11.1. Proprietățile tehnice ale rocilor

Intuiție

Descrierea petrografică spune ce este roca; proprietățile tehnice spun ce poate. Se măsoară simplu: o cântărești uscată și udă, o strivești, o îngheți și o dezgheți, o rostogolești într-un tambur cu bile. Fiecare încercare imită o solicitare din viața reală a pietrei.

Comportarea unei roci într-o lucrare de construcții depinde de compoziția mineralogică, de structura și textura ei (vezi Secțiunile 3.2–3.4), dar aceste caracteristici petrografice nu sunt suficiente pentru proiectare: este necesară cuantificarea prin proprietăți tehnice, obținute prin încercări de laborator standardizate, reproductibile și comparabile între surse diferite.

11.1.1. Proprietăți fizice: densitate, porozitate, absorbție de apă

Densitatea reală (\(\rho_r\)) este masa unității de volum de material solid, fără pori; densitatea aparentă (\(\rho_a\)) este masa unității de volum aparent, incluzând porii. Diferența dintre cele două densități reflectă porozitatea rocii. Se disting porozitatea totală \(n_t\) (raportul dintre volumul total de goluri și volumul aparent) și porozitatea deschisă \(n_o\) (numai porii interconectați, accesibili apei și determinabili prin saturare):

(11.1)\[ n_o = \frac{m_{sat} - m_{usc}}{\rho_w \, V_{ap}} \times 100 \ \ [\%] \]

în care \(m_{sat}\) este masa probei saturate cu apă, \(m_{usc}\) masa probei uscate la etuvă, \(\rho_w\) densitatea apei și \(V_{ap}\) volumul aparent al probei. Metodologia de determinare a densității reale, a densității aparente și a porozității pietrei naturale este standardizată prin (ASRO, 2007).

Absorbția de apă \(A_b\) exprimă masa de apă absorbită prin imersie raportată la masa probei uscate:

(11.2)\[ A_b = \frac{m_{sat} - m_{usc}}{m_{usc}} \times 100 \ \ [\%] \]

și se determină, pentru piatra naturală, la presiune atmosferică, conform (ASRO, 2008). Densitatea, porozitatea și absorbția condiționează direct alte proprietăți: rocile compacte, cu porozitate mică (granite, bazalte, andezite, calcare recristalizate) au, de regulă, rezistențe mecanice ridicate și durabilitate bună, în timp ce rocile poroase (tufuri, calcare poroase, unele gresii slab cimentate) sunt mai vulnerabile la îngheț–dezgheț și la atacul apelor agresive (Bell, 2007, Waltham, 2009). Legătura calitativă dintre porozitatea deschisă și rezistența la compresiune, pentru câteva familii de roci de construcție frecvent întâlnite, este ilustrată în Figura 11.1: pe măsură ce porozitatea crește, plaja rezistențelor coboară și se lărgește, rocile magmatice compacte (granit, bazalt, andezit) ocupând extrema rezistentă–puțin poroasă, iar calcarele poroase și tuful pe cea opusă.

Figura 11.1 Relația calitativă între porozitatea deschisă (scară logaritmică) și rezistența la compresiune uniaxială, pentru principalele familii de roci folosite în construcții; benzile marchează plaja de valori uzuale, nu date de laborator precise (după tendințe raportate în Bell, 2007, Waltham, 2009, simplificat).

11.1.2. Rezistența mecanică: compresiune, încovoiere, uzură

Rezistența la compresiune uniaxială (UCS, uniaxial compressive strength) este proprietatea mecanică de bază pentru piatra de construcție și pentru masivul de rocă; se determină pe epruvete cubice sau cilindrice de piatră naturală, între platanele unei prese, conform (ASRO, 2007) (Figura 11.2a):

(11.3)\[ R_c = \frac{F}{A} \]

unde \(F\) este forța de rupere și \(A\) aria secțiunii încărcate. Valorile uzuale variază de la câteva zeci de MPa (calcare poroase, tufuri, unele gresii) până la peste 200 MPa la granite, bazalte și andezite proaspete (Bell, 2007); pentru masivul de rocă (fisurat, cu discontinuități), rezistența echivalentă este mult mai mică decât cea a rocii intacte, așa cum se discută în criteriul de rupere Hoek–Brown (Hoek și Brown, 1997).

