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IMPORTANCIA DE LA MINERALOGÍA EN INGENIERÍA

Comportamiento de algunos m inerales en Ingeniería

MineralComportamiento

Cuarzo

Calcedonia (>5%), ópalo (> 0,25%),cuarzo molido o muy fracturado, illita

Clorita, sericita, vermiculita, talco,Serpentina

Halita, Calcita

Pirita, marcasita

Yeso

Montmorillonita

Haloisita y Alofana

Muy abrasivo, (costo alto de perforaciones y excavacionesmecánicas)Las rocas con mucho cuarzo, especialmente si soncristalinas, poseen pobre adherencia con el asfalto  en lospavimentos.

En el proceso de fraguado del concreto estos mineralesreaccionan con los álcalis de los cementos(Na2O, K2O),

liberados en la hidratación; se originan geles que provocanexpansión y agrietamiento del concreto1 en lo que se conocecomo reacción álcali-sílica

Minerales desleibles en presencia del agua

Minerales solubles

Cuando se emplean como agregados en concretos lossulfuros se oxidan y luego se hidratan, con un incrementoimportante de volumen. Aparecen manchas y ampollas en lasestructuras.

Junto con otras sales puede producir dilatación ydesintegración del concreto.

Expandible en presencia del agua

Minerales de alteración de cenizas volcánicas en ambienteshúmedos2, 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 lasrocas que poseen minerales reactivos; igualmente las rocas basálticas con más del 5% de minerales secundarios comocalcedonia 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.

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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

  La composición química y mineral de las rocas ígneas está reflejada de manerahorizontal en el cuadro de clasificación. Las rocas ácidas, como el granito y lariolita, y las algunas intermedias como la granodiorita o la dacita, ricas en sílicey álcalis, poseen tonos más claros, son más livianas y menos susceptibles a lameteorización química; en contraste las rocas básicas como el basalto y la

diabasa, y algunas intermedias como la diorita, ricas en hierro, magnesio ycalcio, presentan colores claros, son más pesadas y se altera más fácilmente en

 proceso de descomposición. Estas rocas poseen más minerales de alteracióncomo clorita, sericita, talco etc), cuando están químicamente descompuestas y enesta condición son más débiles e inestables.

  En cuanto a su comportamiento frente a los agentes climáticos, se debe tener encuenta el grado de meteorización que han alcanzado al presente. Las rocas condescomposición avanzada, pueden contener caolinita, clorita, sericita, talco,sepentina, caolinita, ilita, montmorillonita, u otros minerales que le impartendebilidad y pobre calidad en general, que no permiten recomendarla comomaterial de construcción y desmejora notablemente su estabilidad en

fundaciones o excavaciones.  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.

  Rocas plutónicas o volcánicas como las anteriores (ricas en cuarzo) son muyabrasivas lo cual encarece su perforación y excavación.

  Muchas lavas como las andesitas y riolitas y algunos basaltos, contienencantidades 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.  También el alto contenido de vidrio afecta el índice de forma de las rocas

volcánicas, algunas de las cuales producen fragmentos astillosos y alargados enla trituración.

  En realidad, en el caso de ambos tipos de rocas se desarrollan perfiles demeteorización y éstos son más espesos y diferenciados en nuestro medio, en elcaso de las rocas ígneas plutónicas ácidas, como las expuestas en el BatolitoAntioqueño. 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.

  Las rocas ígneas poseen en general una textura cristalina masiva, con cristales

enérgicamente entrabados, y con una muy limitada presencia de porosintergranulares, 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 (nodegradadas mecánicamente en zonas de falla) constituyen excelentesfundaciones para obra de ingeniería y en general materiales de buena calidad

 para pavimentos, concretos y otros usos, salvo el caso de las limitacionesexpuestas anteriormente.

  En muchas lavas, el enfriamiento fue tan rápido que no permitió el escape degas, y las rocas formadas, es el caso de algunos basaltos y riolitas, pueden

 poseer una porosidad relativamente alta, que reduce su resistencia y su calidaden general. Solo las diabasas son muy poco porosas y en consecuencia, másresistentes y menos deformables entre las volcánicas e ígneas en general.

