Resumen Ejecutivo

El siguiente informe corresponde al análisis y discusión de las experiencias prácticas de laboratorio: “Determinación de la dureza de la roca por método de martillo de rebote” y “Picnometría de Parafina”, que se llevó acabo el día viernes 17 de abril del 2015, en las dependencias del laboratorio de mecánica de rocas correspondientes al departamento de ingeniería en minas. La experiencia está regida por las normas ASTM D5837 y ASTM D854.

El presente informe consta primeramente de una base teórica, en la cual se detallan los conceptos relevantes, información del equipo utilizado en el laboratorio y formulas a utilizar para realizar el análisis de los registros obtenidos. El marco teórico presentado le permitirá comprender y contextualizar los registros analizados en el informe, seguidamente, se presenta la metodología abordada en la práctica para llevar acabo el procedimiento experimental. Los registros realizados son presentados mediante tablas para de esta manera facilitar al lector la comprensión de estos. Posteriormente al estudio y análisis del trabajo realizado, se encuentra la discusión y conclusión de la experiencia.

El objetivo del presente informe corresponde a la determinación de la dureza de una roca y la resistencia a la compresión uniaxial por medio del método de martillo de rebote.

El método para determinar la resistencia de una roca a la compresión uniaxial (UCS), estudiada en este informe, corresponde al ensayo de martillo de Schmidt, que puede ser realizado en laboratorio o campo, para proporcionar un medio de evaluación rápida de la dureza de la roca, además corresponde a un método de ensayo no destructivo, por tanto presenta poco o nulo riesgo.

La metodología empleada para realizar el estudio se divide en dos secciones. Primeramente se debe ensayar la colpa elegida para el estudio mediante el martillo de Schimdt en 18 puntos distintos equidistantes entre sí, para luego aplicar un análisis estadístico y trabajar con los datos centrales, de esta manera se obtiene un promedio para la medición que arroja la colpa. El martillo de rebote deberá ser calibrado con roca de cuarcita en la cual se deberá aplicar el mismo procedimiento, para de esta manera obtener el factor de corrección para los posteriores cálculos y determinación de la dureza de la colpa. Luego, se debe obtener el dato de densidad de

la colpa, el cual se determina por picnometría, dando un valor de xxxxx (grs

cm3). De esta forma, se

puede obtener el UCS aproximado de la colpa, el cual fue de…. MPa, lo que implica que la colpa ensayada corresponde a una roca de tipo xxxx.

Por otro lado, se debe realizar picnometría de parafina, para ello…

Considerando los resultados arrojados…

Introducción

La Mecánica de Rocas corresponde a la ciencia teórica y práctica que estudia el comportamiento y las propiedades mecánicas de la roca, cuando estas son sometidas a esfuerzos de diferentes orígenes, con la finalidad de diseñar y construir con criterios fundados las diversas obras de ingeniería.

Para estudiar y comprender el comportamiento de un material rocoso determinado, se deben tomar muestras del tipo de roca a analizar, de esta manera es posible conocer sus características geo mecánicas y propiedades.

Las clasificaciones geomecánicas tienen por objeto caracterizar un determinado macizo rocoso en función de una serie de parámetros a los que se les asigna un cierto valor. Por medio de la clasificación se llega a calcular un índice característico de la roca, que permite describir numéricamente la calidad de la misma. Es una herramienta muy útil en el diseño y construcción de obras subterráneas, pero debe ser usada con cuidado para su correcta aplicación, pues exige conocimientos y experiencia por parte de quien la utiliza. Las clasificaciones pueden ser usadas en la etapa de Proyecto y también durante la Obra.

Ahora bien, el comportamiento mecánico de las rocas está definido por su resistencia y deformabilidad. La resistencia de una roca corresponde al esfuerzo que soporta la roca para determinadas deformaciones. Cuando la resistencia se mide en probetas de roca sin confinar se denomina resistencia a compresión simple o compresión uniaxial (UCS), este valor nos permitirá clasificar la roca en rocas de tipo muy blanda, blanda, moderadamente blanda, dura, muy dura o extremadamente dura.

En esta experiencia se estudia el método de martillo de rebote, donde se utilizara un Martillo Schmidt, con este instrumento se puede aproximar la resistencia a la compresión simple. El ensayo realizado con el martillo Schmidt corresponde a un ensayo de tipo no destructivo.

