PRUEBA DEL MARTILLO SCHMIDT PARA DETERMINAR LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN (EN ROCA SANA Y EN DISCONTINUIDADES)

Aspectos generales

El martillo Schmidt fue ideado inicialmente para estimar la resistencia a compresión simple del concreto, pero luego se le hicieron una serie de modificaciones generando así un modelo que resulta apropiado para estimar la resistencia a compresión simple de un macizo rocoso o una muestra de roca (RCS). Debido a la facilidad de su manejo, a sus atributos portátiles, sencillos y accesibles, este es un método muy usado para determinar, de forma rápida y aproximada, la resistencia al esfuerzo cortante en un macizo rocoso. Se utiliza el valor de dureza de rebote, que es quizá el valor más usado en mecánica de rocas para estimar la resistencia a la compresión uniaxial y el módulo de Young (E) de la roca intacta También se emplea en laboratorio y sobre las discontinuidades.

La prueba consiste en medir la resistencia al rebote de la superficie del macizo rocoso que está siendo ensayado, esta medida de rebote se correlaciona con la resistencia a compresión simple mediante la Fig 3.1.2 Miller (1965), en donde se contempla la densidad de la roca y la orientación del martillo respecto del plano ensayado.

Equipo

a) Martillo Schmidt.

El martillo Schmidt (esclerómetro), consiste en un pequeño aparato metálico de geometría cilíndrica que dispone de un muelle pistón cargado en su interior por una muelle y de punta retráctil, la cual, al ser presionada contra la roca hace que el muelle se dispare transfiriendo la energía del pistón al material (Fig 3.1.1). La medida en que se recupera esta energía depende de la dureza del material que se puede expresar como el porcentaje de longitud máxima de estiramiento del resorte antes de la liberación del pistón, y su longitud después del rebote.

b) Tipo de martillo.

Existen dos variantes de este dispositivo el martillo Schmidt para concreto (Tipo N) y el martillo Schmidt para rocas (Tipo L). La diferencia entre estos es la energía de impacto, el Tipo N tiene una energía de impacto de 2,207Nm, este martillo es menos sensible a las irregularidades de la superficie por lo que debe ser aplicado preferentemente en campo, mientras que el Tipo L tiene una energía de impacto de 0,735Nm y presenta mayor sensibilidad y da mejores resultados en rocas débiles, porosas y desgastadas, así el martillo para rocas no daña la muestra.

En la figura 3.2.1 se muestra el esquema interno del martillo Schmidt y una fotografía de su empleo.

Fig 3.1.1 Esquema y prueba del martillo Schmidt. a) Esquema interno del instrumento; b) ensayo en las paredes de bloques de un macizo rocoso expuesto (The ISRM Suggested Methods for Rock Characterization, Testing and Monitoring: 2007-

2014)

Procedimiento

a) Requerimientos de la muestra.

La muestra debe estar intacta (sin grietas visibles), petrográficamente homogénea y debe ser representativa del macizo rocoso dominante. Para realizar la prueba se necesita que el martillo esté en contacto con el macizo a ensayar, para esto se requiere que la superficie de la roca (especialmente bajo la punta del embolo) sea lisa, se encuentre completamente limpia y libre de fisuras o grietas, también se debe eliminar la capa suelta de roca meteorizada, si es que existe tal.

b) Procedimiento del ensaye.

Se presiona el martillo contra la roca hasta que salte el muelle, según la dureza o resistencia de la roca se tiene un mayor o menor rebote, este valor de rebote se ve reflejado en la escala situada al costado del aparato.

Como el valor de la dureza es afectado por la orientación del martillo, se recomienda que este se utilice en una de las siguientes tres posiciones: verticalmente hacia arriba, verticalmente hacia abajo u horizontalmente, con el eje del martillo en una posición de 5° a partir de la posición deseada. Cuando el uso de una de las tres orientaciones no sea posible, el ensayo debe realizarse en posición vertical u horizontal utilizando las curvas de corrección suministradas por el fabricante. La orientación del martillo para el

ensayo y cualquier corrección aplicada a las orientaciones no vertical o no horizontal, deben registrarse y reportarse en los resultados.

Se deben realizar, en cada punto a ensayar, diez mediciones con el martillo para determinar la resistencia de la roca ensayada, ninguna lectura tiene que ser desechada debe presentarse la media aritmética, mediana, moda y el rango de las lecturas para expresar las variaciones en la dureza de la superficie. En la Tabla 3.2.1 se muestran algunos procedimientos recomendados por distintos autores acerca de procedimiento del ensayo.

