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COMPORTAMIENTO DE PRODUCTOS CONSOLIDANTES APLICADOS A PIEDRAS IMPREGNADAS DE SALES SOLUBLES. CAMBIO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y RESPUESTA A LOS FACTORES DE DETERIORO
CAPITULO 4 ESTUDIO EXPERIMENTAL
CAPÍTULO 4 ESTUDIO EXPERIMENTAL
COMPORTAMIENTO DE PRODUCTOS CONSOLIDANTES
APLICADOS A PIEDRAS IMPREGNADAS DE SALES SOLUBLES.
CAMBIO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y RESPUESTA A LOS
FACTORES DE DETERIORO
COMPORTAMIENTO DE PRODUCTOS CONSOLIDANTES APLICADOS A PIEDRAS IMPREGNADAS DE SALES SOLUBLES. CAMBIO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y RESPUESTA A LOS FACTORES DE DETERIORO
CAPITULO 4 ESTUDIO EXPERIMENTAL
Índice
4. ESTUDIO EXPERIMENTAL .................................................................................... 61
4.1. Introducción ......................................................................................................... 61
4.1.1. Estudios previos ............................................................................................. 61
4.1.2. Propuesta y evaluación de tratamientos ......................................................... 62
4.1.3. Programa de seguimiento ............................................................................... 63
4.2. Materiales pétreos objeto de estudio .................................................................. 63
4.2.1. Piedra de Santa Pudia .................................................................................... 63
4.2.2. Piedra de Montoro .......................................................................................... 66
4.3. Metodología de ensayos realizados en laboratorio ............................................. 69
4.3.1. Impregnación en sales .................................................................................... 69
4.3.2. Aplicación de tratamientos .............................................................................. 70
4.3.3. Porosidad y densidad ..................................................................................... 73
4.3.4. Velocidad de desorción de agua .................................................................... 74
4.3.5. Dureza ............................................................................................................ 75
4.3.6. Color ............................................................................................................... 76
4.3.7. Velocidad de ultrasonido ................................................................................ 78
4.3.8. Absorción de agua por capilaridad ................................................................. 81
4.3.9. Ensayo de alteración acelerada ..................................................................... 82
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61 CAPITULO 4 ESTUDIO EXPERIMENTAL
4. ESTUDIO EXPERIMENTAL
4.1. Introducción
Todo proyecto de restauración debe contener las actuaciones la metodología de las
actuaciones que vayan a realizarse sobre el monumento con respecto a su conservación. Las
improvisaciones que puedan surgir durante el transcurso de la obra, deben quedar reducidas al
mínimo y, en cualquier caso, deben quedar reflejadas en un informe final.
4.1.1. Estudios previos
Las actuaciones que se propongan en el proyecto serán las dictadas por los resultados
obtenidos en la etapa de estudios previos, cuya primera fase sería la de diagnóstico. En ella se
realiza la investigación de los factores de alteración, agentes causantes de los mecanismos
que han provocado una transformación en las propiedades de la piedra, lo que se manifiesta
como indicadores de alteración.
Los indicadores de alteración son las variaciones en la morfología macroscópica de la
piedra que presenta en el monumento. Esta fase es de gran valor a la hora de orientar la
selección de los tratamientos más adecuados y de definir los ensayos que deben realizarse
para evaluar el comportamiento del material después de ser tratado. Es importante que los
indicadores sean designados mediante la nomenclatura precisa.
La segunda parte se centra en la propuesta de medidas correctoras, estudiando el efecto
inhibidor que los posibles tratamientos puedan ejercer sobre las causas de deterioro.
El examen y descripción de las alteraciones debe comprender una observación detallada
del edificio, se han de extraer todos los conocimientos posibles acerca de los materiales que se
han empleado en su construcción. Esto se realiza a través del estudio de los archivos del
propio monumento, de los ayuntamientos, de arquitectos que han intervenido, fondos
fotográficos, trabajos de investigación anteriores, canteras de origen, restauraciones, etc.
Además, debe incluir un inventario de los tipos de piedra utilizados y el historial de tratamientos
a los que ha sido sometido.
Para determinar los factores de alteración es necesario conocer la naturaleza de la piedra y
el medio en el que se encuentra. Los factores de alteración (tal y como se comenta en el
capítulo 1 del presente Proyecto) pueden ser intrínsecos y/o extrínsecos. Los factores
intrínsecos dependen únicamente de las propiedades del material, éstos son:
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- Composición química.
