Sclerometro digitale per calcestruzzi Controls modello 58-C181/G

Valutazione delle proprietà meccaniche della rocciaper mezzo dello sclerometro

Introduzione

Lo sclerometro è stato creato nel 1948 per ese-guire prove non distruttive sulla durezza dei su-perficiale dei calcestruzzi [1], successivamentefu utilizzato per valutare la resistenza delle roc-ce [2, 3]. Consiste di una massa calibrata spintacontro una superficie dura con forzo medianteuna molla. Il pistone colpisce la superficie e lamassa rimbalza; il valore del rimbalzo dellamassa viene misurato elettronicamente o permezzo di un ago scorrevole. Le letture dei rim-balzi sclerometrici vengono considerateaffidabili e ripetibili [4-6]. Questo tipo di valu-tazione rapida, non distruttiva e in situ dei para-metri meccanici della roccia riduce le spese peril prelievo dei campioni e per le prove di labora-torio. Infatti, i parametri meccanici possono es-sere definiti con un ampio numero di misura-zioni in situ che definiscono in modo reale lanon omogeneità intrinseca della masse rocciose[7].Gli sclerometri sono utilizzati per valutare laresistenza a compressione di calcestruzzi e roc-ce [2, 8, 11] per mezzo di correlazioni empirichetra le letture di impatto e la resistenza a com-pressione determinata con prove standard [2, 8,11].Questa Nota Tecnica amplia il numero di questecorrelazioni e vengono presentate nuovecorrelazioni per sette diversi tipi di roccia tra leletture di impatto e i loro valori di moduli diYoung misurati in laboratorio, la loro resistenzaa compressione uniassiale e la loro densità. Le

rocce studiate includono gesso tenero, roccecalcaree, arenaria e rocce dure ignee, che copro-no un’ampia gamma di elasticità delle rocce.Queste nuove correlazioni sono già state utiliz-zate per uno studio dettagliato sul campo riguar-danti le rocce degradate [7].

Analisi

Materiali e metodi

Sono stati analizzati sette tipi di roccia: gesso diMaresha, calcare di Cordoba-Cream, arenaria diBeres, calcare dell’Indiana, marmo di Carrara,sienite di Gevanim e granito del monte Scott. Laprovenienza e le caratteristiche di queste roccesono elencate nella tabella 1.È stato utilizzato uno sclerometro digitale percalcestruzzi, modello 58-C181/G, costruito daControls e con un’energia di impatto di 2.207joule. Questo modello è conforme ai seguentistandard: ASTM C 805, UNI 9189-88, BS 1881,NF P18-417, DIN 1048, TSO/DIN 8045.Le letture sclerometriche sono state eseguite sucampioni aventi le seguenti dimensioni: misuraNX (54 mm di diametro) per le carote di gessodi Maresha, calcare di Cordoba-Cream, arenariadi Beres, sienite di Gevanim e granito del monteScott; lastra di 40 mm di spessore di marmo diCarrara e blocco di 100 mm di spessore di calca-re Indiana. Ciascun campione è stato esaminato

O. Katz - Institute of Earth Sciences, Hebrew University, IsraeleZ. Reches - Geological Survey of Israel, Israele

J.-C. Roegiers - Rock Mechanics Institute, University of Oklahoma, U.S.A.

al microscopio per cercare eventuali difetti alloscopo di evitare di fare prove nelle vicinanze difratture o in presenza di materiale non omoge-neo. In entrambe le geometrie, le superfici sot-toposte a prove erano lisce e le prove con losclerometro sono state eseguite attenendosi alle“Recommended Procedures” indicate dallaInternational Society for Rock Mechanics [9]. Icampioni a forma di carota sono stati messi inun prisma a V di acciaio da 40 kg, mentre i cam-pioni rettangolari sono stati addossati al lato piat-to del prisma. Sono stati eseguiti dieci impattiindividuali su ciascun campione con uno spo-stamento minimo del punto di battuta. Questadistanza garantisce che l’impatto avvenga su roc-cia non danneggiata. Non sono state accettateprove che potevano causare rotture o altri dannivisibili. Il valore di impatto riportato nella pre-sente nota è la media del 50% dei valori mag-giori riguardanti 32-40 impatti individuali; lemedie e le deviazioni standard sono elencate intabella 2. I campioni di gesso di Maresha hannoceduto dopo alcuni colpi di sclerometro, e per-tanto vengono utilizzate in questo studio solo leprime sette letture.Le proprietà meccaniche delle rocce prese in esa-me (modulo di Young e resistenza) sono stateottenute da fonti diverse come indicato in tabel-la 2. La resistenza a compressione uniassiale eil modulo di Young della sienite di Gevanim edel granito del monte Scott sono stati misuratipresso il Rock Mechanics Insitute, Universitàdell’Oklahoma, USA. Le densità del gesso diMaresha, del calcaree di Cordoba-Cream,dell’arenaria di Beres, del calcare dell’Indiana,della sienite di Gevanim e del granito del monteScott sono state calcolate dal peso delle caroteessiccate al forno. La densità del marmo diCarrara è conforme a quella dichiarata daCarmichael [12].