Los valores de rebote obtenidos se correlacionan mediante la Fig 3.1.2 con la resistencia a compresión simple, en función de la densidad de la roca y de la inclinación del martillo y del plano ensayado.

Es conveniente disponer de algún ensaye de laboratorio de resistencia a la compresión simple que permita calibrar las medidas y establecer correlaciones.

Es recomendable, antes de usar el martillo, hacer cinco lecturas de dureza sobre el bloque de ensayo patrón suministrado por el fabricante al nivel de dureza al cual se está utilizando el equipo. Si los valores caen dentro del rango de la dureza estandarizada del bloque de ensayo, el equipo debe considerarse satisfactorio; si no, debe verificarse utilizando los procedimientos recomendados por el fabricante.

Adicionalmente, para hacer el análisis de resultados y conocer la resistencia a la compresión de la roca es necesario conocer la densidad de la roca ensayada por tanto, se requiere hacer un ensayo que tenga dicho fin.

Fig 3.1.2 Correlación entre la resistencia del martillo Schmidt y la resistencia a la compresión simple de la roca ❑c (González de Vallejo, 2004)

c) Prueba en discontinuidades.

Esta prueba representa la única manera para estimar la resistencia a la compresión uniaxial de las discontinuidades en paredes y por tanto la forma de calcular la resistencia a la cizalla In Situ. A pesar de esto, el procedimiento para llevar a cabo estas pruebas no ha sido bien definido aún.

Las paredes con discontinuidades se caracterizan por tener comúnmente:- pequeñas asperezas recientes y expuestas en juntas,- bandas delgadas de meteorización en juntas poco profundas y expuestas en el

macizo rocoso , - recubrimiento y relleno de material de origen hidrotermal y superficial,- bloques sueltos sobre todo en zonas de cortante y superficies exfoliadas.

Estas características influyen en los valores de rebote y en los esfuerzos cortantes en diferente proporción y debido a que no son uniformes en toda la superficie se espera una gran gama de valores de rebote, por tanto representar y determinar debidamente la dispersión que exista es crucial para la interpretación del rango de la resistencia al cortante.

Tabla 3.1.1 Procedimientos recomendados del ensayo del martillo Schmidt.

Autor(es) Procedimiento del ensayo

Young R.P., Fowell R.J. Dividir el macizo rocoso en una malla reticular y promediar los impactos simples de cada retícula.

ISRM [234] Registrar 20 valores de impactos simples de rebote separados por al menos un diámetro de la aguja, y promediar los 10 valores más altos

Goktan R.M., Ayday C. Registrar 20 valores de impactos simples de rebote separados por al menos un diámetro de la aguja. Desechar valores según el criterio de Chauvenet, y promediar las lecturas restantes.

Soiltest Registrar 15 valores de impactos simples de rebote y promediar los 10 más altos. La máxima desviación respecto el promedio tiene que ser menor que 2,5.

Matthews J.A., Shakesby R.A.

Realizar 15 lecturas de cualquier muestra. Se calcula el promedio de los valores de rebote y se descartan los cinco

valores más desviados del promedio.

Kazi A., Al-Mansour Z.R.

Registrar al menos 35 lecturas de rebote, eliminar las 10 lecturas más bajas y promediar los restantes.

Katz O. et al. Realizar de 32 a 40 impactos individuales y promediar el 50% de valores más altos

Poole R.W., Farmer I.W.

Seleccionar el valor más alto de una serie de cinco valores continuos en un punto. Promediar los picos de tres grupos de ensayos realizados en tres puntos separados

Hucka V. Seleccionar el valor más alto de rebote de 10 impactos continuos. Promediar los máximos de los grupos de ensayos realizados en tres puntos separados

GBG Registrar 12 lecturas en un plano cortado a diamante. Descartar los valores extremos para obtener un número promedio de rebotes

USBR Realizar diez lecturas en cada superficie. Descartar los cinco valores más bajos, y promediar los cinco más altos

Sumner P., Nel W. Extraer 15 lecturas en diferentes puntos y descartar cinco valores discordantes para obtener un valor promedio de los restantes 10 valores

ASTM D5873 Registrar los valores de rebote en 10 lugares representativos de la muestra, separados en al menos un diámetro de la aguja. Descartar las lecturas que difieran en 7 unidades del promedio de las 10 lecturas realizadas

ASTM C805 Registrar los valores de rebote en 10 lugares representativos de la muestra, separados en al menos 25 mm. Descartar las lecturas que difieran en 6 unidades del promedio de las 10 lecturas realizadas.

a) Calculo de valores de rebote.

