IMPORTANCIA DE LA MINERALOGÍA EN INGENIERÍA

IMPORTANCIA DE LA MINERALOGÍA EN INGENIERÍA
Comportamiento de algunos minerales en Ingeniería
Mineral
Cuarzo
Comportamiento
Muy abrasivo, (costo alto de perforaciones y excavaciones
mecánicas)
Las rocas con mucho cuarzo, especialmente si son
cristalinas, poseen pobre adherencia con el asfalto en los
pavimentos.
Calcedonia (>5%), ópalo (> 0,25%),
cuarzo molido o muy fracturado, illita
En el proceso de fraguado del concreto estos minerales
reaccionan con los álcalis de los cementos(Na2O, K2O),
liberados en la hidratación; se originan geles que provocan
expansión y agrietamiento del concreto 1 en lo que se conoce
como reacción álcali-sílica
Clorita, sericita, vermiculita, talco,
Serpentina
Minerales desleibles en presencia del agua
Halita, Calcita
Minerales solubles
Pirita, marcasita
Cuando se emplean como agregados en concretos los
sulfuros se oxidan y luego se hidratan, con un incremento
importante de volumen. Aparecen manchas y ampollas en las
estructuras.
Yeso
Junto con otras sales puede producir dilatación y
desintegración del concreto.
Montmorillonita
Expandible en presencia del agua
Haloisita y Alofana
Minerales de alteración de cenizas volcánicas en ambientes
húmedos 2 , que se fluidifican cuando se remoldéan.
1
Cementos con menos del 0,6% de álcalis no reaccionan desfavorablemente. También se evita la reacción álcali-agregado
cuando el material reactivo está mezclado con bastante material inerte o si adiciono puzolanas. El chert y las limonitas silíceas;
las rocas volcánicas como riolita, dacita y andesita con abundante vidrio y las filitas con abundante illita, se cuentan entre las
rocas que poseen minerales reactivos; igualmente las rocas basálticas con más del 5% de minerales secundarios como
calcedonia u ópalo, o algunas areniscas y cuarcitas con más del 5% de chert.
2
Estos minerales propios de los suelos llamados andosoles, se forman por descomposición de cenizas volcánicas. Con alto
contenido de humedad, altos límites líquido y plástico y bajo índice de plasticidad. Son muy inestables cuando se remoldean,
debido a que cuando se perturban (excavaciones, rellenos), su plasticidad se incrementa significativamente y entonces fluyen.
Muchos problemas de estabilidad de taludes y de rellenos en el viejo Caldas, se deben a la presencia de estos suelos.
COMPORTAMIENTO DE LAS ROCAS EN INGENIERÍA
ROCAS ÍGNEAS EN INGENIERÍA
2.1.5 Algunos comentarios sobre la calidad y el comportamiento de las rocas ígneas
en ingeniería
ƒ La composición química y mineral de las rocas ígneas está reflejada de manera
horizontal en el cuadro de clasificación. Las rocas ácidas, como el granito y la
riolita, y las algunas intermedias como la granodiorita o la dacita, ricas en sílice
y álcalis, poseen tonos más claros, son más livianas y menos susceptibles a la
meteorización química; en contraste las rocas básicas como el basalto y la
diabasa, y algunas intermedias como la diorita, ricas en hierro, magnesio y
calcio, presentan colores claros, son más pesadas y se altera más fácilmente en
proceso de descomposición. Estas rocas poseen más minerales de alteración
como clorita, sericita, talco etc), cuando están químicamente descompuestas y en
esta condición son más débiles e inestables.
ƒ En cuanto a su comportamiento frente a los agentes climáticos, se debe tener en
cuenta el grado de meteorización que han alcanzado al presente. Las rocas con
descomposición avanzada, pueden contener caolinita, clorita, sericita, talco,
sepentina, caolinita, ilita, montmorillonita, u otros minerales que le imparten
debilidad y pobre calidad en general, que no permiten recomendarla como
material de construcción y desmejora notablemente su estabilidad en
fundaciones o excavaciones.