Objetivo s

Objetivo General:

Comprender el proceso de utilización del ensayo de martillo de Schmidt para la determinación de la dureza de la roca.

Realizar proceso de picnometría en parafina.

Objetivos Específicos:

Realizar ensayo de martillo de Schmidt.

Obtener la resistencia a la compresión uniaxial (UCS).

Realizar método de Picnometría para obtener densidad de la colpa.

Realizar picnometría en parafina.

Alcances

El Informe presentado es de carácter teórico.

Durante la experiencia se debe procurar fijar el martillo lo más perpendicular posible a una cara de la colpa al momento de realizar la toma de datos del rebote

La colpa debe quedar fija sobre la superficie donde se realiza el ensayo en forma estable, para evitar que se mueva y de esta manera obtener datos erróneos.

Marco Teórico

Primeramente se señalaran y describirán los distintos equipos utilizados en la práctica realizada. Seguidamente, en esta sección se entregan los conceptos relevantes que permiten determinar y contextualizar la experiencia para determinar la densidad y dureza de la roca ensayada.

Para la práctica de laboratorio, se requiere de los siguientes implementos:

Elementos Personales:

Zapatos de Seguridad. Overol. Guantes de Seguridad.

Equipos de laboratorio:

Balanza. Horno de secado. Pie de metro. Martillo de Schmidt. Picnómetro de 50 ml.

Ahora bien, es necesario describir la maquinaria utilizada en el laboratorio:

Balanza: Corresponde a un instrumento que sirve para medir la masa de los objetos. Para realizar las mediciones se utilizan patrones de masa cuyo grado de exactitud depende de la precisión del instrumento.

Horno de Secado: Utilizado para secar las muestras de ensayo, debe cumplir los requisitos de la Especificación E145 y debe ser capaz de mantener una temperatura uniforme de 110 ± 5 ° C a lo largo de la cámara de secado.

Martillo Schmidt : es un instrumento utilizado para estimar de forma sencilla la resistencia a la compresión simple a través de una prueba de correlación entre los datos proporcionados por el martillo (rebote) y la densidad que presenta la roca analizada. Consiste esencialmente de un émbolo, un resorte de una determinada rigidez y un pistón.

Picnómetro : Corresponde a un instrumento de medición cuyo volumen es conocido y permite conocer la densidad o peso específico de cualquier fluido ya sea líquido o sólido mediante gravimetría.

Una vez descrita la maquinaria a utilizar en el laboratorio, es necesario señalar conceptos que permitirán la realización y contextualización de la experiencia realizada:

Resistencia a la compresión simple: Corresponde al máximo esfuerzo que soporta la roca, cuando se ve sometida a compresión uniaxial.

Número de rebote: Corresponde a una cantidad adimensional en base a la cual es determinada la dureza de un material. Este número está basado en la absorción de parte de la energía elástica almacenada en el resorte debido a la deformación plástica de la superficie de roca y las ondas mecánicas que se propagan a través de ella, mientras la energía elástica restante causa el rebote real del martillo.

Colpa: Trozo de roca irregular del cual se obtienen testigos mediante perforación.

Dureza: La dureza de una roca es la resistencia que opone a ser rayada. La medida cuantitativa de la dureza depende del tipo de ensayo; para rocas y minerales los más usados son: ensayos de indentación, ensayos dinámicos o de rebote y ensayos de raya. La dureza de la roca por medio del método martillo de rebote se obtiene de la siguiente manera:

H=FC∗X

Dónde:

FC= factor de corrección del martillo de Schmidt.

X= Promedio de rebotes, una vez eliminados los datos que se alejan en ±7 unidades del promedio.

Procedimiento Experimental

La experiencia consta de dos partes, las cuales se detallaran a continuación:

1) La primera parte de la práctica de laboratorio considera los siguientes pasos:

Se debe calibrar el martillo de Schmidt, para ello se deben tomar como mínimo 10 medidas sobre una cuarcita que tiene una densidad conocida (en la práctica se registraron 18 valores para la calibración), procurando que la punta del martillo este perpendicular a la superficie de la cuarcita.

Calcular el factor de corrección de la cuarcita, este se obtiene como se especifica en la norma ASTM D5837 para poder corregir los datos obtenidos en la colpa bajo estudio.