Como se mencionó en los aspectos generales la altura de rebote del pistón una vez que es liberado, se considera como índice de la dureza de la superficie.

Cuando el impacto se da en dirección horizontal, la energía liberada por el resorte es igual a la energía cinética con la que se libera el pistón sobre el émbolo:

0.5k x12=0.5M V 1

2 (3.1.1)

dondek constante del resortex1

❑máximo estiramiento del resorte cuando se encuentra completamente cargado

M masa del pistónV 1

❑ velocidad del pistón cuando toca el embolo y es disparado

De igual forma la energía cinética del pistón en el instante del rebote debe ser igual a la energía del resorte estirado en la posición máxima de rebote x2.

0.5MV 22=0.5k x2

2 (3.1.2)

dondeV 2

❑ velocidad inicial de rebote del pistón

Combinando ambas ecuaciones tenemos.

x2

x1

=V 2

V 1

(3.1.3)

La relación x2/ x1 expresa en forma porcentual el número de rebote Rh

b) Método de Normalización para los valores de rebote del martillo de Schmidt.

En general los valores deben ser normalizados utilizando las curvas de corrección que proporciona el fabricante. Sin embargo, tales curvas de corrección no siempre son exactas al normalizar los valores de rebote para diferentes superficies de roca y, a menudo se limitan a dos o cuatro direcciones de impacto (±45 ° y ±90 °); mientras que, en campo la dirección de aplicación puede variar.

La Normalización de los valores de rebote con referencia al impacto en dirección horizontal tiene gran aplicación en pruebas in situ por ejemplo en aquellas que presentan discontinuidades en superficies oblicuas y en las paredes de un túnel circular. Este procedimiento de normalización es válido para cualquier tipo de martillo de Schmidt disparado en cualquier dirección, siempre que la dirección

sea registrada con exactitud y demuestra ser más preciso que las curvas de normalización digitales incorporadas en el martillo.

El valor de rebote equivalente en la dirección horizontal se puede calcular con la siguiente ecuación (A. Basu, A. Aydin), en la Fig 3.1.3 se presentan las curvas teóricas de normalización.

Rh=√V 22

V 12∗100 (3.1.4)

Fig 3.1.3 Normalización de los valores de rebote obtenidos para un martillo de Schmidt tipo L y tipo N.

Se obtienen tantos datos de resultados como mediciones de resistencia con el martillo Schimidt se hayan realizado sobre la roca o sobre las discontinuidades. Se recomienda obtener mínimo diez datos por cada punto de medición, y que el martillo se encuentre perpendicular a la pared vertical durante el ensayo.

Los resultados de rebote obtenidos de cada medición son r m1, r m 2, r m3,….., r m10. Para el

análisis se promedian los cinco valores más altos y se descartan los de más datos.

Si se asume que los valores más altos son r m1, r m3, r m5,r m7, r m 9, se obtiene un valor de

rebote medio igual a:

r m=r m1+ rm3 + rm5 + rm7 + rm9

5(3.1.5)

Con ese valor de rebote obtenido r y con la inclinación del martillo, se entra a la Fig 3.1.3 en el eje de las abscisas hasta alcanzar el valor de la densidad de la roca estudiada. A partir de este punto, se traza una línea horizontal hasta cortar el eje de las

ordenadas, obteniendo de esta forma el valor de la resistencia a compresión simple de la roca.

Resultados

Registro de resultados

En el informe es necesario incluir los siguientes datos:

a) Descripción litológica de la roca y fuente del muestreo, incluyendo: localización geográfica, profundidad y orientaciones.

b) Indicar la fecha de muestreo, fecha de ensayo, condiciones de almacenamiento y procedimientos de preparación del espécimen.

c) Dimensiones de la muestra o la superficie donde se realizara la prueba, indicar la composición mineralógica aproximada y los tamaños de grano del espécimen de roca y contenido de agua en porcentaje o en términos descriptivos (seco húmedo o mojado).

d) Tipo de Martillo (L, N u otro) y la orientación de impacto del eje del martillo con referencia a la horizontal y con respecto a los planos de estratificación, foliación, laminación o lineación cuando estos sean características significativas de la anisotropía de la roca.

e) Registro del número de ensayos realizados, normalizados, ordenados de manera descendente, la medida de la media, mediana, moda y rango estadístico, la dureza medida y fotografías o descripción de los puntos de impacto antes y después de los daños.