Universidad Nacional Autónoma de Chota “UN SUEÑO HECHO REALIDAD”
CHOTA – PERÚ PERÚ ESTUDIOS DE PREGRADO
MECÁNICA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES TEMA: “DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES FISICAS DE UNA ROCA”
PRESENTADO POR: ICE
Resumen
3 GUEVARA VASQUEZ, Elmer ZAVALETA VASQUEZ, Elmer
DOCENTE: Ing. Dante Hartman Cieza León CHOTA, 2017
Contenido RESUMEN ........................................................................................................................... 3 INTRODUCCIÓN ...............................................................................................................4 I. OBJETIVOS ................................................................................................................. 5 2.1 OBJETIVO PRINCIPAL .........................................................................................5 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................5 II. MARCO TEÓRICO ................................................................................................. 5 Densidad y peso específico .............................................................................................. 5 Densidad o densidad real ................................................................................................ 5 Densidad aparente ...........................................................................................................6 Compacidad ..................................................................................................................... 6 Porosidad .......................................................................................................................... 7 Contenido de humedad ...................................................................................................8 Adsorción y absorción de agua .......................................................................................8 Adsorción .......................................................................................................................... 9 III. MATERIALES UTILIZADOS Y PROCEDIMIENTO ..........................................10 Materiales ....................................................................................................................... 10 PROCEDIMIENTO ......................................................................................................10 3.3.1. DATOS. ................................................................................................................ 11 IV. CONCLUSIONES:...................................................................................................12 V. RECOMENDACIONES .............................................................................................. 12 VI. ANEXOS: ................................................................................................................. 13
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RESUMEN El objetivo del presente trabajo es reconocer de las propiedades físicas de una muestra de dos rocas estudiadas en el curso Mecánica de Materiales, usando para ello diversos instrumentos del laboratorio, ya que, estas propiedades son las que dictan sus campos de aplicación en el ámbito de la construcción civil. Para lograr lo planteado, se ha llevado a cabo las siguientes acciones: en primer lugar, se elaboró un marco teórico de las principales definiciones, conceptos y propiedades a utilizar durante el desarrollo de la práctica, en segundo lugar, se ha realizado el cálculo de algunas propiedades generales de las rocas (pesos y volúmenes) y con esos datos se realizaron los cálculos matemáticos de las propiedades buscadas.
Palabras clave: Propiedades de las rocas, densidad, compacidad, porosidad, absorción.
ABSTRACT The objective of the present work is to recognize the physical properties of a sample of two rocks studied in the subject of Mechanics of Materials, using various tools of the laboratory, since, these properties are those that dictate their fields of application in the field of civil construction. In order to achieve this, the following actions have been carried out: firstly, a theoretical framework of the main definitions, concepts and properties in order to be used during the development of the practice; secondly, the calculation of some general properties of the rocks (weights and volumes) and with these data the mathematical calculations of the searched properties were made.
Key words: Rock properties, density, compactness, porosity, absorption.
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INTRODUCCIÓN 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 elección de un material para un propósito concreto depende en gran medida de conocimiento de sus propiedades físicas, químicas y mecánicas; aunque en el campo de la construcción/ornamentación/restauración también pueden incluirse las propiedades relacionadas con su trabajabilidad. 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. Finalmente, el presente trabajo consta de los siguientes apartados: en principio se presenta los objetivos, tanto general, como específicos; en segundo lugar, presentamos el marco teórico con las definiciones y propiedades, luego realizamos los cálculos a partir de la experiencia realizada en el laboratorio y, finalmente, presentamos las conclusiones y sugerencias.
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I.
OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO PRINCIPAL
Conocer las propiedades físicas de las rocas estudiadas, para tener conocimiento del tipo de roca con la que se está tratando.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Reconocer las propiedades físicas de una determinada roca, asimismo proceder con el cálculo de cada una de ellas.
Saber que método emplear para identificar con mucha facilidad las propiedades de los materiales que se desee conocer.
Identificar si una roca es apta para un determinado sistema constructivo en edificaciones o no.
