Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería en Minas
LABORATORIO DE FUNDAMENTOS DE MECANICA DE ROCAS "ENSAYO DE TRACCION INDIRECTA, UNIAXIAL Y TRIAXIAL SEGUN LAS NORMAS NORMAS ASTM D3967 Y D7012"
Alumno: Sebastián Jeldres. Profesor: Cristian Orrego. Ayudante: Leonardo Ormazábal. Fecha de entrega: 16/08/2016.
RESUMEN EJECUTIVO. El presente informe correspondiente al desarrollo de la experiencia de fundamentos de mecánica de rocas "Ensayo tracción indirecta, uniaxial y triaxial según las normas ASTM D3967 Y D7012. En donde se busca determinar la resistencia de compresión y los tipos de fallas presentes en las probetas. Para poder realizar esta experiencia es necesario conocer los procedimientos estipulados en las normas ASTM D3967 y D7012, con los cuales se determinara la carga, esfuerzo de rupturas y otros parámetros necesarios para determinar la resistencia a la carga uniaxial Los principales resultados obtenidos son los siguientes: Ensayo de Tracción indirecta:
σ σ σ σ
Muestra 1 t Muestra 2 t Muestra 3 t Muestra 4 t Muestra 1 corregido Muestra 2 corregido Muestra 3 corregido Muestra 4 corregido
σt σt σt σt
17,65 Mpa 12,10 Mpa 12,01 Mpa 13,20 Mpa 13,81 Mpa 9,49 Mpa 9,42 Mpa 10,36 MPa
Ensayo Uniaxial
UCS 107,33 Mpa UCS 109,51 Mpa La norma ASTM D3967 y D7012 nos dan referencia sobre la metodología para obtener la resistencia a la compresión mediante el ensayo de tracción indirecta y el ensayo uniaxial por consiguiente según el análisis de resultados se concluye que se cumple con el objetivo principal de la experiencia la cual comprendía determinar la resistencia de compresión y el reconocimiento del tipo de falla presentes en la probetas la cuales según sea del tipo el tipo de esta, es decir T(matriz), S (estructural) o TS (matriz-estructural). Dependiendo el tipo de falla podremos efectuar filtros respecto a los representativos y los no representativos considerando solamente los ensayos por falla tipo matriz con los cuales podríamos determinar por ejemplo envolvente de HyB para roca intacta
INDICE DE CONTENIDOS 1.
INTRODUCCIÓN _____________________________________________________________ 1
2.
OBJETIVOS. _________________________________________________________________ 2
3.
ALCANCES. _________________________________________________________________ 2
4.
MARCO TEORICO.____________________________________________________________ 3
5.
DESARROLLO EXPERIMENTAL. __________________________________________________ 6 5.1 Desarrollo experimental. ........................................................................................................... 6 5.2 Equipos de protección persona (EPP). ...................................................................................... 6
6.
ANALISIS DE RESULTADOS._____________________________________________________ 7
6.1 Valores obtenidos en laboratorio: ........................................................................................ 7 6.2 Determinación de la tracción indirecta: .............................................................................. 7 6.3 Determinación de la Tracción indirecta corregida: .......................................................... 8 6.4 Determinación UCS carga uniaxial: ................................................................................... 9 6.5 Determinación UCS normalizado: ...................................................................................... 9 6.6 Presentación de resultados: ................................................................................................. 9 7.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. _________________________________________ 11
8.
BIBLIOGRAFIA. _____________________________________________________________ 12
9.
ANEXO. ___________________________________________________________________ 12 9.1 Maquinas y herramientas. ...................................................................................................... 12
1. INTRODUCCIÓN Es de vital importancia en la actividad minera contar con un conocimiento y caracterización del comportamiento mecánico del macizo rocoso, los cuales en conjunto con ensayos destructivo que permiten evaluar y representar propiedades que sean aplicables respecto al macizo, ya que estas influyen directamente en el desarrollo de labores mineras. Por lo cual tener un mayor conocimientos del macizo rocoso nos brinda seguridad a las personas, instalaciones y equipos en operación en interior mina. Dentro de este marco la determinación de la carga a la ruptura es un parámetro de vital importancia para caracterizar el comportamiento mecánico del macizo rocoso. Este parámetro está referenciado en las normas ASTM D3967 y D7012. Por lo cual según el desarrollo experimental descrito en el presente informe se realizara el objetivo correspondiente a la determinación de la resistencia de compresión mediante los ensayos de tracción indirecta estipulado en la norma ASTM D3967 y el ensayo unixial estipulado en la norma ASTM D7012
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2. OBJETIVOS. El presente laboratorio tiene los siguientes objetivos: a) Objetivo principal: Determinar la resistencia de compresión mediante los ensayos de tracción indirecta estipulado en la norma ASTM D3967 y el ensayo unixial estipulado en la norma ASTM D7012 b) Objetivos secundarios
Aprender el correcto funcionamiento e instalación de los equipos necesarios para llevar a cabo los ensayos de tracción indirecta y uniaxial. Reconocer el tipo de falla que presentan las probetas ensayadas. Preparar las muestras según norma ASTM 4543 en los ensayos uniaxiales.