ƒ La abundancia de cuarzo en el caso de los granitos, las granodioritas, las riolitas
y rocas félsicas mejantes, limita su uso como materiales para carpetas asfálticas,
debido a que el cuarzo posee alta afinidad por el agua y repele los asfaltos,
originándose así problemas de adherencia.
ƒ Rocas plutónicas o volcánicas como las anteriores (ricas en cuarzo) son muy
abrasivas lo cual encarece su perforación y excavación.
ƒ Muchas lavas como las andesitas y riolitas y algunos basaltos, contienen
cantidades importantes de vidrio lo cual las demerita para su uso en concretos,
dado a la tendencia de los álcalis de los cementos a reaccionar con la sílice y
producir expansión y deterioro del concreto.
ƒ También el alto contenido de vidrio afecta el índice de forma de las rocas
volcánicas, algunas de las cuales producen fragmentos astillosos y alargados en
la trituración.
ƒ En realidad, en el caso de ambos tipos de rocas se desarrollan perfiles de
meteorización y éstos son más espesos y diferenciados en nuestro medio, en el
caso de las rocas ígneas plutónicas ácidas, como las expuestas en el Batolito
Antioqueño. Es en este caso donde con más frecuencia se presentan situaciones
particulares de inestabilidad en las excavaciones, debido principalmente al
patrón particular de flujo de agua en los horizontes saprolíticos.
ƒ Las rocas ígneas poseen en general una textura cristalina masiva, con cristales
enérgicamente entrabados, y con una muy limitada presencia de poros
intergranulares, lo que les confiere alta resistencia y poca deformabilidad. Bajo
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estas circunstancias estas rocas en estado fresco (no descompuestas) y sano (no
degradadas mecánicamente en zonas de falla) constituyen excelentes
fundaciones para obra de ingeniería y en general materiales de buena calidad
para pavimentos, concretos y otros usos, salvo el caso de las limitaciones
expuestas anteriormente.
En muchas lavas, el enfriamiento fue tan rápido que no permitió el escape de
gas, y las rocas formadas, es el caso de algunos basaltos y riolitas, pueden
poseer una porosidad relativamente alta, que reduce su resistencia y su calidad
en general. Solo las diabasas son muy poco porosas y en consecuencia, más
resistentes y menos deformables entre las volcánicas e ígneas en general.
Debido a su carácter masivo las rocas ígneas plutónicas y las diabasas entre las
efusivas, poseen un alto índice de forma, es decir que producen agregados de
tamaño y forma uniformes cuando se trituran para se usados en pavimentos o
concretos. Se ha observado sin embargo que el basalto, si está algo
descompuesto, se astilla en la trituración, lo cual desmejora su índice de forma.
Entre los depósitos volcánicos de edad reciente se pueden presentar situaciones
de comportamiento, en principio inesperadas, debido a la marcada anisotropía
que ofrecen las secuencias de lavas, piroclastos y flujos de lodo de origen
volcánico. En estas circunstancias estos depósitos podrían no soportar cargas
desadas como presas u otras estructuras grandes. (F. G. Bell, 1992). Estas
mismas secuencias originan laderas muy inestables, especialmente si las rocas
están descompuestas y afectadas tectónicamente.
Los depósitos piroclásticos en particular proveen condiciones extremadamente
variables en su comportamiento geotécnico debido a sus altas variaciones de
resistencia, durabilidad y permeabilidad. Así por ejemplo, mientras muchos
aglomerados poseen alta capacidad portante y baja permeabilidad, las cenizas
volcánicas son siempre débiles y en algunos casos muy permeables. Una
situación particularmente desfavorable se presenta en cenizas previamente secas
que se saturen; en esa condición la relación de vacios decrece significativamente
y se convierte en un material muy inestable en fundaciones y excavaciones.
En las lavas de basaltos se presentan rasgos estructurales como diaclasamiento
columnar (asociado a los mantos de lava), cavidades, inclusive túneles (asociadas a
coladas de lava) y estructura interna vesicular, en la parte superior de los cuerpos de
lava, los cuales deben ser adecuadamente considerados en los diseños geotécnicos de
los proyectos.
