Valutazione delle proprietà meccaniche della

Valutazione delle proprietà meccaniche della roccia
per mezzo dello sclerometro
O. Katz - Institute of Earth Sciences, Hebrew University, Israele
Z. Reches - Geological Survey of Israel, Israele
J.-C. Roegiers - Rock Mechanics Institute, University of Oklahoma, U.S.A.
Introduzione
Lo sclerometro è stato creato nel 1948 per eseguire prove non distruttive sulla durezza dei superficiale dei calcestruzzi [1], successivamente
fu utilizzato per valutare la resistenza delle rocce [2, 3]. Consiste di una massa calibrata spinta
contro una superficie dura con forzo mediante
una molla. Il pistone colpisce la superficie e la
massa rimbalza; il valore del rimbalzo della
massa viene misurato elettronicamente o per
mezzo di un ago scorrevole. Le letture dei rimbalzi sclerometrici vengono considerate
affidabili e ripetibili [4-6]. Questo tipo di valutazione rapida, non distruttiva e in situ dei parametri meccanici della roccia riduce le spese per
il prelievo dei campioni e per le prove di laboratorio. Infatti, i parametri meccanici possono essere definiti con un ampio numero di misurazioni in situ che definiscono in modo reale la
non omogeneità intrinseca della masse rocciose
[7].
Gli sclerometri sono utilizzati per valutare la
resistenza a compressione di calcestruzzi e rocce [2, 8, 11] per mezzo di correlazioni empiriche
tra le letture di impatto e la resistenza a compressione determinata con prove standard [2, 8,
11].
Questa Nota Tecnica amplia il numero di queste
correlazioni e vengono presentate nuove
correlazioni per sette diversi tipi di roccia tra le
letture di impatto e i loro valori di moduli di
Young misurati in laboratorio, la loro resistenza
a compressione uniassiale e la loro densità. Le
rocce studiate includono gesso tenero, rocce
calcaree, arenaria e rocce dure ignee, che coprono un’ampia gamma di elasticità delle rocce.
Queste nuove correlazioni sono già state utilizzate per uno studio dettagliato sul campo riguardanti le rocce degradate [7].
Analisi
Materiali e metodi
Sono stati analizzati sette tipi di roccia: gesso di
Maresha, calcare di Cordoba-Cream, arenaria di
Beres, calcare dell’Indiana, marmo di Carrara,
sienite di Gevanim e granito del monte Scott. La
provenienza e le caratteristiche di queste rocce
sono elencate nella tabella 1.
È stato utilizzato uno sclerometro digitale per
calcestruzzi, modello 58-C181/G, costruito da
Controls e con un’energia di impatto di 2.207
joule. Questo modello è conforme ai seguenti
standard: ASTM C 805, UNI 9189-88, BS 1881,
NF P18-417, DIN 1048, TSO/DIN 8045.
Le letture sclerometriche sono state eseguite su
campioni aventi le seguenti dimensioni: misura
NX (54 mm di diametro) per le carote di gesso
di Maresha, calcare di Cordoba-Cream, arenaria
di Beres, sienite di Gevanim e granito del monte
Scott; lastra di 40 mm di spessore di marmo di
Carrara e blocco di 100 mm di spessore di calcare Indiana. Ciascun campione è stato esaminato
Sclerometro digitale per calcestruzzi Controls modello 58-C181/G
al microscopio per cercare eventuali difetti allo
scopo di evitare di fare prove nelle vicinanze di
fratture o in presenza di materiale non omogeneo. In entrambe le geometrie, le superfici sottoposte a prove erano lisce e le prove con lo
sclerometro sono state eseguite attenendosi alle
“Recommended Procedures” indicate dalla
International Society for Rock Mechanics [9]. I
campioni a forma di carota sono stati messi in
un prisma a V di acciaio da 40 kg, mentre i campioni rettangolari sono stati addossati al lato piatto del prisma. Sono stati eseguiti dieci impatti
individuali su ciascun campione con uno spostamento minimo del punto di battuta. Questa
distanza garantisce che l’impatto avvenga su roccia non danneggiata. Non sono state accettate
prove che potevano causare rotture o altri danni
visibili. Il valore di impatto riportato nella presente nota è la media del 50% dei valori maggiori riguardanti 32-40 impatti individuali; le
medie e le deviazioni standard sono elencate in
tabella 2. I campioni di gesso di Maresha hanno
ceduto dopo alcuni colpi di sclerometro, e pertanto vengono utilizzate in questo studio solo le
prime sette letture.
