EN
Identificación de las propiedades de las capas rocosas: resistencia a la compresión uniaxial (UCS), abrasividad e comportamiento de la formación
Relación entre la resistencia a la compresión uniaxial (UCS) y la abrasividad Cerchar con los límites de rendimiento de los dientes tipo bala
La UCS define el nivel de energía necesario para penetrar la roca. Las formaciones con una UCS superior a 200 MPa requieren una geometría especial de diente para evitar la rotura de la roca. El índice de abrasividad Cerchar (Cerchar ABR) define el carácter abrasivo de la roca. Las formaciones con contenido de cuarzo y un valor de ABR superior a 4 pueden provocar un desgaste del carburo tres veces mayor que el observado en lutitas blandas. Los siguientes límites de rendimiento se han establecido con base en datos recopilados en campo:
UCS < 50 MPa: los dientes cónicos estándar proporcionan una formación eficaz de virutas
UCS de 50 a 150 MPa: las puntas de carburo están reforzadas para soportar fracturas por compresión
UCS de 150 MPa: se requieren aleaciones avanzadas para ofrecer resistencia al microdescascaramiento
Estas propiedades son mecánicas y limitan la selección de los dientes. Los dientes que no se seleccionan correctamente provocarán una tasa de desgaste del 70 % y su vida útil se reducirá considerablemente (Tunneling Journal, 2023).
Mecanismos diferenciadores de desgaste en capas de esquisto, cuarcita, grava y suelo congelado
Existen múltiples formaciones geológicas que presentan sus propios mecanismos de desgaste:
Formación | Mecanismo de desgaste | Efecto sobre los dientes
Esquisto | Desgaste adhesivo por abrasión | Las puntas de carburo se redondean
Cuarcita | Abrasión por microcorte | Fractura de los bordes de los dientes y formación de surcos
Grava | Fragmentación por impacto | Fractura de los bordes de los dientes
Suelo congelado | Mecanismo de fatiga térmica | Fracturas debidas a la abrasión a −20 °C
La abrasión de naturaleza microcortante en la cuarcita y la fragmentación por impacto en la grava siguen un desgaste por impacto de carácter grueso. El suelo congelado presenta un mecanismo complejo debido a que el hielo congela un suelo mixto y genera una abrasividad por impacto de naturaleza mecánica gruesa. Es fundamental reconocer estos mecanismos, especialmente en zonas de transición, donde los patrones de desgaste se combinan y pueden incrementar el riesgo de fallo.
Selección de dientes tipo bala según geometría y composición material
Series cónica, BKH y BTK: geometría de los dientes tipo bala en relación con el comportamiento de la roca durante la fracturación y la carga sobre la roca
La geometría se vincula al comportamiento de la roca cuando se fractura. Cuando los dientes son cónicos, concentran la fractura, razón por la cual funcionan mejor al fracturar rocas que constituyen una masa sólida frágil y homogénea, como la pizarra. Aquí es donde resultan más eficaces para controlar la propagación de las fracturas. En el caso de capas intercaladas de cuarcita y pizarra, los dientes de la serie BTK, con base abocinada, ofrecen una mejor distribución de la carga sobre superficies de contacto más amplias y reducen las tensiones de carga puntual hasta en un 40 %, según estudios de campo. Las geometrías BKH están diseñadas para optimizar la evacuación de virutas mediante un borde de corte asimétrico y lograron una penetración un 18 %-22 % más rápida en estratos altamente abrasivos. Cuando la roca es uniforme, los dientes cónicos funcionan mejor; y cuando la roca presenta estratificación con distintos grados de carga lateral, los dientes de diseño BTK mantienen una eficiencia de corte del 92 %.
Carburo de tungsteno frente a carburo recubierto frente a acero aleado: evaluación de la resistencia al desgaste y la tenacidad al impacto para distintas condiciones del terreno
Elegir un material implica caminar sobre una cuerda floja para lograr un equilibrio entre resistencia al desgaste y tenacidad al impacto.
