Algunas rocas débiles son frecuentemente utilizadas como material de construcción en la ejecución de obra nueva o en la restauración de construcciones patrimoniales y constituyen el cimiento de numerosas edificaciones y vías de comunicación en el sudeste de España. Estos materiales suelen estar expuestos a ambientes húmedos y/o en contacto directo con el agua. Sin embargo, su caracterización mecánica suele realizarse en laboratorio en estado seco o sin control de la humedad. A este respecto, investigaciones recientes han demostrado que propiedades mecánicas como la resistencia a compresión uniaxial o el módulo de elasticidad estático de este tipo de rocas pueden sufrir importantes reducciones cuando se saturan completamente. Sin embargo, los efectos de la saturación parcial, de la humedad relativa ambiental o de la distribución del agua intersticial sobre éstos y otros parámetros mecánicos han sido escasamente estudiados. En esta tesis se realiza un estudio detallado de estos aspectos en varios tipos de rocas sedimentarias débiles presentes en la provincia de Alicante. Por un lado, se han empleado tres variedades de la denominada “Piedra Bateig”, que es una biocalcarenita que se utilizado en el pasado para la construcción de una gran cantidad de edificios históricos y emblemáticos de toda de España (especialmente de la Comunidad Valenciana y Madrid) y que actualmente se comercializa a nivel mundial debido a su abundancia, belleza y calidad para su empleo en revestimientos de fachadas, muros de mampostería o elementos ornamentales. Por otro lado, se han estudiado otras rocas carbonáticas (calcarenitas y limolitas amarillentas) y yesíferas, que se utilizan mayoritariamente en obra civil, principalmente para la construcción de muros de contención o como escollera. Los objetivos principales de la presente tesis doctoral son: (1) la caracterización petrológica y físico-mecánica de estos materiales pétreos sedimentarios porosos; (2) el análisis de los procedimientos de humectación existentes y el desarrollo de nuevas técnicas de saturación parcial; (3) la evaluación de la variación de las propiedades mecánicas de estos materiales con el grado de saturación y la humedad relativa ambiental; (4) el estudio del efecto de la distribución del agua intersticial en su comportamiento mecánico; (5) la propuesta de correlaciones entre las propiedades mecánicas y las propiedades físicas u otros parámetros de fácil y rápida determinación y; (6) la discusión de los principales mecanismos de deterioro mecánico causados por el agua que afectan a estos materiales. En primer lugar, se realizó un estudio petrológico y físico general de estas rocas mediante la determinación de: su composición química y mineralógica empleando las técnicas de difracción y fluorescencia de rayos X o el calcímetro de Bernard; su distribución del tamaño de poros, superficie específica, tortuosidad, porosidades intrapartícula e interpartícula y otras características de su red porosa mediante la realización de porosimetrías de intrusión de mercurio; su textura, ordenación de granos y cristales y morfología de los poros utilizando las técnicas de microscopía óptica y electrónica; sus densidades real y aparente, porosidades abierta y total, y capacidad de absorción de agua usando métodos tradicionales. En segundo lugar, se obtuvieron diversas propiedades físicas y mecánicas de estos materiales en los estados seco y completamente saturado, tales como: la velocidad de paso de las ondas P y S, el módulo de elasticidad y el coeficiente de Poisson dinámicos, las resistencias a compresión uniaxial y triaxial, el módulo de elasticidad estático, la resistencia a tracción indirecta, el índice de resistencia frente a carga puntual, el índice de resistencia frente a la penetración de aguja y los parámetros de resistencia al corte de la matriz rocosa. En tercer lugar, se evaluó la influencia de la saturación parcial y la distribución del agua intersticial en las propiedades mecánicas de algunas de estas rocas. Para ello, se prepararon probetas parcialmente saturadas con diferentes grados de saturación utilizando dos procedimientos distintos: (1) la inmersión de probetas completamente secas en agua a presión atmosférica durante diferentes periodos de tiempo, y (2) el secado progresivo de probetas inicialmente completamente saturadas en estufa a 50º C durante diferentes periodos de tiempo. A continuación, se determinó la distribución del agua intersticial en las probetas acondicionadas mediante ambos métodos a través de la obtención de imágenes de resonancia magnética nuclear (RMN) y se ensayaron mecánicamente para obtener su resistencia a compresión uniaxial, su módulo de elasticidad estático, su resistencia a tracción indirecta y su resistencia frente a carga puntual. En cuarto lugar, se estudió el impacto de la humedad relativa ambiental en el comportamiento mecánico de los