3. ALCANCES.
Se trabajara con probetas que se desconoce origen por ende no se puede establecer su geología. Definir la orientación de la probetas lo más perpendicular posible en el ensayo de tracción indirecta. El ensayo triaxial estipulado en la norma ASTM 7012 será solo mencionado y en marco teórico y no se efectuar dicha experiencia por temas de costos. Se consideraran solo dos cifras significativas.
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4. MARCO TEORICO. La norma ASTM D3967 se refiere al ensayo de resistencia a la tracción por compresión diametral. Emplea para tales efectos una máquina de carga, la cual registra automáticamente la carga y el esfuerzo de ruptura de la probeta. A esta máquina se le ajusta la sensibilidad utilizada en cada ensayo. La máquina debe ser equipada con dos mordazas de acero que tengan una dureza Rockwell no menor a 58 HRC. La probeta debe tener una relación espesor diámetro (t/D) entre 0,2 y 0,75. El diámetro de la muestra será al menos de 10 veces mayor que el mayor constituyente de grano mineral. Un diámetro de 54 mm generalmente satisface este criterio. Definiciones y expresiones a utilizar. a. Tracción indirecta :
σt = π 2∗ D∗ P∗ L ec.1 En donde:
σt: Resistencia a la tracción indirecta (MPa). P: Carga de ruptura en (kN). D: Diámetro de disco (mm). L: Espesor de disco (mm). b. Tracción indirecta corregida:
,∙log ec.2 σt = σt ∙ 10 c. Tipos de ruptura: Tipo T
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Tipo S
Tipo TS
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La norma ASTM D7012 se refiere a los ensayos de compresión uniaxial y triaxial. Para ensayos uniaxial se determina el UCS en forma directa. El procedimiento estipulado en la norma ASTM D7012 para el ensayo de compresión uniaxial es el siguiente:
Medir testigo según norma D4543. Se lleva a Automax y se programa dicho instrumento, para conseguir fracturarlo. Se registran los valores de carga de ruptura y UCS obtenido. Con carga de ruptura se comprueba mediante formula si concuerda con UCS obtenido y para lograr una comparación ideal, se normaliza a 50 mm.
Definiciones y expresiones a utilizar: d. Ensayo uniaxial:
UCS = PA MPaσ ec.3 En donde: P: Carga de ruptura (kN). A: Área de testigo (
mm), se asume un cilindro perfecto.
e. UCS normalizado:
, D UCS = UCS ∙ (50) ec.4
Para el ensayo triaxial se determina los esfuerzos principal y secundario, además los módulos elásticos y estáticos actuantes en el testigo. El procedimiento estipulado en la norma ASTM D7012 para el ensayo triaxial es el siguiente:
Dimensionar testigo según norma D4543. Se envuelve en camisa de látex. En un borde se utiliza un casquete y en el otro un casquete más casco, para que un extremo sea plano. Cortar bordes de camisa de látex sobrante Sellar con cinta adhesiva todo el testigo, comenzando por los extremos. Llevar a cámara triaxial, la parte plana debe quedar en superficie, se asegura que quede centrado y ajustado. Aplicar aceite ATF hasta la marca que está dentro de la cámara, está cerca del
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tamaño del testigo. Colocar la tapa de la cámara triaxial, sin forzar (no sellar de inmediato). Abrir la válvula para botar aceite a medida que se está cerrando la cámara, para evitar que se junte aire. Una vez cerrada la cámara, desatornillar cámara triaxial. Preparar puente (plataforma de metal incluida en mesa de cámara triaxial, sirve como medio de traspaso desde la mesa a la máquina de compresión Automax) Trasladar cámara triaxial a través de puente a máquina compresora. Preparar máquina de compresión Automax para ensayo uniaxial (programar) Preparar máquina de aceite Sercomp 7 (programar) Volver a abrir la válvula pero con Automax, abrir válvula de cámara y comprimir, esta compresión no debe superar los 5kN. Al terminar de abrir la válvula y que bote el aceite, quedara un espacio entre la cámara y uno de los brazos compresores de la máquina, empatar con una pieza de metal. Encender bomba de aceite en Sercomp 7 (F3) y atornillar manguera en parte trasera de cámara. Traspasar aceite a la cámara (F4). Ver pantalla Sercomp 7, cuando aparezca “Inicio de ensayo en curso”, dar F5 (inicio de ensayo). Ir instantáneamente a Automax e iniciar ensayo en dicha cámara. Cuando el testigo reviente, detener traspaso de aceite (F4), desconectar manguera de cámara y apagar bomba de aceite (F3). Sacar cámara a través de puente, volver a fijar cámara a mesa y abrirla para sacar testigo. Al sacar testigo, retirar cinta adhesiva y camisa de látex, analizar, analizar ruptura (matriz, estructura o mixta) y mediante datos obtenidos, determinar esfuerzo triaxial. Formulas: Ensayo Triaxial, diferencial de estrés de falla:
σ = σ − σ
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5. DESARROLLO EXPERIMENTAL. 5.1 Desarrollo experimental. El procedimiento realizado en clases según las normas ASTM D3967 y D7012, es el siguiente: a) Tracción indirecta.