Se deben tomar 10 medidas como mínimo sobre la colpa seleccionada (en la práctica se registraron 18 valores) para realizar un análisis estadístico y obtener el promedio de las mediciones.

Eliminar los datos que difieran en ±7 unidades del promedio del registro obtenido sobre la muestra de ensayo.

Una vez eliminados los datos se debe obtener el promedio nuevamente con los datos restantes y multiplicar por el factor de corrección, obteniéndose la dureza de la colpa.

Realizar picnometría a una muestra de la colpa para obtener su densidad y luego hacer el

respectivo cambio de unidad de gr

cm3 a kN

m3. Cabe mencionar que para llevar acabo el

método de picnometría, el picnómetro utilizado debe estar seco, de no ser así secar en el horno.

Con el registro de la densidad y dureza de la colpa determinados, utilizar la “Tabla de Miller” y obtener la resistencia a la compresión uniaxial de la colpa para obtener su clasificación de dureza.

2) Segunda parte, picnometría en parafina:

Resultados

En base a la experiencia realizada y en conformidad a lo establecido en las normas ASTM D5837 y ASTM D854. Se presenta el registro de datos obtenidos en laboratorio.

Calibración martillo Schmidt:

Dureza de la Cuarcita (Medida estándar) = 39

La siguiente tabla presenta el registro de los rebotes obtenidos en la cuarcita.

Tabla 1: Registro de Rebotes sobre Cuarcita.

N° de Medición N° de Rebote1 72,52 63,03 68,04 66,05 42,56 71,07 60,58 70,59 69,5

10 70,511 52,512 66,013 66,514 75,515 74,016 67,017 66,018 77,0

Con los datos presentados, y siguiendo las estipulaciones establecidas en la norma ASTM D5837, se determina el factor de corrección. El promedio de los rebotes obtenidos sobre la cuarcita del registro de mediciones presentado corresponde a x= 66,58. Luego se eliminan todos los datos que se encuentren a ±7 unidades del promedio. Con este nuevo registro, que es posible encontrarlo en la sección anexos del informe, se obtiene un nuevo promedio para la cuarcita que es igual a x = 67,46.

El factor de corrección obtenido es:

FC=0,578 Ecuación n°1

Determinación de la dureza de la muestra “Toba 1”:

El registro de mediciones obtenido para la muestra de colpa en ensayo es el siguiente:

Tabla 2: Registro de Rebotes sobre colpa 1.

N° de Medición

N° de Rebote

1 752 76,53 784 765 656 81,57 758 789 73,5

10 78,511 79,512 7913 60,514 7515 7816 75,517 7918 78

Con el registro presentado se procede a determinar si es necesario descartar algún dato, en base a la norma ASTM D5837, el nuevo registro obtenido se puede encontrar en la sección Anexos del informe. El valor promedio obtenido para la muestra de ensayo siguiendo las especificaciones estipuladas en la norma ASTM D5837 corresponde a x= 77,25.

Con este valor y el factor de corrección de determina la dureza promedio de la roca, que corresponde a 44,7

Método de obtención de densidad de muestra por picnometría:

Para la densidad de la Toba:

- Peso Picnómetro seco (A) = 40,15 gr

- Peso Picnómetro + muestra (M) = 45,09 gr

- Peso Picnómetro + muestra + agua (S) = 92,96 gr

- Peso Picnómetro + agua (P) = 89,93 gr

Con estos datos se obtiene que la densidad de la colpa es:

ρ= 45,09−40,1589,93+45,09−(40,15+92,96)

=2,578 grcm3

Ecuación n°2

Posteriormente se debe realizar un cambio de unidades de la densidad de la roca medida

en gr

cm3 a unidad de peso de la roca medida en

kN

m3 se obtiene que:

ρ=25,26 kNm3

Ecuación n°3

Para la densidad de la parafina:

- Peso Picnómetro seco (A) = 40,15 gr

- Peso Picnómetro + muestra parafina (M) = 42,65 gr

- Peso Picnómetro + muestra + alcohol (S) = 80,98 gr

- Peso Picnómetro + alcohol (P) = 80,63 gr

- Peso Picnómetro + agua (C) = 89,93 gr

Se determina la densidad de la parafina:

ρ= 42,65−40,1580,63+42,65−(40,15+80,98)

×80,63−40,1589,93−80,63

=0,946 grcm3

Ecuación n°4

Análisis

En base a los resultados obtenidos se tiene que:

Mediante la calibración del martillo Schmidt con cuarcita, se determinó el factor de corrección del martillo Schmidt siendo este de 0,578.