Tipo de material: más adecuado para, resistencia al desgaste, tenacidad al impacto, limitaciones
El carburo de tungsteno es el más duradero en rocas abrasivas, ofreciendo una vida útil 3,2 veces mayor en formaciones ricas en sílice. Sin embargo, su fragilidad representa un problema en entornos sometidos a cargas dinámicas. El acero aleado resulta el más eficaz en rocas fracturadas e inestables, con una excelente absorción de impactos, pero presenta una tasa de desgaste del 70 % en condiciones abrasivas. Según las pruebas de herramientas de excavación ASTM F2670, los dientes recubiertos de carburo ofrecen el mejor compromiso, ya que proporcionan el 85 % de la resistencia al desgaste del carburo de tungsteno y, al mismo tiempo, una absorción de impactos un 200 % mayor. En suelos helados, estas puntas reducen la adherencia del hielo en un 30 %, manteniendo su capacidad de conservar el filo a temperaturas bajo cero.
Dientes de bala validados en campo: desde la cartografía geológica hasta el rendimiento operativo
Los datos de ensayo de penetración estándar (SPT-N), ensayo de penetración de cono (CPT-qc) y descripción de sondeos se vuelven cruciales al seleccionar dientes de bala
La selección eficaz de dientes de bala se basa fundamentalmente en datos geotécnicos normalizados. El ensayo de penetración estándar (valor SPT-N) cuantifica la resistencia del suelo; el ensayo de penetración de cono (CPT-qc) cuantifica la resistencia en capas cohesivas en la punta, y la descripción de sondeos confirma el tipo de roca presente y la densidad a la que se fractura. Conjuntamente, estos datos permiten elaborar un modelo predictivo del desgaste y de las cargas por impacto, lo que posibilita una selección precisa basada en evidencias, en lugar de una implementación empírica por ensayo y error en estratos heterogéneos.
Evidencia de caso: aumento del 220 % en la vida útil con los dientes de bala BTK-47K en intercalaciones de cuarcita y esquisto en 12 proyectos de carreteras.
La validación operacional proporciona evidencia de los efectos reales en el mundo real del emparejamiento basado en datos. En 12 proyectos de carreteras que atravesaron formaciones intercaladas de cuarcita y esquisto, los dientes de bala BTK-47K superaron a otras alternativas con un aumento del 220 % en la vida útil. Este incremento fue consecuencia de la selección adecuada del grado de carburo, combinada con los valores medidos del índice de abrasividad Cerchar (Cerchar ABR) y la optimización geométrica de las transiciones entre capas. Los resultados obtenidos en numerosos proyectos realizados en distintos emplazamientos indican la fiabilidad y la amplia aplicabilidad de los modelos de selección basados en la geología regional.
Preguntas frecuentes
¿Qué es la resistencia a la compresión no confinada (UCS)?
La resistencia a la compresión no confinada es una medida de la cantidad de compresión que una roca puede soportar sin estar confinada. Es fundamental tener en cuenta la UCS para determinar los dientes de bala adecuados para la penetración.
¿Qué es el índice de abrasividad Cerchar (Cerchar ABR)?
Cerchar ABR es una medida de la abrasividad de las formaciones rocosas. Proporciona información sobre el desgaste potencial de las puntas de carburo. Las rocas ricas en cuarzo suelen tener un valor ABR más alto (4) y, por lo tanto, un mayor riesgo de desgaste.
¿Cuál es el rango de geometrías de los dientes tipo bala?
La geometría de los dientes tipo bala —cónica, serie BTK o serie BKH— está diseñada específicamente para distintas formaciones. Los dientes cónicos están concebidos para rocas frágiles; la serie BTK está diseñada para formaciones estratificadas, mientras que la serie BKH es la más adecuada para penetrar estratos más abrasivos.
¿Qué materiales se utilizan en los dientes tipo bala?
Los dientes tipo bala están fabricados con carburo de tungsteno, composiciones con punta de carburo o acero aleado. Cada material ofrece una ventaja distinta en cuanto a resistencia al desgaste, equilibrada frente a la resistencia al impacto.
¿Cómo se seleccionan los dientes tipo bala en función de los datos geotécnicos?
Se evalúan los valores SPT-N y los datos complementarios CPT-qc, junto con el registro de sondeos, para predecir los tipos de desgaste al que la roca someterá a los dientes, definiendo así el nivel de energía de impacto. Estos datos determinan la selección óptima del diente.