- Composición mineralógica.
- Características petrográficas.
- Propiedades físicas, hídricas y mecánicas.
Los factores extrínsecos son:
- Climatología.
- Medio ambiente.
- Agentes biológicos.
- Otros (labrado de piedra, forma de colocación en la obra, cargas que recibe, etc.)
El paso siguiente a la determinación de los factores de alteración es el estudio de los
mecanismos de alteración que se producen en cada material. Éstos se investigan a través de
ensayos en los que las piedras son sometidas, de forma controlada, a factores de alteración.
Se entiende por mecanismo de alteración los procesos que se originan en la piedra cuando
sobre ella actúan los factores de alteración y que conducen a cambios en sus propiedades o
indicadores de alteración. Los principales mecanismos de alteración son:
- Abrasión externa.
- Cambio de volumen de piedra.
- Cambio de volumen de capilares y poros.
- Disolución de la piedra.
- Cambio en la composición química de la piedra.
- Actividad biológica.
4.1.2. Propuesta y evaluación de tratamientos
La segunda etapa en el proyecto es la propuesta y evaluación de tratamientos. Una vez
determinados los mecanismos de alteración se está en condiciones de realizar una propuesta
de tratamientos que se consideren adecuados, los cuales deberán ser estudiados a su vez
antes de su aplicación al monumento. Los tratamientos se centran en intentar devolver a los
materiales sus características originales y protegerlos del efecto de los agentes de deterioro.
Para ello se debe eliminar toda materia extraña a la piedra y reintegrarle sus propiedades. Así,
el tratamiento se descompone en las siguientes etapas:
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- Limpieza: eliminar el material depositado y el procedente de transformaciones
químicas.
- Eliminación de organismos: uso de biocidas.
- Consolidación: devolver la cohesión a la piedra.
- Hidrofugación: impedir la entrada de agua líquida en la piedra.
4.1.3. Programa de seguimiento
Como última etapa del proyecto se debe tener previsto un programa de seguimiento
general del edificio y, específicamente del comportamiento de los materiales tras la
intervención. El programa de seguimiento se basa en inspecciones periódicas del edificio,
realizando algunas determinaciones in situ que permitan cuantificar el estado de los materiales
tratados con objeto de corregir las alteraciones que se vayan produciendo en las etapas
iniciales y de proporcionar información para futuras intervenciones en el mismo edificio o en
otros de características y condiciones similares.
4.2. Materiales pétreos objeto de estudio
A continuación se describen brevemente las dos piedras objeto de estudio:
4.2.1. Piedra de Santa Pudia
La calcarenita de Santa Pudia (conocida también con el nombre de Piedra Franca) es, sin
duda, el material de construcción más utilizado en las edificaciones monumentales de Granada
(España). La Catedral, el Palacio de Carlos V en la Alhambra, el Monasterio de San Jerónimo,
el Hospital Real y la Real Chancillería son algunos de los monumentos más emblemáticos de la
ciudad que están construidos con esta roca sedimentaria.
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FIGURA 4.1. CATEDRAL DE GRANADA
FIGURA 4.2. PALACIO DE CARLOS V (ALHAMBRA)
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El hecho de ser un material tan ampliamente empleado en el patrimonio arquitectónico ha
originado que haya sido estudiado en los aspectos que se refieren a su mineralogía, textura y
propiedades físico-mecánicas. Se trata de una calcarenita bioclástica de edad Tortoniense rica
en fragmentos de moluscos, equinodermos y foraminíferos. La matriz carbonatada es
microesparítica y ocasionalmente presenta calcita secundaria. Otros componentes de carácter
minoritario son el cuarzo, la biotita y los feldespatos. Texturalmente es un material muy poroso,
ya que suele alcanzar, y en algunos casos puntuales sobrepasar, el 30% de espacios vacíos en
muestras recogidas en monumentos, con una cohesión escasa y presentar una resistencia a la
compresión uniaxial de 13 MPa determinada de acuerdo con la norma UNE 22-185-85. Muestra
una gran sensibilidad al deterioro producida por fenómenos de contaminación, especialmente
del tráfico, y por las rígidas condiciones climáticas que padece Granada, con fuertes
oscilaciones térmicas diarias y estacionales, inviernos con temperaturas mínimas acusadas y
veranos muy calurosos. En efecto, si se comparan muestras de cantera no alteradas con otras
procedentes de los monumentos, se observan importantes diferencias a nivel textural que se
manifiestan con sustanciales modificaciones tanto en el rango de distribución de poros como en
el incremento de la porosidad. (Carlos Rodríguez Navarro, 1994)
Los materiales calcareníticos explotados en la depresión de Granada son
fundamentalmente aquellos que afloran en el borde sur de la misma, en el término municipal de
Escúzar. En esta área se encuentra el llamado Cortijo de Santa Pudia, que históricamente ha
sido considerado la zona extractiva más importante. En ella se encuentran dos grandes
canteras de piedra franca (calcarenita):
- La Escribana: situada en el cortijo de la Escribana, al sur de Escúzar, en la falda de
la llamada Loma de Charcapiedra, constituye en la actualidad el mayor afloramiento
de calcarenita de la zona.
