UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE

LABORATORIO N° 3

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 está 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 De2 = D2

en el ensayo axial, de bloques o pedazos irregulares De2 = 4A

π

donde A = WD y entonces De2 = 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 fórmula 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