Pentru elementele de placare și pentru pavaje, unde solicitarea dominantă este de încovoiere sub sarcini concentrate (trafic pietonal, mobilier urban), se determină rezistența la încovoiere pe prisme sprijinite pe două reazeme, cu încărcare la mijlocul deschiderii (Figura 11.2b), conform (ASRO, 2007):

(11.4)\[ R_{tf} = \frac{3Fl}{2bh^2} \]

în care \(l\) este deschiderea între reazeme, iar \(b\) și \(h\) lățimea, respectiv înălțimea prismei.

Figura 11.2 Încercări mecanice standardizate pe piatră naturală și pe agregate: a) compresiune uniaxială (ASRO, 2007); b) încovoiere sub sarcină concentrată (ASRO, 2007); c) coeficient de sfărâmare Los Angeles (ASRO, 2020); d) coeficient de uzură micro-Deval (ASRO, 2011).

Pentru agregate, unde solicitarea dominantă este uzura mecanică prin frecare și impact (în beton compactat, în structura rutieră sau feroviară), se folosesc două încercări complementare (Figura 11.2c,d). Coeficientul Los Angeles (LA) cuantifică sfărâmarea prin impact și frecare a agregatului, într-un tambur rotativ cu bile metalice, conform (ASRO, 2020):

(11.5)\[ LA = \frac{5\,000 - m_{>1{,}6}}{50} \]

în care \(m_{>1{,}6}\) este masa (în grame) de material rămasă pe sita de 1,6 mm, după 500 de rotații ale tamburului cu 11 bile de oțel. Coeficientul micro-Deval (M\(_{DE}\)) măsoară uzura prin frecare umedă (agregat, bile de oțel de 10 mm și apă, într-un cilindru rotativ), conform (ASRO, 2011):

(11.6)\[ M_{DE} = \frac{500 - m_{>1{,}6}}{5} \]

Cu cât valorile LA și M\(_{DE}\) sunt mai mici, cu atât agregatul este mai rezistent la sfărâmare, respectiv la uzură; normele de produs impun plafoane ale acestor coeficienți, diferențiate pe categorii de utilizare (de exemplu, straturile de uzură ale îmbrăcăminților rutiere impun LA mai mic decât straturile de bază). Pentru agregatele destinate stratului de rulare al drumurilor, unde aderența pneu–carosabil depinde de menținerea în timp a rugozității suprafeței granulelor sub trafic, se determină suplimentar coeficientul de șlefuire accelerată (polished stone value, PSV), conform (ASRO, 2020).

11.1.3. Durabilitate: îngheț–dezgheț și alterabilitate

Apa din porii unei roci, la înghețare, își mărește volumul cu circa 9 %; presiunea de cristalizare a gheții în porii fini poate depăși rezistența la tracțiune a materialului, provocând microfisurare progresivă și, în timp, desprinderi de material (spalling) la suprafața pietrei expuse (Bell, 2007, Winkler, 1997). Rezistența la îngheț a pietrei naturale se evaluează prin cicluri repetate de îngheț–dezgheț controlat, urmate de determinarea pierderii de masă și de rezistență, conform (ASRO, 2010); rocile cu porozitate deschisă mare și pori fini (unele calcare, tufuri, gresii slab cimentate) sunt cele mai vulnerabile, în timp ce rocile compacte, cu porozitate mică (granite, bazalte proaspete, marmure fine) rezistă bine numărului de cicluri impus în normele de produs.