  Debido a su carácter masivo las rocas ígneas plutónicas y las diabasas entre lasefusivas, poseen un alto índice de forma, es decir que producen agregados detamaño y forma uniformes cuando se trituran para se usados en pavimentos oconcretos. Se ha observado sin embargo que el basalto, si está algodescompuesto, 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 anisotropíaque ofrecen las secuencias de lavas, piroclastos y flujos de lodo de origenvolcánico. En estas circunstancias estos depósitos podrían no soportar cargasdesadas como presas u otras estructuras grandes. (F. G. Bell, 1992). Estasmismas secuencias originan laderas muy inestables, especialmente si las rocasestán descompuestas y afectadas tectónicamente.

  Los depósitos piroclásticos en particular proveen condiciones extremadamentevariables en su comportamiento geotécnico debido a sus altas variaciones deresistencia, durabilidad y permeabilidad. Así por ejemplo, mientras muchosaglomerados poseen alta capacidad portante y baja permeabilidad, las cenizasvolcánicas son siempre débiles y en algunos casos muy permeables. Unasituación particularmente desfavorable se presenta en cenizas previamente secasque se saturen; en esa condición la relación de vacios decrece significativamentey se convierte en un material muy inestable en fundaciones y excavaciones.

  En las lavas de basaltos se presentan rasgos estructurales como diaclasamientocolumnar (asociado a los mantos de lava), cavidades, inclusive túneles (asociadas acoladas de lava) y estructura interna vesicular, en la parte superior de los cuerpos delava, los cuales deben ser adecuadamente considerados en los diseños geotécnicos delos proyectos.

 ROCAS SEDIMENTARIAS EN INGENIERIA

2.2.4 

 Algunos comentarios sobre la calidad y comportamiento de las rocas

sedimentarias en ingeniería

  Una arenisca con bajo grado de empaquetamiento y deficiente cementación, serámuy deleznable y su calidad muy reducida; si los granos están bienempaquetados (mayor área de contacto entre sus partículas) y el cemeto minerales de buena calidad como el cemento silíceo y aún el calcáreo, estas rocas secomportan mejor. El mayor grado de empaquetamiernto de los clastos se reflejaen 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 másresistentes y las variedades más laminadas que corresponden al shale, serán másdébiles en la dirección de las láminas, susceptibles a deslizar en excavaciones,cuando los estratos están desfavorablemente orientados.

  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 menosexpansivas y más estables en excavaciones, y fundaciones.

  Las calizas del tipo micrita, entre las rocas sedimentarias no clásticas, son lasrocas de mejor calidad entre las rocas sedimentarias en general. Compiten conlas diabasas (volcánicas) y con las cuarcitas (metamórficas masivas)

  Las calizas bibiógenas (biomicrita y bioesparita) son de comportamiento muy

variable, Además cualquier tipo de caliza contaminado con arcilla -en este casose denominan Margas - son de muy baja calidad en pavimentos y concretos, y decomportamiento inestable en excavaciones y fundaciones. La mayor parte de lascalizas en Colombia son de este tipo.

  En fundaciones y excavaciones debe investigarse la posible presencia de tubos ocavernas de disolución en calizas de zonas húmedas.

  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 loscementos causando el deterioro del concreto, en el caso de contener mineralesreactivos como ópalo y calcedonia.

  Entre las evaporitas la anhidrita es en general más resistente que el yeso y laroca salina, ést última la más débil.El yeso se disuelve más fácilmente que lacaliza: 2.100 mg de yeso se pueden disolver en un litro agua no salina, mientrasque solo 400 mg de caliza se disuelven en la misma condición, dando lugar enambos casos a huecos y cavernas, que favorecen en ambos casos fenómenos desubsidencia y otros problemas.

  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 entre2 y 70 MPa en un tiempo relativamente corto.

  La sal es la evaporita más soluble de todas y puede dar lugar a procesos desubsidencia en el caso de algunos tipos extracción.

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 ROCAS METAMÓRFICAS EN INGENIERÍA

2.3.2   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 demanera muy similar a las ígneas plutónicas, en tanto que las foliadas secomportan de manera algo similar a los shales y otras rocas sedimentariaslaminadas. De una parte, por impartir dreccionalidad en las propiedadesmecánicas; de otra, las rocas foliadas por lo general poseen minerales másdébiles, como la clorita, el talco y la sericita.