II.
MARCO TEÓRICO
En este apartado presentamos de manera resumida los conceptos, definiciones y propiedades que serán utilizadas durante la durante la ejecución de la práctica de laboratorio.
Densidad y peso específico
De acuerdo con la norma (ASTM #12-70), 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. 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).
Densidad o densidad real
Según la norma (ASTM #12-70), 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)
Dónde: es la densidad (kg/m3) es la masa (kg) de la sustancia y
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MECÁNICA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES - UNACH Es el volumen (m3) de la parte impermeable de la sustancia.
Densidad aparente
Siguiendo con la norma (ASTM #12-70), la densidad aparente es la masa por unidad de volumen de un material en su estado natural, incluyendo poros y todo tipo de espacios abiertos
Dónde: ro es la densidad global del material (kg/m3) M1 es la masa global (kg) del material y V1 es el volumen global (m3) del material.
Compacidad Según Bañon (2010) citado en cruz (2015). Compacidad Termino característico de los suelos granulares, se puede definir como el grado de compactación de los suelos no cohesivos. Según lo expresa Luis Bañon Blázquez, la compacidad es una propiedad importante en carreteras, terraplenes y todo tipo de relleno en general, al estar directamente relacionada con la resistencia, deformabilidad y estabilidad de un firme, ya que debe estar lo suficientemente consolidado para evitar los asentamientos. Para poder determinar esta característica de hace una comparación la densidad del suelo con respecto a sus estados más densos y más sueltos, para ello de hace las relaciones de vacío mediante la siguiente formula: La compacidad se expresa en porcentaje. Cuando los suelos tienen cantidades apreciables de arcilla o limo, la compacidad pierde su significancia. Los valores comunes para gravas y arenas son: Muy flojo, si su compacidad relativa varía entre 0 a 15%. Flojo, si su compacidad relativa varía entre 16% a 35%. Medio, si varia de 36% a 65%. Denso, Si varia de 66% a 85%. Muy denso, si esta entre 86% a 100%. =
=
Donde: va= (volumen aparente) Va =(volumen real) =(densidad aparente) =(densidad real)
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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. Los poros pueden estar abiertos (intercomunicados) o cerrados, y ser grandes o pequeños. El tamaño del 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: Ø
Megaporos:_____________ 256-0.062 mm
Ø
Macrocapilares:_________ 0.062-0.0001 mm
Ø
Microcapilares:_________ <0.0001 mm
Existen distintos conceptos de porosidad. La porosidad teórica viene dada por la ecuación:
Dónde: P es la porosidad total (%) V p (m3) es el volumen de poros Vsólidos (m3) es el volumen agregado de las partículas sólidas y Vo (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:
Dónde: P es la porosidad total (%) r o es la densidad global del material (kg/m 3) y r es la densidad real de la sustancia (kg/m 3), 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
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MECÁNICA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES - UNACH mercurio hasta una presión forzada de 1000 atmósferas, aunque se puede llegar hasta varios miles de atmósferas:
Dónde: Pt es la porosidad total efectiva (%) V p (m3) es el volumen de mercurio intuido y Vo (m3) es el volumen de la muestra seca. La porosidad se clasifica en dos tipos:
Poros accesibles: se obtiene pesando la muestra tras ser sumergida de manera súbita, a esto le restamos el peso de la muestra secada en la estufa, y a todo esto le dividimos entre la densidad del agua. =
−
Poros inaccesibles: se calcula mediante la diferencia de volumen de poros total y volumen de poros accesibles, matemáticamente así: =
Contenido de humedad
Para determinar esta propiedad es necesario obtener el peso de la muestra al aire libre en estado natural, además de su peso seco en la estufa de la muestra, que ya lo tenemos. Matemáticamente lo podemos representar así: =
−
x 100
Adsorción y absorción 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:
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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 (sustancias hidrófilas) mientras que las superficies de otros compuestos por átomos con enlaces covalentes la repelen (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, 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. Algunas fórmulas para calcular la porosidad: = +
Volumen de poros total = volumen de poros accesibles + volumen de poros inaccesibles
=
( −)
Volumen de poros total = (masa saturada – peso de la muestra seca) / (densidad del agua).
