Estudio experimental del comportamiento mecánico de bimrocas orientadas bajo ensayo de compresión diametral usando DIC

Por qué las rocas mezcladas importan en la vida cotidiana

Muchas laderas, túneles y cimientos no están excavados en roca continua y limpia. En su lugar, atraviesan terrenos desordenados formados por fragmentos de roca dura que flotan en un material más débil, de tipo «mortero». Estas rocas bloque‑en‑matriz, o bimrocas, pueden fallar de maneras inesperadas, lo que dificulta y encarece la construcción de infraestructuras seguras. Este estudio plantea una pregunta práctica con grandes consecuencias para la ingeniería: ¿cómo cambian la cantidad y la orientación de los bloques rígidos dentro de tales mezclas la forma en que se fisuran bajo tracción, y puede un ensayo de laboratorio común medir realmente su resistencia?

Rocas hechas de fragmentos

Las bimrocas se encuentran en todo el mundo, en deslizamientos, zonas tectónicas y flujos de detrito antiguos. Parecen un pudin rocoso: bloques de piedra resistentes de varios tamaños incrustados en una matriz mucho más débil y de grano fino. Los ingenieros a menudo simplifican esta complejidad ignorando los bloques y diseñando como si solo existiera la matriz blanda. Aunque esto puede parecer prudente, puede ser equívoco, porque los bloques desvían las fracturas y pueden reforzar o debilitar el terreno según cómo estén dispuestos. Una característica clave es la orientación de los bloques: si los ejes largos de los bloques se disponen mayormente verticales, horizontales o en ángulos intermedios, una «fibras» que refleja cómo se formó el material en la naturaleza.

Machacar discos de roca para revelar la resistencia oculta

Para investigar cómo el contenido y la orientación de los bloques afectan el comportamiento a tracción, los autores fabricaron bimrocas sintéticas en el laboratorio. Moldearon bloques ovalados de «roca» a partir de una mezcla fuerte de yeso‑cemento y los incrustaron de forma aleatoria en una matriz más débil y rica en polvo, controlando cuidadosamente el porcentaje de volumen ocupado por los bloques (de 0 a 50 por ciento) y alineando los ejes largos de los bloques a ángulos determinados respecto a la dirección de carga. A partir de estas mezclas cortaron probetas en forma de disco y las cargaron a lo largo del diámetro en un ensayo estándar «brasileño», donde la compresión en los bordes produce tracción en el interior del disco. Este método se usa ampliamente para estimar la resistencia a tracción de las rocas por su simplicidad.

Observar las grietas formarse en tiempo real

En lugar de fiarse solo de las lecturas de fuerza y de las probetas rotas, el equipo empleó correlación de imágenes digital, una técnica óptica que rastrea minúsculos movimientos superficiales entre miles de píxeles de imagen. Mediante la moteadura de las superficies de los discos y filmando los ensayos, reconstruyeron mapas completos de deformación—cuánto se estira cada zona—a lo largo de la carga. Estos mapas mostraron dónde se acumulaba la deformación local, dónde aparecían primero las grietas y cómo atravesaban o rodeaban los bloques incrustados. Los investigadores analizaron luego 87 ensayos estadísticamente, usando métodos de superficie de respuesta y análisis de varianza para separar la influencia de la proporción y la orientación de los bloques y captar sus efectos combinados y no lineales sobre la carga máxima que los discos podían soportar.

Cómo el contenido y la dirección de los bloques redefinen la fisuración

Los experimentos revelaron que incluso una pequeña cantidad de bloques altera drásticamente el comportamiento. Cuando no había bloques, el disco se comportó como predicen los manuales: la deformación se concentró en el centro y una sola grieta recta partió el disco a lo largo del diámetro cargado. En cuanto el 12,5 por ciento del volumen estuvo ocupado por bloques, la carga máxima cayó bruscamente y las grietas empezaron a preferir las interfaces entre bloques y matriz, las zonas más débiles de la mezcla. A contenidos mayores de bloques, la caída de resistencia se moderó, pero las trayectorias de las grietas se volvieron mucho más tortuosas. En lugar de iniciarse en el centro, a menudo lo hicieron en bordes de bloques o cerca de los puntos de carga y zigzaguearon alrededor de múltiples bloques. La orientación de los bloques controló además la resistencia: los discos con bloques alineados paralelos a la dirección de carga fueron los más débiles, mientras que aquellos con bloques rotados hacia lo horizontal resistieron cargas mayores, especialmente cuando había muchos bloques. Esto refleja cómo los largos límites bloque‑matriz se alinean—o dejan de alinearse—con los principales esfuerzos a tracción.

Cuando un ensayo estándar deja de ser fiable

Los mapas de deformación obtenidos por correlación de imágenes digital lanzan una advertencia para los ingenieros. La interpretación habitual del ensayo brasileño asume una única grieta central causada por una tensión interna bastante uniforme. En los experimentos, esa suposición solo se cumplió para la matriz pura. A medida que aumentó el contenido de bloques, las grietas comenzaron lejos del centro, y con un 50 por ciento de bloques se formaron y crecieron varias grietas a la vez, transformando el ensayo de una medición simple de material en una falla estructural compleja. En esas condiciones, el número que se informa como «resistencia a tracción» deja de representar una propiedad básica de la bimroca y pasa a depender del patrón particular de bloques en cada probeta.

Qué significa esto para túneles, taludes y el diseño

Para el público general, la conclusión es que las rocas mezcladas que contienen muchas piezas duras no fallan como materiales homogéneos, y un ensayo de laboratorio muy usado puede dar respuestas engañosamente simples. Este estudio muestra que la cantidad de bloques y, crucialmente, su dirección preferente controlan cómo se inician y propagan las grietas. Con altos contenidos de bloques, el ensayo brasileño se vuelve inválido para medir la verdadera resistencia a tracción; incluso con contenidos menores, los resultados dependen fuertemente del tamaño y la alineación de los bloques grandes. Los autores recomiendan que los proyectistas que trabajen en terrenos tan complejos utilicen estas ideas para interpretar los resultados con cautela, cartografíen la orientación de los bloques en campo y, cuando las condiciones sean muy heterogéneas, consideren ensayos de tracción directa alternativos cuando la seguridad dependa de estimaciones precisas de resistencia.

Cita: Rostamlo-Jooshin, R., Bahaaddini, M. & Khosravi, M.H. Experimental study of the mechanical behavior of oriented bimrocks under diametral compression test using DIC. Sci Rep 16, 9544 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40334-8

Palabras clave: bimrock, resistencia a tracción, ensayo brasileño, correlación de imágenes digital, ingeniería geotécnica