ROCAS SEDIMENTARIAS EN INGENIERIA
2.2.4
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Algunos comentarios sobre la calidad y comportamiento de las rocas
sedimentarias en ingeniería
Una arenisca con bajo grado de empaquetamiento y deficiente cementación, será
muy deleznable y su calidad muy reducida; si los granos están bien
empaquetados (mayor área de contacto entre sus partículas) y el cemeto mineral
es de buena calidad como el cemento silíceo y aún el calcáreo, estas rocas se
comportan mejor. El mayor grado de empaquetamiernto de los clastos se refleja
en una baja porosidad. El comportamiento de los conglomerados y las brechas
esta controlado por factores semejantes.
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Entre mayor sea el grado de consolidación de las lutitas, éstas serán más
resistentes y las variedades más laminadas que corresponden al shale, serán más
débiles en la dirección de las láminas, susceptibles a deslizar en excavaciones,
cuando los estratos están desfavorablemente orientados.
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La durabilidad de las lutitas, está controlada por la calidad del cemento y la
proporción de arcilla. Las variedades menos arcillosas y cementadas con sílice o
aún calcita, corresponden a las de mejor calidad, como material de construcción,
ejemplo. Limolitas silíceas y algunos shales.
Estas mismas son menos
expansivas y más estables en excavaciones, y fundaciones.
ƒ
Las calizas del tipo micrita, entre las rocas sedimentarias no clásticas, son las
rocas de mejor calidad entre las rocas sedimentarias en general. Compiten con
las diabasas (volcánicas) y con las cuarcitas (metamórficas masivas)
ƒ
Las calizas bibiógenas (biomicrita y bioesparita) son de comportamiento muy
variable, Además cualquier tipo de caliza contaminado con arcilla -en este caso
se denominan Margas - son de muy baja calidad en pavimentos y concretos, y de
comportamiento inestable en excavaciones y fundaciones. La mayor parte de las
calizas en Colombia son de este tipo.
ƒ
En fundaciones y excavaciones debe investigarse la posible presencia de tubos o
cavernas de disolución en calizas de zonas húmedas.
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Las liditas se comportan de una manera muy similar a las limolitas silíceas, si
bien estas rocas y algunas calizas pueden reaccionar con los álcalis de los
cementos causando el deterioro del concreto, en el caso de contener minerales
reactivos como ópalo y calcedonia.
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Entre las evaporitas la anhidrita es en general más resistente que el yeso y la
roca salina, ést última la más débil.El yeso se disuelve más fácilmente que la
caliza: 2.100 mg de yeso se pueden disolver en un litro agua no salina, mientras
que solo 400 mg de caliza se disuelven en la misma condición, dando lugar en
ambos casos a huecos y cavernas, que favorecen en ambos casos fenómenos de
subsidencia y otros problemas.
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Caundo la anhidrita se hidrata y se convierte en yeso el volumen de roca se
incrementa en un 30 a 60%, ejerciendo variable una presión que se estima entre
2 y 70 MPa en un tiempo relativamente corto.
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La sal es la evaporita más soluble de todas y puede dar lugar a procesos de
subsidencia en el caso de algunos tipos extracción.
ROCAS METAMÓRFICAS EN INGENIERÍA
2.3.2
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Algunos comentarios sobre la calidad y comportamiento de las rocas
metamórficas en ingeniería
Desde el punto de vista de ingeniería la clasificación de las rocas metamórficas
en masivas y foliadas es de gran significado.. Las masivas se comportan de
manera muy similar a las ígneas plutónicas, en tanto que las foliadas se
comportan de manera algo similar a los shales y otras rocas sedimentarias
laminadas. De una parte, por impartir dreccionalidad en las propiedades
mecánicas; de otra, las rocas foliadas por lo general poseen minerales más
débiles, como la clorita, el talco y la sericita.
En la medida que mejor se desarrolle la foliación o esquistocidad estas serán
más problemáticas en ingeniería. Entre las rocas metamórficas, las que poseen
textura bandeada (gneis) para efectos de ingeniería se pueden considerar
masivas.
