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RESISTENCIA Y DEFORMABILIDAD DE UNA CALCARENITA TRAS SOMETERLA A ALTAS TEMPERATURAS DURANTE 60 MINUTOS

V. BROTONS S. IVORRA R. TOMAS

Dr. Ing. Civil Prof. Ing. Industrial Prof. Ing. Civil

Universidad de Alicante Universidad de Alicante Universidad de Alicante

Alicante; España Alicante; España Alicante; España

vicente.brotons@ua.es sivorra@ua.es roberto.tomas@ua.es

RESUMEN

En este trabajo se han estudiado los efectos de la exposición de una calcarenita a altas temperaturas. Los parámetros

estudiados han sido: porosidades abierta y total, módulos elásticos estáticos y dinámicos y resistencia a compresión

uniaxial. Probetas del material de 52 mm de diámetro y 125 mm de altura, se han sometido a temperaturas de 200, 300,

400, 500 y 600 ºC. En cada temperatura se han utilizado dos procedimientos de enfriamiento: a) al aire, a temperatura

ambiente; y b) por inmersión en agua destilada a temperatura ambiente. Las conclusiones principales indican pérdidas

del módulo elástico de cerca del 80% y de la resistencia a compresión uniaxial del 50% en las probetas calentadas 600

ºC y enfriadas con agua. La resistencia a compresión uniaxial es el parámetro más sensible al método de enfriamiento,

con pérdidas que llegan al 50% en las muestras calentadas a 600 ºC y enfriadas en agua.

1. INTRODUCCIÓN

Los cambios físicos y mecánicos producidos por el fuego en la estructura interna de las rocas afectan a los minerales de

la matriz rocosa y a los poros y fisuras. Éstas pueden ser intragranulares –como en el caso de la transición α/β en el

cuarzo [1]- o intergranulares debidas en general a los diferentes coeficientes de dilatación térmica de los minerales

constituyentes [2]. Con cambios de temperatura muy rápidos, las fisuras intergranulares pueden surgir también por los

elevados gradientes de temperatura en el material [2]. La mencionada transición α/β del cuarzo se produce a unos 575º

C, con incremento de volumen que puede producir ambos tipos de fisuras. Los primeros cambios con la temperatura se

detectan a 250-300º C por un cambio de color debido a la deshidratación de los compuestos del hierro [3]. El objetivo

principal de este trabajo, es el estudio de la evolución de la resistencia a compresión uniaxial y la deformabilidad

(módulo de Young) con la temperatura máxima alcanzada en un proceso de calentamiento normalizado, en una

calcarenita local. Con este propósito se han realizado ensayos de compresión uniaxial, porosidad y propagación de

ondas ultrasónicas sobre 55 muestras antes y después de calentar a diferentes temperaturas y enfriar en diferentes

condiciones.

La Figura 1 muestra los resultados de estudios previos sobre los efectos de la temperatura en la resistencia a compresión

uniaxial de diferentes rocas. Una recopilación de trabajos anteriores se encuentra en Hong Tian et al. [4], quienes

concluyeron que: a) la densidad apenas varía por debajo de los 500ºC; b) la porosidad aumenta con la temperatura a

partir de 300º C; y c) la velocidad de propagación de las ondas P disminuye con la temperatura a partir de 200º C. En la

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Figura 1 se pueden ver los resultados de los estudios de [5-11] sobre la influencia de la temperatura en la resistencia a

compresión uniaxial.

Figura 1. Resistencia a compresión uniaxial

La Figura 2 muestra los resultados del módulo de elasticidad normalizado obtenidos por [5-11]

Figura 2. Módulo elastico normalizado.

Los trabajos analizados referidos a rocas sedimentarias, muestran diversos resultados. Wu et al. [6] estudian varios tipos

de areniscas, detectando mínimos descensos de la resistencia por debajo de 400 ºC con un descenso brusco entre ésta y

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los 600 ºC, temperatura a la que la resistencia queda por debajo del 60% del valor en el material intacto. Rao et al. [5]

ensayan ocho muestras de arenisca y observan un fuerte incremento inicial hasta los 250 ºC seguido de un moderado

descenso hasta los 300 ºC que, no obstante, mantiene una resistencia del 138% de la inicial a esta temperatura. Otros

estudios sobre areniscas (Zhang et al., 1993; 2009) encuentran un rápido descenso hasta alcanzar el 60% de la inicial a