Se efectúa el dimensionamiento de los testigo con un pie de metro, apoyándose el testigo en un bloque en V, se toman 3 medidas representativas del largo promediándose estas. Este valor es multiplicado por un facto de 0,5, Según relación L/D se marca el largo de la probeta y se envuelve el testigo con aluza, reforzando las zonas de corte. Finalizado el proceso de corte se procede a analizar la orientación de los clastos y tratar una línea perpendicular a estos en las caras basales. La probeta es ingresada a la máquina de compresión automax, utilizando mordazas para sostener la misma. Se espera a que la probeta fracture para analizar el tipo de fractura y registrar la carga y esfuerzos de rupturas obtenidos en maquina.
b) Compresión uniaxial.
Se realizar el dimensionamiento de las probetas según norma D4543. Se introducen las probetas en la máquina de compresión Automax, ingresando los parámetros requeridos se espera hasta que la probeta fracture. Se realiza el registro de los valores de carga de ruptura y UCS obtenidos de la maquina Automax.
5.2 Equipos de protección persona (EPP). Overol Zapatos de seguridad.
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6. ANALISIS DE RESULTADOS. 6.1 Valores obtenidos en laboratorio: Los valores obtenidos en el ensayo de tracción indirecta: Largo Muestra Diametro muestra 129,51 mm
55,66 mm
130,02 mm
55,74 mm
129,96 mm
55,73 mm
129,8 mm
55,7 mm
Diam corr (x0,5)
27,9 mm
Tabla 1. valores obtenidos en laboratorio ensayo tracción indirecta.
Indirecto
muestra 1 muestra 2 muestra 3 muestra 4
Espesor 1 (mm)
24,36
27,73
28,27
26,29
Espesor 2 (mm)
24,33
27,15
28,09
26,16
Espesor 3 (mm)
24,1
28,15
27,86
25,72
Promedio
24,3
27,7
28,1
26,1
Automax kN
18,8
14,7
14,8
15,1
Automax MPa
8,86
6
6,03
6,63
Tabla 2. valores obtenidos en laboratorio ensayo tracción indirecta.
Los valores obtenido en el ensayo uniaxial fueron los siguiente: UCS Directo
Diámetro Largo
Medida 1 (mm)
54,55
124,6
Medida 2 (mm)
55,61
125,17
Medida 3 (mm)
55,75
124,92
Promedio (mm)
55,30
124,90
Automax (kN)
257,8
Automax (Mpa)
107,3
Tabla 3. valores obtenidos en laboratorio ensayo uniaxial.
6.2 Determinación de la tracción indirecta: Empleando la ecuación 1 se tiene lo siguiente.
σt = π 2∗ D∗ P∗ L ec.1 Laboratorio 4
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Muestra 1.
∗ 18800 = 17,65 Mpa σt = π ∗227, 9 ∗ 24,3 Muestra 2.
∗ 14700 = 12,10 Mpa σt = π ∗227, 9 ∗ 27,7 Muestra 3.
∗ 14800 = 12,01 Mpa σt = π ∗227, 9 ∗ 28,1 Muestra 4.
∗ 15100 = 13,20 Mpa σt = π ∗227, 9 ∗ 26,1 6.3 Determinación de la Tracción indirecta corregida: Para determinar la Tracción indirecta corregida se empleara la ec.2
,∙log ec.2 σt = σt ∙ 10 Muestra 1.
