The relationship between mechanical properties and gradual deterioration of microstructures of rock mass subject to freeze-thaw cycles

Relación entre las propiedades mecánicas y el deterioro gradual de la microestructura de la roca tras los ciclos de congelación-descongelación

En el ciclo de congelación y descongelación, la relación entre el deterioro de la microestructura de la roca y sus características mecánicas macroscópicas ha atraído un amplio interés de los investigadores. Con el objetivo de incorporar las pruebas del ciclo congelación y descongelación del canal de un túnel, en este estudio se evaluaron dos grupos de muestras de andesitas en diferentes estados bajo las condiciones de congelación a -40 ºC y de descongelación a 20 ºC. La detección del daño se realizó por el escaneo de resonancia magnética en el interior de la microestructura de las muestras de roca sujetas a diferentes ciclos de congelación y descongelación, y se analizó la relación entre las propiedades mecánicas de las muestras y el deterioro gradual de las microestructuras de la roca. Los resultados muestran una influencia evidente del ciclo de congelación y descongelación en el daño y deterioro de la estructura interna de los poros de la andesita y la fuerza compresiva uniaxial de la roca, mientras el módulo de elasticidad presenta una tendencia decreciente con el incremento de los ciclos aplicados. Después de 40 ciclos, la fuerza de las muestras de roca saturadas naturalmente cae en un 39,4 % (el equivalente a 69,4 MPa) y el módulo de elasticidad baja en un 47,46 % (equivalente al 3,27 GPa). Para las muestras saturadas por aspiradora, los cuarenta ciclos de congelación y descongelación llevan a un decrecimiento del 36,86 % (equivalente a 58,2 MPa) en la fuerza de la roca y una bajada del 44,85 % (equivalente a 2.83 GPa) en el módulo de elasticidad. Además, los resultados de la evaluación cuantitativa esclarecen la influencia sustancial de los ciclos de congelación y descongelación en el daño y deterioro de la estructura interna de la andesita. 

INTRODUCCIÓN

La expansión del agua durante el proceso de congelación y su contracción durante el proceso de descongelación en el interior de la masa rocosa es el factor principal de los daños por congelación-descongelación en los proyectos de ingeniería subterránea en zonas frías (Wen, 2013). Las diferencias de temperatura causadas por la alternancia de las estaciones inducen la repetición de los ciclos de congelación-descongelación del agua en el macizo rocoso, lo que provoca una enorme fuerza de expansión del volumen y da lugar a daños en el macizo rocoso (Javier, 2013). El fallo frágil macroscópico y el daño a la resistencia de la roca bajo los ciclos de congelación-descongelación son causados por la germinación, la expansión, el crecimiento y la conexión de muchas estructuras de microporos en la roca (Rostasy, 1980; Li, 2013).