200 ºC, luego un incremento hasta el 120% de la inicial a 500 ºC, se mantiene a los 600 ºC, y finalmente decrece hasta

el 70% a la máxima temperatura estudiada de 800 ºC. Un estudio [9] ensaya areniscas hasta los 950 ºC obteniendo

resultados diferentes a los anteriores, destacando el significativo incremento hasta el 180% de la resistencia inicial a 600

ºC, con una caída posterior hasta la máxima temperatura de ensayo, temperatura a la que no obstante se mantiene

ligeramente por encima de la resistencia inicial. Koca et al. [10] estudian nueve muestras de mármol bajo diferentes

temperaturas, observando fuertes descensos en la resistencia después de un ligero incremento inicial. Un aspecto

destacable en este trabajo, es que la resistencia a compresión uniaxial del material expuesto a 500 ºC y luego dejado

enfriar hasta temperatura ambiente, muestra una resistencia similar a la del material intacto ensayado a 500 ºC. Otro

estudio sobre un total de 15 ejemplares de dos tipos de mármol [11] calentados a diferentes temperaturas hasta 600 ºC y

luego enfriados con un proceso muy lento, detecta incrementos iniciales de la resistencia, hasta mantenerse

prácticamente en el valor inicial a 600 ºC. En cuanto al comportamiento del módulo de elasticidad algunos de los

autores mencionados detectan descensos continuos desde las más bajas temperaturas hasta la máxima alcanzada [6, 10,

11], y otros un endurecimiento inicial hasta 250 ºC [5], hasta 400 ºC [9] o hasta 600 ºC [8], seguidos por importantes

descensos lineales hasta la máxima temperatura ensayada. Hay que destacar nuevamente que algunos de los ensayos

descritos [5, 8-10] se han realizado a la temperatura objetivo. Wu et al. [6] realizaron ensayos a temperatura objetivo y

después del enfriamiento, destacando que la resistencia y el módulo elástico a alta temperatura y después de enfriar

decrecen gradualmente con la temperatura alcanzada y exhiben similar tendencia de variación (no especifica el método

de enfriamiento). Ferrero [11] utiliza un enfriamiento muy lento, con un gradiente negativo de 0.23 ºC/min. Koca et al.

[10] también ensayaron a temperatura ambiente una muestra previamente expuesta al fuego a 500 ºC.

2. PREPARACIÓN DE MUESTRAS Y CALENTAMIENTO

Las muestras se han obtenido a partir de material procedente de la excavación de un túnel. Se tallaron 55 muestras de 52

mm de diámetro por 125 mm de longitud, de bloques de reciente extracción, y por lo tanto no sometidos a desgaste por

meteorización. Se comprobó la isotropía del material por medio del estudio de la velocidad de las ondas P en diferentes

direcciones, obteniendo diferencias menores del 5% entre dos cualesquiera de ellas. En un trabajo anterior [12] se

realizó un análisis de difracción por rayos-X. Los principales componentes del material son: calcita (70%), dolomita

rica en hierro (25%), cuarzo (5%) y trazas de minerales de arcilla (illita). Se trata de una biocalcarenita muy porosa,

Grainstone según Dunham [13]. La Tabla 1 muestra las características del material. Los ensayos previos se realizaron

sobre 55 muestras, excepto los mecánicos (destructivos) que se realizaron sobre 5 muestras.

Tabla 1 - Propiedades físicas y mecánicas

Propiedad Unidad Valor

Peso específico seco, ρd KN/m³ 21.10 0.70

Peso específico de las partículas, γs KN/m³ 27.08 0.14

Porosidad abierta, n0 % 19.72 4.08

Porosidad Total, n % 22.09 2.53

Diámetro medio de los poros

m

37.52 0.00

Velocidad de las ondas P, Vp m/s 3960 180

Velocidad de las ondas S, Vs m/s 2290 130

Módulo Dinámico, E GPa 27.7 3.47

Módulo Estático, E GPa 21.6 2.25

Resistencia a compresión uniaxial, ci MPa 31.5 6.01

Las muestras se calentaron en horno eléctrico hasta obtener la temperatura objetivo en 1 hora, y luego se mantuvieron 1

hora a temperatura constante. Finalmente se dejó enfriar la mitad de cada grupo (5 probetas) a temperatura ambiente al

aire, y el resto (5 probetas) se sumergió en agua destilada a temperatura ambiente. Las temperaturas objetivo fueron de

200, 300, 400, 500 y 600 ºC.

