = -3.4 + (0.83 RN) + (0.00295 RN2)

donde:

RL: Número de rebote en el martillo tipo “L”

RN: Número de rebote en el martillo tipo “N”

Equipo necesario Martillo Schmidt tipo L (energía de impacto de 0,74 Nm), pero puede ser usado el otro

tipo de martillo y hacer las correcciones necesarias.

Preparación de las muestras Las muestras deben ser representativas del material y lo más grandes posibles: testigos

cilíndricos de tamaño NX (54 mm de diámetro) o bloques cuyo espesor sea de 6 cm

como mínimo.

Metodología Con el Martillo Schmidt de Dureza, se determina la cantidad de rebotes necesarios para

un mejor análisis, considerando que a mayor cantidad de ensayos mayor será el grado

de confiabilidad en los resultados “t” Student, en diferentes posiciones, en un mismo

tipo de roca, tomando en cuenta la longitud ensayada o el área; procediéndose además a

recolectar una muestra de la roca ensayada.

El procedimiento a seguir es el siguiente:

• Se “tara” el martillo usando el yunque patrón suministrado por el fabricante. Se hacen

10 medidas y se calcula la moda. Se calcula el factor de corrección:

Factor de corrección = valor estándar del yunque patrón moda de las 10 medidas

• Las muestras se sujetan firmemente en el soporte y se comprueba que su superficie es

lisa y plana y que no hay discontinuidades, fracturas, etc por lo menos en los 6 cm

superficiales de la muestra.

• Se realizan al menos 20 medidas por muestra aplicando preferentemente el martillo en

posición perpendicular a la superficie de la muestra. Cada nueva medida se hará con una

separación mínima equivalente al diámetro de la punta del martillo.

• Se descarta la mitad de las medidas, concretamente las que den los valores inferiores,

y se hace la moda de las medidas restantes.

• La dureza al rebote se calcula multiplicando esta moda por el factor de corrección.

Existen tablas para la corrección por la posición del martillo Schmidt de dureza, al

momento de realizarse el ensayo, de esta manera, debe ser considerado que para los

cálculos en gabinete se debe corregir sobre cada uno de los rebotes ejecutados.

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En el informe deben figurar los siguientes datos:

• Roca:

• Muestra:

• Fecha de ensayo:

• Procedencia y fecha de muestreo:

• Forma y tamaño de la muestra:

• Condiciones de almacenamiento de la muestra:

• Orientación del martillo:

Referencias ISRM. Suggested method for determination of the Schmidt rebound hardness. En: Rock

Characterization Testing and Monitoring. ISRM Suggested Methods. Editor: E.T.

Brown, Pergamon Press, Oxford, 1981. pp. 101-102.

ISRM. Suggested methods for the quantitative description of discontinuities in rock

masses. En: Rock Characterization Testing and Monitoring. ISRM Suggested Methods.

Editor: E.T. Brown, Pergamon Press, Oxford, 1981. pp. 31-33.

GONZÁLEZ DE VALLEJO, L.I.; FERRER, M.; ORTUÑO, L. & OTEO, C. Ingeniería

Geológica. Prentice Hall, Madrid. 2002, pp. 346-348.