Le proprietà meccaniche delle rocce prese in esame (modulo di Young e resistenza) sono state
ottenute da fonti diverse come indicato in tabella 2. La resistenza a compressione uniassiale e
il modulo di Young della sienite di Gevanim e
del granito del monte Scott sono stati misurati
presso il Rock Mechanics Insitute, Università
dell’Oklahoma, USA. Le densità del gesso di
Maresha, del calcaree di Cordoba-Cream,
dell’arenaria di Beres, del calcare dell’Indiana,
della sienite di Gevanim e del granito del monte
Scott sono state calcolate dal peso delle carote
essiccate al forno. La densità del marmo di
Carrara è conforme a quella dichiarata da
Carmichael [12].
Risultati: parametri di correlazione empirica
I valori meccanici ottenuti mostrano un’ampia
escursione delle proprietà misurate (tabella 2).
Il risultato sclerometrico (HR), compreso tra
23.9 e 73.4, corrisponde a moduli di Young compresi tra 2 e 76 GPa, la resistenza a compressione uniassiale varia da 11 a 259 MPa, e la densità
tra 1200 e 2650 kg m-3. I valori ottenuti e indicati nelle figure 1-3 sono stati usati per determinare le migliori correlazioni empiriche tra l’indice
di rimbalzo e le proprietà meccaniche. Le tre proprietà possiedono tre diverse relazioni con HR
(indice di rimbalzo), come indicato nelle equazioni 1-3 riportate sotto. Queste equazioni mostrano i parametri e il fattore di correlazione R
per il modulo di Young E (in GPa), la resistenza
a compressione uniassiale U (in MPa), e la densità D (in kg m-3). Il terzo termine sulla parte
destra di ciascuna equazione è l’errore standard
per la valutazione della variabile relativa.
ln (E) (in GPa) = - 8.967 + 3.091 * ln (HR) ±
0.101
(1)
(R2 = 0.994)
ln (U) (in MPa) = 0.792 + 0.067 * (HR) ± 0.231
(2)
2
(R = 0.964)
D (in kg m-3) = - 2874 + 1308 * In (HR) ± 164.0
(3)
(R2 = 0.913)
TABELLA 1
TABELLA 2
Applicazioni
Utilizzo dei valori di rimbalzo sclerometrico
Gli indici di rimbalzo riflettono una combinazione di proprietà delle rocce quali modulo elastico, resistenza, durezza, levigatezza della superficie, densità e cementazione. Nel presente
studio abbiamo rilevato buone correlazioni tra i
valori HR e tre specifiche proprietà della roccia:
il modulo di Young, la resistenza a compressione uniassiale e la densità (equazioni 1-3). Tuttavia, i valori HR mostrano anche una buona correlazione con una combinazione di varie proprietà
meccaniche, per esempio, la correlazione di HR
con il prodotto fra logaritmo della resistenza e
densità [2]. Inoltre HR potrebbe essere correlato
a parametri pratici quali la prestazione nello scavo di gallerie o con i valori di RQD. Abbiamo
anche rilevato che la valutazione quantitativa di
una specifica proprietà ottenuta dalle letture con
lo sclerometro richiede qualche precauzioni come
discusso più avanti.
Modulo di Young (GPa)
*
q
q
q
q
q
q
q
Marmo di Carrara
Calcare dell’Indiana
Granito del monte Scott
Calcare di Cordoba-Cream
Arenaria di Beres
Gesso di Maresha
Sienite di Gevanim
Indice di rimbalzo
Figura 1
Relazioni empiriche tra il rimbalzo sclerometrico e il modulo di Young. La linea spessa rappresenta
la migliore correlazione (equazione 1 nel testo). Le barre orizzontali indicano le deviazioni standard
delle battute sclerometriche; le fonti del modulo di Young sono elencate in tabella 2.
Condizioni in situ
Abbiamo usato lo sclerometro per un’indagine
in situ eseguita su una roccia di tipo intrusivo
composta di sienite quarzifera a grana sottile (simile al granito), a Ramon nel sud dell’Israele
[7]. In questo luogo sono state rilevate in dettaglio le proprietà e la struttura delle rocce all’interno di una regione con presenza di faglie. Le
misurazioni sul campo sono state eseguite su tre
tipi di superfici: superfici naturalmente degradate, superfici rocciose levigate a mano con la
pietra per levigature fornita dal costruttore dello
sclerometro (Controls S.r.L.) e superfici levigate con una molatrice elettrica. La levigatura rende liscia la superficie presa in esame in modo
efficiente, eliminando lo strato più esterno degradato e portando in superficie la roccia sana. I
valori e la ripetitività dei rimbalzi aumentano a
seconda della bontà della levigatura. Per sei prove
sul posto secondo l’ISRM [9], la deviazione
standard era di 5.57 ± 1.69 per le superfici naturalmente erose, di 3.80 ± 1.41 per le superfici
levigate a mano, e di 1.92 ± 1.34 per le superfici
levigate per mezzo della molatrice elettrica. Ovviamente, una levigatura più accurata migliorava decisamente la qualità delle misurazioni eseguite sul campo.