= 13,81 Mpa σt = 17,65 ∙ 10,∙log, Muestra 2.
, ,∙log = 9,49 Mpa σt = 12,10 ∙ 10 Muestra 3.
= 9,42 Mpa σt = 12,01 ∙ 10,∙log, Muestra 4.
= 10,36 MPa σt = 13,2 0∙ 10,∙log,
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6.4 Determinación UCS carga uniaxial: Para determinar el UCS se empleara la ec.3
UCS = PA MPaσ UCS = 257800 = 107,33 Mpa 55,3 π∗ 2 6.5 Determinación UCS normalizado: Para determinar el UCS normalizado se empleara la ec.4
, D UCS = UCS ∙ (50) ec.4 , 55,3 UCS = 107,3 3∙ ( 50 ) = 109,51 Mpa 6.6 Presentación de resultados: Los principales resultados calculados se presentan a continuación: Ensayo de Tracción indirecta:
σ σ σ σ
Muestra 1 t Muestra 2 t Muestra 3 t Muestra 4 t Muestra 1 corregido Muestra 2 corregido Muestra 3 corregido Muestra 4 corregido
σt σt σt σt
17,65 Mpa 12,10 Mpa 12,01 Mpa 13,20 Mpa 13,81 Mpa 9,49 Mpa 9,42 Mpa 10,36 MPa
Ensayo Uniaxial
UCS 107,33 Mpa UCS 109,51 Mpa
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Tipos de ruptura ensayo tracción indirecta:
A partir de las imágenes adjuntas se visualiza que las 4 muestras presentaron falla del tipo T es decir matriz. Esta fractura se produce en la zona donde ahí debilidad. Al ser fracturas del tipo Matriz se pueden considerar los valores de resistencia a la compresión obtenidos en el ensayo de tracción indirecta validos para determinar por ejemplo la envolvente de HyB para roca intacta. Comparativamente los valores de esfuerzo de ruptura registrados en la maquina automax y el valor determinado teóricamente presentan una notoria diferencial porcentual en el ensayo de tracción indirecta, teóricamente la resistencia a la tracción de una roca corresponde entre el 10 y 14% de la resistencia a la compresión de estas. En cambio en el ensayo de carga uniaxial el valor de esfuerzo de ruptura es similar al registrado en la maquina automax.
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7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. La norma ASTM D3967 y D7012 nos dan referencia sobre la metodología para obtener la resistencia a la compresión mediante el ensayo de tracción indirecta y el ensayo uniaxial por consiguiente según el análisis de resultados se concluye que se cumple con el objetivo principal de la experiencia la cual comprendía determinar la resistencia de compresión y el reconocimiento del tipo de falla presentes en la probetas la cuales según sea del tipo el tipo de esta, es decir T(matriz), S (estructural) o TS (matriz-estructural). Dependiendo el tipo de falla podremos efectuar filtros respecto a los representativos y los no representativos considerando solamente los ensayos por falla tipo matriz con los cuales podríamos determinar por ejemplo envolvente de HyB para roca intacta Mediante el procedimiento desarrollado en laboratorio en base las normas descritas anteriormente, se logro comprender el correcto funcionamiento e instalación de los equipos necesarios para llevar a cabo los ensayos de tracción indirecta y uniaxial. Se concluye que el ensayo uniaxial nos da un valor más certero respecto a la resistencia de compresión, frente al ensayo de tracción indirecta el cual teóricamente se indica que la resistencia a la tracción de una roca corresponde entre el 10 y 14% de la resistencia a la compresión. Se debe tener especial atención en que se cumpla la norma ASTM D4543 en el ensayo uniaxial ya que si no existe paralelismo entre las caras la carga aplicada generara un esfuerzo de corte en las probeta. Dentro de las recomendaciones las recomendaciones que hay que tener en cuenta, es que las mordazas deben abarcar todo el espesor de la muestra, para que una vez la carga sea aplicada se uniforme en toda la probeta.
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8. BIBLIOGRAFIA.
Universidad de Santiago de Chile, 2015. Maquinaria, Laboratorio Mecánica de Rocas, visto el 27/07/2016 en: Recuperado de http://cgem.usach.cl/contenido/maquinaria
ASTM Internacional D3967, Método de prueba estándar para la resistencia a la tracción indirecta de muestras de roca intacta. ASTM International D7012, Método de prueba estándar para Resistencia a la compresión y módulos de elasticidad de avería de muestras de roca de núcleo bajo diferentes estados de estrés y Temperaturas.
9. ANEXO. 9.1 Maquinas y herramientas. Pie de metro digital
Block en v
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Prensa de compresion Automax 5
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