Risultati: parametri di correlazione empirica

I valori meccanici ottenuti mostrano un’ampiaescursione delle proprietà misurate (tabella 2).Il risultato sclerometrico (HR), compreso tra23.9 e 73.4, corrisponde a moduli di Young com-presi tra 2 e 76 GPa, la resistenza a compressio-ne uniassiale varia da 11 a 259 MPa, e la densità

tra 1200 e 2650 kg m-3. I valori ottenuti e indica-ti nelle figure 1-3 sono stati usati per determina-re le migliori correlazioni empiriche tra l’indicedi rimbalzo e le proprietà meccaniche. Le tre pro-prietà possiedono tre diverse relazioni con HR(indice di rimbalzo), come indicato nelle equa-zioni 1-3 riportate sotto. Queste equazioni mo-strano i parametri e il fattore di correlazione Rper il modulo di Young E (in GPa), la resistenzaa compressione uniassiale U (in MPa), e la den-sità D (in kg m-3). Il terzo termine sulla partedestra di ciascuna equazione è l’errore standardper 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)(R2 = 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 combina-zione di proprietà delle rocce quali modulo ela-stico, resistenza, durezza, levigatezza della su-perficie, densità e cementazione. Nel presentestudio abbiamo rilevato buone correlazioni tra ivalori HR e tre specifiche proprietà della roccia:il modulo di Young, la resistenza a compressio-ne uniassiale e la densità (equazioni 1-3). Tutta-via, i valori HR mostrano anche una buona cor-relazione con una combinazione di varie proprietàmeccaniche, per esempio, la correlazione di HRcon il prodotto fra logaritmo della resistenza edensità [2]. Inoltre HR potrebbe essere correlato

a parametri pratici quali la prestazione nello sca-vo di gallerie o con i valori di RQD. Abbiamoanche rilevato che la valutazione quantitativa diuna specifica proprietà ottenuta dalle letture conlo sclerometro richiede qualche precauzioni comediscusso più avanti.

Indice di rimbalzo

Mod

ulo

di Y

oung

(G

Pa) *

Figura 1

Relazioni empiriche tra il rimbalzo sclerometrico e il modulo di Young. La linea spessa rappresentala migliore correlazione (equazione 1 nel testo). Le barre orizzontali indicano le deviazioni standarddelle battute sclerometriche; le fonti del modulo di Young sono elencate in tabella 2.

Condizioni in situ

Abbiamo usato lo sclerometro per un’indaginein situ eseguita su una roccia di tipo intrusivocomposta di sienite quarzifera a grana sottile (si-mile al granito), a Ramon nel sud dell’Israele[7]. In questo luogo sono state rilevate in detta-glio le proprietà e la struttura delle rocce all’in-terno di una regione con presenza di faglie. Lemisurazioni sul campo sono state eseguite su tretipi di superfici: superfici naturalmente degra-date, superfici rocciose levigate a mano con lapietra per levigature fornita dal costruttore dellosclerometro (Controls S.r.L.) e superfici leviga-te con una molatrice elettrica. La levigatura ren-de liscia la superficie presa in esame in modoefficiente, eliminando lo strato più esterno de-gradato e portando in superficie la roccia sana. Ivalori e la ripetitività dei rimbalzi aumentano a

q Marmo di Carraraq Calcare dell’Indianaq Granito del monte Scottq Calcare di Cordoba-Creamq Arenaria di Beresq Gesso di Mareshaq Sienite di Gevanim

seconda della bontà della levigatura. Per sei provesul posto secondo l’ISRM [9], la deviazionestandard era di 5.57 ± 1.69 per le superfici natu-ralmente erose, di 3.80 ± 1.41 per le superficilevigate a mano, e di 1.92 ± 1.34 per le superficilevigate per mezzo della molatrice elettrica. Ov-viamente, una levigatura più accurata migliora-va decisamente la qualità delle misurazioni ese-guite sul campo.Un’altra precauzione da adottare sul campo èquella di evitare la vicinanza a fratture che pos-sono ridurre i valori delle letture HR dovuti aspostamenti o vibrazioni. La misurazione effet-tuata su un campione di roccia isolato o degra-dato fornisce un valore di HR attendibile solo seil peso del blocco è di qualche decina di chili omaggiore.