Un’altra precauzione da adottare sul campo è
quella di evitare la vicinanza a fratture che possono ridurre i valori delle letture HR dovuti a
spostamenti o vibrazioni. La misurazione effettuata su un campione di roccia isolato o degradato fornisce un valore di HR attendibile solo se
il peso del blocco è di qualche decina di chili o
maggiore.
Tipi di roccia
il logaritmo della resistenza a compressione
uniassiale al prodotto della densità a secco, D, e
il rimbalzo sclerometrico, HR, cioè:
log (U) – k (D HR)
dove k è una costante. Questi autori ottennero
due diverse curve, una per le arenarie e una per
le rocce sedimentarie, e arrivarono alla conclusione che i risultati variano a seconda del tipo di
roccia.
Resistenza uniassiale (MPa)
Riteniamo che le buone correlazioni osservate
in questo studio, e soprattutto l’adeguatezza del
modulo di Young (figura 1 ed equazione 1), indichino che le rocce utilizzate sono ben cementate ed elastiche. Le rocce poco cementate e friabili, che si disintegrano o spezzano sotto l’impatto del martello, forniscono correlazioni meno
attendibili. Questa differenza connessa al tipo
di roccia è stata dimostrata da Cargill e Shakoor
[2].
Essi analizzarono i dati relativi all’impatto
sclerometrico per 13 tipi di roccia e correlarono
Indice di rimbalzo
Figura 2
Relazioni empiriche tra i rimbalzi sclerometrici e la resistenza a compressione uniassiale. La linea
spessa rappresenta la migliore correlazione (equazione 2 nel testo); le barre orizzontali indicano le
deviazioni standard delle battute; le battute sono eseguite nel presente studio (vedi testo); la fonte
dei valori della resistenza sono elencate in tabella 2. Per la didascalia vedi figura 1.
Densità (kg/mÙ3)
Indice di rimbalzo
Figura 3
Relazioni empiriche tra i rimbalzi sclerometrici e la densità secca. La linea spessa rappresenta la
migliore correlazione (equazione 3 nel testo); le barre orizzontali indicano le deviazioni standard
delle battute; le battute e le misure della densità sono eseguite nel presente studio (vedi testo); la
densità del marmo di Carrara dopo [12]. Per la didascalia vedi figura 1.
Conclusioni
Sono state presentate le correlazioni empiriche
tra le battute sclerometriche e i valori misurati
in laboratorio del modulo di Young, la resistenza uniassiale e la densità secca (figure 1-3). Tali
correlazioni possono essere usate per valutare le
principali proprietà meccaniche sia in situ che in
laboratorio, tenendo però presenti le seguenti
precauzioni:
levigare la roccia con una molatrice elettrica
per i lavori sul campo; e
4. i blocchi isolati (o i blocchi degradati) possono essere sottoposti a prova se il peso della parte sana del blocco è almeno di qualche
decina di chili o maggiore.
1. la roccia che è stata sottoposta alle prove era
fissa e apparentemente elastica;
2. non è possibile sottoporre a prove significative le rocce che hanno la tendenza a disintegrarsi sotto l’impatto del martello o i campioni che si rompono sotto gli impatti;
3. le battute sclerometriche devono essere eseguite su superfici levigate; si raccomanda di
Lo studio in laboratorio è stato eseguito presso
il Rock Mechanics Institute, Università
dell’Oklahoma, Norman, grazie all’inestimabile aiuto e ai consigli di Gene Scott e Pete Keller.
Ringraziamenti vanno a Sankar Muhuri, Charles
Gilbert, Thomas Dewers e Yossef Hatzor che
hanno gentilmente fornito i campioni per questo
studio.
Riconoscimenti
Lo studio è stato sostenuto da un Fondo Internazionale della Hebrew University per la “cristallizzazione delle faglie”, dal Geological
Survey for Israel Project 30255, dai fondi Eberly
Family Chair del signor Charles Gilbert, e dal
Rock Mechanics Institute, Università
dell’Oklahoma, Norman.
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