El promedio de rebote de la roca “Toba 1”, obtenido in situ es de 75,6, mientras que aplicando el filtro explicitado en la norma D5837 el promedio de dureza es de 77,3. Por último el promedio de dureza utilizado el factor de corrección es de 44,7.

La densidad de la muestra “Toba 1”, utilizando picnómetro corresponde a 2,578gr

cm3

Con la dureza obtenida mediante martillo Schmidt en conjunto con la norma ASTM D5837, más la densidad obtenida mediante picnómetria se puede obtener la resistencia a la compresión uniaxial, esto mediante el gráfico de Deer-Miller en que se establece la relación funcional entre estas tres variables. Por consecuente se deduce del gráfico que la muestra de roca “Toba 1” posee una resistencia a la compresión uniaxial de aproximadamente 100 MPa.

La densidad de la parafina obtenida mediante picnometría con alcohol fue de 0,946gr

cm3 .

Conclusiones

Con respecto a los resultados obtenidos se puede inferir que:

El proceso de calibración del martillo es un proceso importante para determinar la dureza de una roca, esto observando el factor de corrección obtenido en la experiencia.

El factor de corrección altera notablemente la dureza de la muestra, con respecto a la obtenida in situ. En este caso disminuye la dureza en aproximadamente un 42%.

La determinación de la densidad de sólidos mediante picnometría, es un método que otorga buenos resultados al momento del trabajo en laboratorio. Siendo muy útil cuando se poseen muestras de roca pulverizadas.

El promedio de rebote de una toba fluctúa entre 13 y 40*, considerando que todas las rocas aunque sean de la misma clasificación, tienen aspectos propios de sus ambientes de formación. El promedio obtenido en la experiencia se puede aceptar.

El gráfico de Deer-Miller es una forma práctica y sencilla de determinar la resistencia a la compresión uniaxial de una roca, ya que es un ensayo no destructivo, se puede realizar en terreno y necesita condiciones mínimas de la roca para ser ensayada.

En base a la resistencia a la compresión uniaxial obtenida, podemos clasificar a la muestra “Toba 1” como una roca Dura*.

La picnometría de sólidos con alcohol como base, otorga una solución para determinar densidad de materiales que flotan en el agua.

*Fuente (Antonio Lozano (GEOINSTRUMENTS, S.A.C.) , Martillo Schmidt (Esclerómetro), 2013)

Anexo

Ecuación n°1 para cálculo de factor de corrección:

FC= Dureza de la cuarcita estándarPromedio durezacuarcita experimental

Ecuación n°2 para determinar densidad de sólidos en picnometría:

ρ= M−AP+M−(A+S)

Donde:

- Peso Picnómetro seco = (A)

- Peso Picnómetro + muestra parafina = (M)

- Peso Picnómetro + muestra + alcohol = (S)

- Peso Picnómetro + alcohol = (P)

- Peso Picnómetro + agua = (C)

Ecuación n°3 cambio de unidad de gr

cm3 a

kN

m3:

2,57gr

cm3×9,8

m

s2=25,265 kN

m3

Ecuación n°4 para determinar densidad, utilizando alcohol:

ρ= M−AP+M−(A+S)

×P−AC−A

Donde:

- Peso Picnómetro seco = (A)

- Peso Picnómetro + muestra líquida = (M)

- Peso Picnómetro + muestra líquida + alcohol = (S)

- Peso Picnómetro + alcohol = (P)

- Peso Picnómetro + agua = (C)

Tabla n°3. Valores típicos de número de rebotes medidos con martillo para diferentes roca:

Tabla n°4. Clasificación de la resistencia según ISRM:

Gráfico 1. Diagrama de Deer-Miller:

BibliografíaLozano, A. (12 de Febrero de 2013). Martillo Schmidt. Recuperado el 20 de Abril de 2015, de

https://es.scribd.com/doc/125176620/El-Martillo-de-Schmidt.