  En la medida que mejor se desarrolle la foliación o esquistocidad estas seránmás problemáticas en ingeniería. Entre las rocas metamórficas, las que poseentextura bandeada (gneis) para efectos de ingeniería se pueden considerarmasivas.

  La textura (fábrica) de las pizarras, filitas y esquistos se caracteriza por una

marcada orientación preferencial de los minerales. En particular las pizarras sonaltamente fisiles y los esquistos talcosos, cloríticos y sericíticos son muy débilesy sus planos de esquistosidad están espaciados alrededor de 1 milímetro. Comomateriales de fndación estas rocas responden de manera variable según el gradode metreorización o degradación mecánica en zonas de falla.

  Por lo general el buzamiento de los planos de foliación es superior a los 50° ylas rocas metamórficas en general está expuestas en valles de laderas abruptas.Los cortes viales y otras excavaciones en tales valles son por lo generalinestables..

  La textura del neis es bandeada y esta roca se comporta de manera similar algranito salvo si posee mucha mica en cuyo caso su calidad desmejora.

  La cuarcita y la hornfelsa son rocas metamórficas masivas de comportamientosimilar al resto de rocas con fábrica cristalina masiva.

  Finalmenteel marmol se asemeja en comnportamiento al de otrras rocascarbonatadas.

  Cuando los planos de foliación son verticales o muy inclinados y se orientan enla dirección de la máxima pendiente de las laderas, es muy probable laocurrencia de flujos canalizados y avenidas torrenciales. (carretera Bogotá-Villavicencio, por ejemplo)

  Como materiales de construcción su comportamiento es bueno si las rocas sonmasivas; 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 enla dirección de la máxima pendiente de las laderas, es muy probable laocurrencia de flujos canalizados y avenidas torrenciales. (carretera Bogotá-Villavicencio, por ejemplo)

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Tabla I FÁBRICA DE LAS ROCASCLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS POR SU FÁBRICA

Cristalina masiva (CM)

Ejemplos:GranitoCuarcita

Caliza cristalina

Se clasifican en este grupo las rocas de cualquier origen, con cristalesfuertemente entrabados. Entre las ígneas, las plutónicas son másuniformes en su calidad, con alta resistencia y mínima deformabilidad;las volcánicas (lavas y piroclástos) pueden poseer alta porosidad y surango de calidad es variable3. Entre éstas últimas las diabasas son muypoco porosas y poseen la calidad más uniforme entre todas las rocasígneas. La resistencia de la caliza micrita (sedimentaria) y la cuarcita

(metamórfica) es comparable a la del granito.

Cristalina foliada (CF)

Ejemplos:PizarraFilita

Esquisto

Rocas metamórficas con cristales entrelazados y orientaciónpreferencial, (poseen planos de foliación, esquistocidad o pizarrocidad)lo cual les imparte a estas rocas direccionalidad en las propiedadesmecánicas. Son también muy resistentes y poco deformables pero sucalidad es algo variable; dependiendo de que las su resistencia sesolicite en la dirección de la foliación (menos resistentes ydeformables) o perpendicularmente a ésta (más resistentes ydeformables.)

Clástica cementada(CCe)

Ejemplo:

 ARENISCA

Sedimentarias de la fracción gruesa (SFG), con calidad muy abierta;ninguna roca de este grupo comparte la calidad de las mejores rocascristalinas masivas. Su calidad depende de la calidad del cementante ydel empaquetamiento de sus granos; pueden tener direccionalidad delas propiedades mecánicas, en el caso de presentar alto contenido demicas, hidromicas o arcilla.

Clástica Consolidada(C Co)

EjemploLUTITA o ROCA

LODOSA

Sedimentarias de la fracción fina (SFF), con calidad muy abierta;ninguna roca de este grupo comparte la calidad de las mejores rocascristalinas masivas. Su calidad depende del grado de consolidacióndiagenética y de la calidad del cementante. Al incrementarse el gradode consolidación, la roca es más resistente; por otra parte, las rocaslodosas 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.