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3. RESULTADOS

3.1 Porosidad

Las porosidades abierta y total se han obtenido siguiendo la normativa stándar [14]. La roca estudiada presenta una

porosidad mayoritariamente abierta. La Figura 3 muestra la evolución de las porosidades, ambas con un

comportamiento similar dada la composición de la porosidad, casi toda ella abierta como se ha indicado. Las muestras

enfriadas con agua presentan un importante incremento en porosidad de 200 a 300 ºC y luego se estabilizan. Las

enfriadas al aire no incrementan la porosidad de manera significativa hasta los 300 ºC, y continúan la progresión hasta

los 600 ºC.

Figura 3. Evolución de la porosidad.

3.2 Módulo de elasticidad

Con objeto de validar la utilización de métodos no destructivos para el diagnóstico del estado de deterioro del material

ante el sometimiento a altas temperaturas, el módulo elástico se ha obtenido a partir de las velocidades de propagación

de ultrasonidos en las muestras (módulo dinámico), y mediante ensayos mecánicos de compresión uniaxial (módulo

estático).

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Figura 4. Módulo dinámico y porcentaje de disminución.

El módulo dinámico se ha obtenido a partir de las velocidades de las ondas P (Vp) y ondas S (Vs) según la ecuación (1).

𝐸dyn = 𝜌bulk𝑉𝑠2 (4𝑉𝑠

2−3𝑉𝑝2)

(𝑉𝑠2−𝑉𝑝

2) (1)

En la que ρbulk es la densidad aparente del material. La Figura 4 muestra los resultados de los ensayos.

Los ensayos mecánicos se realizaron mediante una prensa servocontrolada de una capacidad de carga de 200 KN. Las

deformaciones se obtuvieron con dos galgas extensométricas HBM (120 Ω, K=2.1), colocadas en situación

diametralmente opuesta sobre cada muestra. El registro del tiempo, lectura de las galgas y de la célula de carga se

realizó a una velocidad de muestreo de 10 Hz mediante un equipo de adquisición de datos HBM Spider 8-600 Hz

controlado por el software Catman v.5.0. En la Figura 5 se muestran los resultados de los ensayos del módulo estático.

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Figura 5. Módulo estático después de someter las probetas a diferentes temperaturas.

Después de calentar a 600 ºC la disminución del valor del módulo supera el 85%.

3.3 Resistencia a compresión uniaxial

Los ensayos de resistencia a compresión uniaxial se realizaron según los métodos sugeridos por la ISRM [15]. De las

características estudiadas, esta es la más sensible al método de enfriamiento. Las muestras enfriadas con agua llegan a

perder el 50% de su resistencia después de sufrir calentamiento a 600 ºC, y las enfriadas al aire pierden algo menos del

35%. La Figura 6 muestra estos resultados.

Figura 6. Resistencia a compresión uniaxial después de someter las probetas a diferentes temperaturas.

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4. DISCUSIÓN

El incremento de la porosidad a 600 ºC llega al 7 % en las muestras enfriadas con agua y al 14 % en las muestras

enfriadas en seco. Durante el proceso de enfriamiento en seco, el material mantiene altas temperaturas durante más

tiempo que tras el súbito enfriamiento con agua, y esto resulta en un mayor incremento de la porosidad.

El valor del módulo de Young es, de todas las características estudiadas, el que mayores variaciones sufre con la

temperatura, llegando a pérdidas del 80% en los ensayos dinámicos (con ambos métodos de enfriamiento), y al 85 % en

los estáticos, en las muestras calentadas a 600 ºC. En valores absolutos, los valores de los módulos dinámicos se

mantienen por encima de los estáticos en cada grupo de temperaturas, como es habitual en la mayoría de los materiales

rocosos. Las dos técnicas de medida marcan la misma tendencia en cuanto a la influencia del método de enfriamiento,

mostrando cambios ligeramente mayores en las enfriadas con agua. La resistencia a compresión uniaxial (obtenida con

ensayos mecánicos) marca un descenso lineal con la temperatura hasta un máximo del 34 % en las enfriadas en seco y

más de un 50 % en las enfriadas con agua. El súbito enfriamiento por agua produce altos gradientes térmicos espaciales

y temporales, con generación de micro-fisuras por tensiones intergranulares e intragranulares, debido a la contracción

diferencial de las distintas zonas. Por el contrario, el enfriamiento lento focaliza su efecto en un mayor crecimiento de

los poros producidos durante el calentamiento, con un menor impacto en la resistencia a compresión de la roca.

