IMPORTANCIA DE LA MINERALOGÍA EN INGENIERÍA Comportamiento de algunos minerales en Ingeniería Mineral Cuarzo Calcedonia (>5%), ópalo (> 0,25%), cuarzo molido o muy fracturado, illita Clorita, sericita, vermiculita, talco, Serpentina Halita, Calcita Pirita, marcasita Yeso 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. En el proceso de fraguado del concreto estos minerales reaccionan con los álcalis de los cementos(na 2 O, K 2 O), liberados en la hidratación; se originan geles que provocan expansión y agrietamiento del concreto 1 en lo que se conoce como reacción álcali-sílica Minerales desleibles en presencia del agua Minerales solubles 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. Junto con otras sales puede producir dilatación y desintegración del concreto. Montmorillonita Haloisita y Alofana Expandible en presencia del agua 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 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. 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. 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 muy abrasivas lo cual encarece su perforación y excavación. 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. 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. 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. 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
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 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.
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. 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. 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) 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. En fundaciones y excavaciones debe investigarse la posible presencia de tubos o cavernas 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 los cementos causando el deterioro del concreto, en el caso de contener minerales reactivos como ópalo y calcedonia. 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. 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. 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 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 Bogotá- Villavicencio, 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 Bogotá- Villavicencio, por ejemplo)
Tabla I FÁBRICA DE LAS ROCAS CLASIFICACIÓN DE LAS ROCAS POR SU FÁBRICA Cristalina masiva (CM) Ejemplos: Granito Cuarcita Caliza cristalina Se clasifican en este grupo las rocas de cualquier origen, con cristales fuertemente entrabados. Entre las ígneas, las plutónicas son más uniformes en su calidad, con alta resistencia y mínima deformabilidad; las volcánicas (lavas y piroclástos) pueden poseer alta porosidad y su rango de calidad es variable 3. Entre éstas últimas las diabasas son muy 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 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.) 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 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. Clástica Consolidada (C Co) Ejemplo LUTITA o ROCA LODOSA 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.