Alterabilitatea este proprietatea unei roci de a-și pierde, în timp, rezistența și coeziunea sub acțiunea combinată a agenților atmosferici (variații termice, apă, îngheț, dizolvare, oxidare) și, la scară geologică, este cauza principală a formării pământurilor din roca-mamă (vezi Secțiunea 2.4) și un factor predispozant important pentru instabilitatea versanților (Secțiunea 8.3). Rocile argiloase, marnoase și cele bogate în minerale ușor alterabile (feldspați, minerale feromagneziene) se degradează rapid la suprafață, în timp ce cuarțitele, granitele proaspete și calcarele compacte rezistă mult mai bine (Bell, 2007, Přikryl și Smith, 2007). Pentru rocile slabe, fisile sau argiloase, expuse la cicluri repetate de umezire–uscare (marne, argilite, șisturi argiloase), se folosește internațional încercarea de durabilitate la umezire–uscare (slake-durability test), propusă de Franklin și Chandra (1972): proba, sub formă de fragmente, este rotită într-un tambur cu sită, parțial imersat în apă, iar indicele de durabilitate se calculează din procentul de material rămas pe sită după unul sau mai multe cicluri; o rocă cu indice mic se dezagregă practic în teren la primul contact prelungit cu apa, ceea ce are consecințe directe asupra excavațiilor, taluzurilor și materialelor puse în terasamente.

Durabilitatea pietrei – de ce contează pe termen lung

O rocă poate avea rezistență mecanică ridicată în stare proaspătă și totuși să se degradeze rapid în operă, dacă porozitatea, mineralogia sau structura o fac vulnerabilă la îngheț, la dizolvare sau la alterare chimică. Alegerea greșită a pietrei de placare sau a agregatului – bazată exclusiv pe rezistența la compresiune inițială, fără verificarea durabilității – este o cauză frecventă de degradări premature ale fațadelor, pavajelor și structurilor de beton. Standardele europene de piatră naturală și de agregate ((ASRO, 2007, ASRO, 2010, ASRO, 2020)) impun tocmai această dublă verificare: performanță mecanică și comportare în timp, sub acțiunea agenților de mediu la care materialul va fi expus efectiv în exploatare.

11.1.4. Clasificarea rocilor pentru construcții

Spre deosebire de clasificarea petrografică (Secțiunile 3.2–3.4), clasificarea tehnică a rocilor pentru construcții se face pe destinație și pe cerințe de performanță, prin serii de standarde europene, transpuse ca standarde române (SR EN), aplicabile deopotrivă rocilor magmatice, sedimentare și metamorfice compacte, atât timp cât îndeplinesc cerințele fizico-mecanice impuse. Principalele familii normative sunt sintetizate în Tabelul 11.1.

Tabelul 11.1 Principalele standarde europene (versiuni române SR EN) pentru piatră naturală și agregate folosite în construcții.

Standard	Domeniu de aplicare
SR EN 12620	Agregate pentru beton (ASRO, 2008)
SR EN 13043	Agregate pentru mixturi bituminoase și finisarea suprafețelor rutiere/aeroportuare (ASRO, 2003)
SR EN 13242	Agregate din materiale nelegate sau legate hidraulic, pentru inginerie civilă și drumuri (ASRO, 2008)
SR EN 13450	Agregate pentru balast de cale ferată (ASRO, 2003)
SR EN 1341/1342/1343	Dale, pavele și borduri din piatră naturală pentru pavări exterioare (ASRO, 2012)
SR EN 1467/1469	Blocuri brute; plăci de placare din piatră naturală (ASRO, 2015, ASRO, 2022)
SR EN 771-6	Elemente pentru zidărie din piatră naturală (ASRO, 2016)
SR EN ISO 14689	Identificarea, descrierea și clasificarea geotehnică a rocilor (masiv de rocă) (ASRO, 2018)

Fiecare standard de produs precizează, pentru domeniul respectiv, plafoanele admise ale proprietăților descrise mai sus (densitate minimă, absorbție maximă, LA sau M\(_{DE}\) maxim, rezistență la îngheț etc.), diferențiate pe categorii de expunere și de trafic; alegerea corectă a categoriei, în funcție de destinația reală a lucrării, revine proiectantului, pe baza rezultatelor de laborator obținute pe probe reprezentative – prelevate, de regulă, din foraje de recunoaștere sau direct din front de carieră (Secțiunea 9.2).