Finalmente, se ha demostrado que los efectos del sometimiento de rocas a altas temperaturas sobre las propiedades

estudiadas, pueden detectarse con ensayos no destructivos (propagación de la onda ultrasónica) de igual forma que con

los ensayos mecánicos destructivos, con la evidente ventaja que esto supone.

5. AGRADECIMIENTOS

Los autores quieren mostrar su agradecimiento al Dr. D. Benavente y al Dr. J. Martínez del Laboratorio de Petrología de

la Universidad de Alicante, por la descripción mineralógica de la roca y por facilitarnos la realización de los ensayos

ultrasónicos en sus dependencias. A la compañía U.T.E. FCC Construcción, S.A. y Enrique Ortiz e Hijos Contratistas

de Obras, S.A por proveer el material extraído de la excavación del túnel del TRAM. Este trabajo está soportado por la

Universidad de Alicante bajo los proyectos uausti11–11, VIGROB-212 y gre09–40 y por la Generalitat Valenciana bajo

el proyecto gv/2011/044.

6. REFERENCIAS

[1] Glover P.W.J., et al.; "Alpha/Beta phase-transition in quartz monitored using acoustic emissions", Geophysical

Journal International, 1995, n.º 120(3), pp.775-82.

[2] Jansen D.P., et al.; "Ultrasonic-imaging and acoustic-emission monitoring of thermally-induced microcracks in

lac-du-bonnet-granite", Journal of Geophysical Research-Solid Earth, 1993, n.º 98(B12), pp.22231-43.

[3] Hajpal M.; "Changes in sandstones of historical monuments exposed to fire or high temperature", Fire

Technology, 2002, n.º 38(4), pp.373-82.

[4] Hong T., et al.; "Physical properties of sandstones after high temperature treatment", Rock Mechanics and Rock

Engineering, 2012, n.º 45(6), pp.1113-17.

[5] Rao Q.-h., et al.; "Experimental study of mechanical properties of sandstone at high temperature", Journal of

Central South University of Technology, 2007, n.º 14, pp.478-83.

[6] Wu Z., et al.; "Experimental study on mechanical character of sandstone of the upper plank of coal bed under

high temperature", Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, n.º 24(11), pp.1863-7.

[7] Zhang J.X., et al.; "The brittle-ductile transition in porous sedimentary-rocks - geological implications for

accretionary wedge aseismicity", Journal of Structural Geology, 1993, n.º 15(7), pp.819-30.

[8] Zhang L., et al.; "Experimental study on the mechanical properties of rocks at high temperature", Science in

China Series E-Technological Sciences, 2009, n.º 52(3), pp.641-6.

[9] Ranjith Pathegama, et al.; "The effect of temperature on the mechanical behavior of Hawkesbury sandstone at

atmospheric pressure", Engineering Geology 2012, n.º doi:10.1016/j.enggeo.2012.09.007.

[10] Koca M.Y., et al.; "Changes in the engineering properties of marble in fire-exposed columns", International

Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2006, n.º 43(4), pp.520-30.

[11] Ferrero A.M.; Marini P.; "Experimental studies on the mechanical behaviour of two thermal cracked marbles",

Rock Mechanics and Rock Engineering, 2001, n.º 34(1), pp.57-66.

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[12] Brotons V., et al.; "Study of creep behavior of a calcarenite: San Julián´s stone (Alicante)", Materiales de

Construcción, 2013, n.º 63(312), pp.581-95.

[13] Dunham R.J. Classification of Carbonate Rocks According to Depositional Texture. In: Ham WE, editor.

Classification of Carbonate Rocks: American Association of Petroleum Geologists; 1962. p. 108-21.

[14] AENOR. UNE-EN 1936: Métodos de ensayo para piedra natural. Determinación de la densidad real y aparente

y de la porosidad abierta y total. Spain: Asociación Española de Normalización y Certificación; 2007.

[15] ISRM; "Suggested Method for Determining the Uniaxial Compressive Strength and Deformability of Rock

Materials", ISRM Suggested Methods, 1979, n.º 2, pp.137-40.