materiales pétreos. Con este propósito, las muestras se sometieron a ambientes de humedad relativa controlada del 20, 40, 60, 80 y 98% usando una modificación de la técnica de equilibrio de vapor (VET). El método consistió en introducir las probetas de roca junto con disoluciones de glicerol de diferente concentración en recipientes cerrados herméticamente dentro de una estufa a temperatura constante, promoviendo el intercambio de agua en forma de vapor entre la atmósfera creada y las probetas hasta que se alcanzó el contenido de agua de equilibrio en las mismas. Tras ello, las muestras se ensayaron mecánicamente. Finalmente, se realizó un análisis de regresión para establecer relaciones entre las propiedades mecánicas y las propiedades físicas u otros parámetros de fácil obtención, menos costosos o no destructivos que pudiesen ser útiles desde un punto de vista ingenieril. Los resultados obtenidos mostraron que, en las rocas estudiadas, la saturación total generaba importantes variaciones de propiedades físicas como la velocidad de paso de las ondas P y S y de los parámetros dinámicos asociados, así como una reducción muy significativa de todas las propiedades mecánicas analizadas. Además, se observó que ocurría una importante caída de estos parámetros mecánicos cuando estos materiales se saturaban con contenidos de agua pequeños (grados de saturación inferiores al 50%) y que, posteriormente, el valor de estas propiedades se mantenía constante para contenidos de agua superiores (grados de saturación iguales o superiores al 75%). En consecuencia, las variaciones de las propiedades mecánicas con el contenido de agua se modelaron de manera precisa empleando funciones exponenciales decrecientes. Otro resultado relevante de la investigación fue que la distribución del agua intersticial y, por ende, el procedimiento empleado para saturar parcialmente las probetas jugaba un papel importante en el comportamiento mecánico observado. En concreto, para pequeños contenidos de agua, el debilitamiento mecánico experimentado por las muestras preparadas mediante el procedimiento de secado era frecuentemente superior al de las muestras acondicionadas a través del procedimiento de inmersión. Este hallazgo pudo explicarse en base a que en el primer caso las moléculas de agua ocupaban una región más amplia de la probeta (incluyendo la zona central de la misma), mientras que en el segundo caso el agua se encontraba concentrada exclusivamente en la zona más externa, permaneciendo el núcleo de la probeta en estado seco. En cambio, para elevados contenidos de agua, los valores de las propiedades mecánicas en las muestras preparadas por ambos procedimientos fueron parecidos, debido a que el agua intersticial ocupaba una región más amplia y similar. Además, se observó que las propiedades mecánicas de las rocas se reducían linealmente conforme aumentaba la humedad relativa del ambiente al que estaban expuestas, pues esto generaba un incremento del contenido de agua dentro de su red porosa. Por otro lado, el análisis de regresión realizado permitió obtener correlaciones entre las propiedades mecánicas y las propiedades físicas u otros índices de fácil determinación en los estados seco y saturado. Estas relaciones son de gran utilidad para seleccionar bloques de roca de alta calidad a nivel de cantera o para realizar auscultaciones preventivas en edificaciones patrimoniales de piedra de una forma rápida, sencilla, barata y no destructiva. Finalmente, el análisis conjunto de las características petrológicas y el impacto de la saturación total y parcial y la distribución de agua intersticial sobre las propiedades mecánicas permitió esclarecer que las causas del debilitamiento ocasionadas por el agua que afectaban a estos materiales eran variadas. Se podrían destacar la reducción de la succión capilar y efectos físico-químicos como el deterioro de la cementación entre los granos, la disolución de algunos minerales (calcita y clorita), el hinchamiento de la fracción arcillosa, la reducción de la energía superficial de fractura o la corrosión bajo tensión del cuarzo presente en estos materiales. / Esta tesis ha sido financiada por el Vicerrectorado de Investigación y Transferencia del Conocimiento de la Universidad de Alicante a través del Contrato Predoctoral FPUUA53-2018 y las Ayudas UAEEBB2018-09, UAUSTI18-21 y UAUSTI19-25.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:ua.es/oai:rua.ua.es:10045/141159 |
| Date | 10 June 2021 |
| Creators | Rabat, Álvaro |
| Contributors | Tomás, Roberto, Cano, Miguel, Universidad de Alicante. Departamento de Ingeniería Civil |
| Publisher | Universidad de Alicante |
| Source Sets | Universidad de Alicante |
| Language | Spanish |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Rights | Licencia Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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