La textura (fábrica) de las pizarras, filitas y esquistos se caracteriza por una
marcada orientación preferencial de los minerales. En particular las pizarras son
altamente fisiles y los esquistos talcosos, cloríticos y sericíticos son muy débiles
y sus planos de esquistosidad están espaciados alrededor de 1 milímetro. Como
materiales de fndación estas rocas responden de manera variable según el grado
de metreorización o degradación mecánica en zonas de falla.
Por lo general el buzamiento de los planos de foliación es superior a los 50° y
las rocas metamórficas en general está expuestas en valles de laderas abruptas.
Los cortes viales y otras excavaciones en tales valles son por lo general
inestables..
La textura del neis es bandeada y esta roca se comporta de manera similar al
granito salvo si posee mucha mica en cuyo caso su calidad desmejora.
La cuarcita y la hornfelsa son rocas metamórficas masivas de comportamiento
similar al resto de rocas con fábrica cristalina masiva.
Finalmenteel marmol se asemeja en comnportamiento al de otrras rocas
carbonatadas.
Cuando los planos de foliación son verticales o muy inclinados y se orientan en
la dirección de la máxima pendiente de las laderas, es muy probable la
ocurrencia de flujos canalizados y avenidas torrenciales. (carretera BogotáVillavicencio, por ejemplo)
Como materiales de construcción su comportamiento es bueno si las rocas son
masivas; apenas aceptable si las rocas son foliadas. En este último caso en la
trituración se produce un alto porcentaje de partículas alargadas y / o planas.
Cuando los planos de foliación son verticales o muy inclinados y se orientan en
la dirección de la máxima pendiente de las laderas, es muy probable la
ocurrencia de flujos canalizados y avenidas torrenciales. (carretera BogotáVillavicencio, por ejemplo)
Tabla I FÁBRICA DE LAS ROCAS
CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS POR SU FÁBRICA
Cristalina masiva (CM) Se clasifican en este grupo las rocas de cualquier origen, con cristales
fuertemente entrabados. Entre las ígneas, las plutónicas son más
Ejemplos:
uniformes en su calidad, con alta resistencia y mínima deformabilidad;
Granito
las volcánicas (lavas y piroclástos) pueden poseer alta porosidad y su
Cuarcita
rango de calidad es variable 3 . Entre éstas últimas las diabasas son muy
Caliza cristalina
poco porosas y poseen la calidad más uniforme entre todas las rocas
ígneas. La resistencia de la caliza micrita (sedimentaria) y la cuarcita
(metamórfica) es comparable a la del granito.
Cristalina foliada (CF)
Ejemplos:
Pizarra
Filita
Esquisto
Clástica cementada
(CCe)
Ejemplo:
ARENISCA
Clástica Consolidada
(C Co)
Ejemplo
LUTITA o ROCA
LODOSA
Rocas metamórficas con cristales entrelazados y orientación
preferencial, (poseen planos de foliación, esquistocidad o pizarrocidad)
lo cual les imparte a estas rocas direccionalidad en las propiedades
mecánicas. Son también muy resistentes y poco deformables pero su
calidad es algo variable; dependiendo de que las su resistencia se
solicite en la dirección de la foliación (menos resistentes y
deformables) o perpendicularmente a ésta (más resistentes y
deformables.)
Sedimentarias de la fracción gruesa (SFG), con calidad muy abierta;
ninguna roca de este grupo comparte la calidad de las mejores rocas
cristalinas masivas. Su calidad depende de la calidad del cementante y
del empaquetamiento de sus granos; pueden tener direccionalidad de
las propiedades mecánicas, en el caso de presentar alto contenido de
micas, hidromicas o arcilla.
Sedimentarias de la fracción fina (SFF), con calidad muy abierta;
ninguna roca de este grupo comparte la calidad de las mejores rocas
cristalinas masivas. Su calidad depende del grado de consolidación
diagenética y de la calidad del cementante. Al incrementarse el grado
de consolidación, la roca es más resistente; por otra parte, las rocas
lodosas arcillosas con cementación deficiente son menos durables
(más degradables frente al clima, principalmente frente a la humedad)
Montero 2004
3
La diabasa (roca volcánica), posee la más alta resistencia entre las ígneas; el basalto y las
andesita son de calidad variable.