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MECÁNICA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES - UNACH PA =
Porosidad abierta = [(volumen de poros total) / (volumen aparente)] x 100 Se clasifican en dos tipos: Poros accesibles: se obtiene pesando la muestra tras ser sumergida de manera súbita, a esto le restamos el peso de la muestra secada en la estufa, y a todo esto le dividimos entre la densidad del agua. =
−
Poros inaccesibles: se calcula mediante la diferencia de volumen de poros total y volumen de poros accesibles, matemáticamente así: =
III.
MATERIALES UTILIZADOS Y PROCEDIMIENTO
Materiales
Estufa.
Balanza.
Dispositivo de medición longitudinal.
Fiola.
Tamiz (0.063 mm de abertura).
Paralelepípedos de roca de cerro.
PROCEDIMIENTO
En la figura 01 se presenta las muestras seleccionadas y rotuladas para la práctica.
Figura 01: muestra seleccionada Fuente: foto (grupo de trabajo)
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1.1 Determinación de las propiedades físicas de las probetas mediante remplazo en las fórmulas
3.3.1. DATOS. TABLA N°1 MASA
PESADA
MASA
ROCA 01
SECA (g) 421.1
HIDROSTÁTICA (g) 235.8
SATURADA (g) 435.1
ROCA 02
242.1
133.2
291.7
ROCA 03
229.9
126.9
277.1
ROCA
Remplazando en las fórmulas para calcular el volumen aparente y real, tenemos:
Va =
( − )
Vr = volumen de agua desplazado en el volumenómetro Le Chatelier TABLA N°2 VOLUMEN
VOLUMEN
APARENTE ( )
REAL( )
ROCA 01
199.3
43.1
ROCA 02
158.5
48.1
ROCA 03
150.2
50.5
ROCA
TABLA N°3 PROPIEDADE
ROCA 01
Da (g/cm3 ) Pa (cm3 ) PA (%)
2.183
ROCA 02 1.840
14.00
A (%) 3.32
Dr (g/cm
3
)
1.845 49.50
7.02
2.32
47.20
31.23
31.42
20.49
20.53
2.07
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ROCA 03
1.98
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IV.
CONCLUSIONES:
La roca N° 02 tiene mayor cantidad de poros abiertos o también conocidos como poros accesibles, tiene mayor porcentaje de absorción con respecto de las dos muestras más.
El volumen aparente calculado tradicionalmente no es volumen real del objeto en estudio se tendría que desarrollar este proceso realizando esta práctica de laboratorio para poder encontrar su volumen real del objeto.
Tratar que las muestras arrojen un índice bajo de porosidad lo esencial para este trabajo de laboratorio seria que se realice con diferentes tipos de rocas como por la fangolita (roca de mar).
RECOMENDACIONES
Las prácticas de laboratorio así como esta se debe realizar paso a pasos teniendo el mayor cuidado en los datos que se obtiene para así de esta manera obtener un buen resultado en el objetivo propuesto.
Cuando estamos colocando la muestra triturada en la fiola o en otro recipiente se debe hacer con mayor precisión para no derramar la muestra tratando que todo el material caiga dentro.
Cuando se trata de mezclar las muestras en los recipientes debemos agitar suavemente, a fin de mantener su integridad y no dañar los materiales.
Debemos limpia la boquilla para evitar que cuando se coloca el material triturado se peque a ella, obstruyendo la entrada de más material triturado.
VI.
BIBLIOGRAFÍA
UNE-EN 1936 (2007). Métodos de ensayo para piedra natural. Determinación de la densidad real y aparente y de la porosidad abierta y total.(diapositivas) Universidad de Alicante (2007) - Canarias. Densidad y porosidad de una roca. Libro virtual. file:///C:/Users/portatil/Downloads/TEMA25densidad%20real%20y%20aparente%20porosidad%20abierta%20y%20total-final.pdf
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VII.
ANEXOS:
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