Efecto de la estructura del macizo rocoso en las expansiones anhidriticas

Abstract

Las expansiones en rocas anhidríticas a menudo dañan severamente las infraestructurasconstruidas en este tipo de formaciones geológicas. Los fenómenos de hinchamiento resultan de la precipitación de yeso en huecos y discontinuidades presentes en el macizo rocoso. El Trabajo Finalde Máster (TFM)investigaexperimentalmente el papel de la estructura delmacizo rocoso en el desarrollo de expansiones relacionadas con la presencia de anhidrita, en particular el efecto de la porosidad y la presencia de fallas y discontinuidades. Se han analizadoestudios previos de casos reales afectados por expansiones con el propósito de estudiar los mecanismos básicos de expansión en formaciones anhidríticas y conocer el procesode la precipitación de yeso. Estos estudios se basan en el reconocimiento y caracterización de la formación geológicaen la que seexcavóel túnel de Lilla y se cimentó el viaducto del Pont de Candí, y en investigar el estadode degradación de la roca del macizo.Seha desarrollado un trabajo delaboratoriobasadoen ensayos edométricos de expansión libre. Sehan ensayado muestras de roca arcillosa sulfatada preparadas con dos granulometrías diferentes: la primera con un tamaño de grano entre 9.51-12.7mm y la segundacon un tamaño de grano entre 1.18-2mm.El material granular seha obtenido de la trituración de testigo de roca procedentes de profundidades correspondientes a la capa activa expansiva bajodel túnel de Lilla.En los ensayos edométricos se han consideradotres variables de estudio: (i) condición de saturaciónde la muestra, (ii) condición de evaporacióndurante el ensayoy (iii)tipo deagua utilizada. Se ha analizado el desplazamiento, la deformación vertical, el índice de poros, la superficie específica y la porosidad.También,se han ensayado muestrasen recipientes transparentescon condiciones de ensayo similares a los edómetros.Los mecanismos que conducen al hinchamiento en rocas sulfatadasestán relacionados con:(i) disolución de anhidrita y precipitación de cristales de yeso, (ii) 6presencia deminerales expansivos.Debidoa la presencia de anhidrita hay un aumento en la concentración de sulfatosdisueltos en el agua. El agua en contacto con la anhidrita adquiereuna concentración de saturación mayor que la concentración de equilibriorespecto al yeso y precipita cristales de yeso. Se cree que el fenómeno de asiento observado en las muestras con una granulometría más gruesase presenta por una reacomodación de los granos yuna degradación del material.La observación en los recipientes transparentes sugiereque el crecimiento de los cristales se inicia sobre el mineral deyeso odela anhidrita expuestoy no en la matriz arcillosa. Se ha observadoque se ha desarrollado degradación de la matriz enalgunas partículas en las muestras con granosgruesos.Algunosgranos sedisgregaronperdiendo su forma y tamaño original. Mientras que las muestras fabricadas con partículas menoresytotalmente saturadas, las partículasse encuentran recubiertas de una capa decristales probablemente deyeso.Sorpresivamente,en las muestras que se permitió la evaporación, continúan creciendo cristales de yesodespués de la evaporación de toda elde agua libre en la muestra

Expansions in anhydritic rocks often severely damage infrastructures built in thesetypes of geological formations. The swelling phenomena result from the precipitation of gypsum in cavitiesand discontinuities present in the rockmass. The Final Master's Thesis(TFM) experimentally investigates the role of the rock mass structure in the development of expansions related to the presence of anhydrite, in particular,the effect of porosity and the presence of fracturesand discontinuities.Previous studies of real cases affected by expansions have been analyzed to study the basic mechanisms of swellingin anhydritic formations and to understandthe process of gypsum precipitation. These studies are based on the identificationand characterization of the geological formation whereLilla tunnel was excavated and the Pont de Candí viaduct wascemented, and on the investigation of the state of degradation of the rock.A laboratory work based on free swellingoedometric tests has been developed. Samples of sulfated clay rock prepared with two different granulometries have been tested: the firstwith a grain size between 9.51-12.7mm and the second with a grain size between 1.18-2mm. The granular material has been obtained from crushing therock core recovered in a borehole from depthscorresponding to the expansive active layer belowLilla tunnel.Three variables have been consideredin the oedometric testscampaign: (i) saturation condition of the sample, (ii) evaporation condition during the test and (iii) type of water used. Vertical displacement, vertical deformation, void ratio, specific surface and porosity have been analyzed.Also, several samples have been testedin transparent containers maintaining the testingconditions followed in oedometer tests. The mechanisms that leadto swelling in sulphated rocks are: (i) dissolution of anhydrite and precipitation of gypsum crystals, (ii) presence of expansive minerals. The presence of anhydrite leads toan increase in the concentration of dissolved sulphates in the water. The water in contact with the anhydrite acquires a higher saturation concentration than theequilibriumconcentration forgypsum and gypsum crystals precipitate. It is believed that the settlement phenomenon observed in the samples with a coarsergranulometry results froma rearrangement of the grains and a degradation of the material. The observation in the transparent containers suggests that the crystal growth begins on the exposed surface of gypsum or anhydrite mineralpresent in the rock and not onthe clay matrix.It has been observed that degradation of the matrix has developed in some particles in samples built with coarse grains. Some grains suffered disintegration, losing their original shape and size. While the samples built with fine grains, which are fully saturated, show the grainscovered with a layer of gypsum. Surprisingly, gypsum crystals continued to grow in samples that were allowed to evaporatewhen no morefree water exist in the sample.