Indice di rimbalzo

Res

iste

nza

unia

ssia

le (

MP

a)

Tipi di roccia

Riteniamo che le buone correlazioni osservatein questo studio, e soprattutto l’adeguatezza delmodulo di Young (figura 1 ed equazione 1), in-dichino che le rocce utilizzate sono ben cemen-tate ed elastiche. Le rocce poco cementate e fria-bili, che si disintegrano o spezzano sotto l’im-patto del martello, forniscono correlazioni menoattendibili. Questa differenza connessa al tipodi roccia è stata dimostrata da Cargill e Shakoor[2].Essi analizzarono i dati relativi all’impattosclerometrico per 13 tipi di roccia e correlarono

il logaritmo della resistenza a compressioneuniassiale al prodotto della densità a secco, D, eil rimbalzo sclerometrico, HR, cioè:

log (U) – k (D HR)

dove k è una costante. Questi autori ottennerodue diverse curve, una per le arenarie e una perle rocce sedimentarie, e arrivarono alla conclu-sione che i risultati variano a seconda del tipo diroccia.

Figura 2

Relazioni empiriche tra i rimbalzi sclerometrici e la resistenza a compressione uniassiale. La lineaspessa rappresenta la migliore correlazione (equazione 2 nel testo); le barre orizzontali indicano ledeviazioni standard delle battute; le battute sono eseguite nel presente studio (vedi testo); la fontedei valori della resistenza sono elencate in tabella 2. Per la didascalia vedi figura 1.

Den

sità

(kg

/mÙ

3 )

Indice di rimbalzo

Figura 3

Relazioni empiriche tra i rimbalzi sclerometrici e la densità secca. La linea spessa rappresenta lamigliore correlazione (equazione 3 nel testo); le barre orizzontali indicano le deviazioni standarddelle battute; le battute e le misure della densità sono eseguite nel presente studio (vedi testo); ladensità del marmo di Carrara dopo [12]. Per la didascalia vedi figura 1.

Conclusioni

Sono state presentate le correlazioni empirichetra le battute sclerometriche e i valori misuratiin laboratorio del modulo di Young, la resisten-za uniassiale e la densità secca (figure 1-3). Talicorrelazioni possono essere usate per valutare leprincipali proprietà meccaniche sia in situ che inlaboratorio, tenendo però presenti le seguentiprecauzioni:

1. la roccia che è stata sottoposta alle prove erafissa e apparentemente elastica;

2. non è possibile sottoporre a prove significa-tive le rocce che hanno la tendenza a disinte-grarsi sotto l’impatto del martello o i cam-pioni che si rompono sotto gli impatti;

3. le battute sclerometriche devono essere ese-guite su superfici levigate; si raccomanda di

levigare la roccia con una molatrice elettricaper i lavori sul campo; e

4. i blocchi isolati (o i blocchi degradati) pos-sono essere sottoposti a prova se il peso del-la parte sana del blocco è almeno di qualchedecina di chili o maggiore.

Riconoscimenti

Lo studio in laboratorio è stato eseguito pressoil Rock Mechanics Institute, Universitàdell’Oklahoma, Norman, grazie all’inestimabi-le aiuto e ai consigli di Gene Scott e Pete Keller.Ringraziamenti vanno a Sankar Muhuri, CharlesGilbert, Thomas Dewers e Yossef Hatzor chehanno gentilmente fornito i campioni per questostudio.

Lo studio è stato sostenuto da un Fondo Inter-nazionale della Hebrew University per la “cri-stallizzazione delle faglie”, dal GeologicalSurvey for Israel Project 30255, dai fondi EberlyFamily Chair del signor Charles Gilbert, e dalRock Mechanics Institute, Universitàdell’Oklahoma, Norman.

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