- Las Parideras: afloran al noroeste de la cantera de la Escribana, siempre en la zona
llamada Cortijo de Santa Pudia, otra serie de bancos calcareníticos claramente
diferenciados de los anteriores por su textura, tamaño y elevada heterogeneidad.
Debido a las variaciones que sufre la calcarenita de Santa Pudia en su textura y en sus
propiedades físicas una vez puesta en obra, es necesario conocer qué productos de
tratamiento son los más compatibles con este material de construcción y en qué medida
mejoran su durabilidad. Se pretende en este trabajo, por tanto, determinar el grado de
efectividad de diversos productos consolidantes sobre muestras de piedra de cantera
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previamente alteradas en el laboratorio, con el fin de que se asemejen a las que se encuentran
en los edificios históricos.
4.2.2. Piedra de Montoro
La arenisca roja de Montoro, conocida popularmente como piedra “molinaza”, es un
material que tradicionalmente ha sido empleado para la construcción en la comarca del Alto
Guadalquivir Cordobés. La roca se presenta en estratos de calidad variada, aunque el tipo de
roca más abundante y empleado para la construcción en la zona, es el estudiado en el
presente trabajo. A través de los siglos, esta tipología ha sido seleccionada para la
construcción por el saber popular, debido a sus propiedades mecánicas. Los estratos de
“molinaza”, no presentan mucha potencia, y a veces contienen intercalaciones de lechos
arcillosos. La misma recibe esta denominación al parecer por su uso en molinos, almazaras y
otros edificios destinados a la transformación del aceite.
Consiste en una piedra arenisca de Trías de Bundtsandstein (Era Secundaria), o arcosas
potásicas1 compuesta por arcilla, feldespato, cuarzo y óxido de hierro, de color rojizo, que varía
de intensidad con respecto a la cantera de la que proceda, es de fácil labra y muy común en la
zona de la Sierra de Adamuz y Montoro, donde tradicionalmente se han explotado numerosas
canteras. (Julio A. Clementson Lope, 2009)
La piedra molinaza presenta diversos afloramientos que se localizan en distintas
localidades de la comarca del Alto Guadalquivir. En el caso de Montoro se pueden delimitar los
más importantes, partiendo de que la propia localidad se levanta sobre un afloramiento de
molinaza. Los principales afloramientos se sitúan entre los terrenos comprendidos por el arroyo
Conejero y el río Arenoso, al noroeste de Montoro. Otro espacio importante fue la zona de
Santa Brígida donde, actualmente, ha desaparecido la explotación de este material, debido al
agotamiento de la piedra. Actualmente la principal cantera de esta zona se localiza al noreste
de Montoro en la zona comprendida por la carretera que va de Montoro a Adamuz y la vía que
se dirige a Cardeña, a unos 5 kilómetros de la localidad montoreña. Se extrae una piedra de
buena calidad destinada a solerías, empiedros de molinos, sillares para la construcción o para
restauración de edificios de patrimonio.
1 Las arcosas responden a una denominación de las areniscas dada por la composición mayoritaria de feldespato, potasio y cuarzo, generalmente de color rojizo, rosáceo o gris.
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67 CAPITULO 4 ESTUDIO EXPERIMENTAL
Esta piedra, al ser una arenisca, presenta una composición de partículas arcosas y arcillas
que tienen cierta facilidad a desprenderse en forma de polvo. Los principales problemas de
deterioro son la arenización y la alveolización. La arenización es una alteración de la zona
superficial pasando ésta a ser una masa sin consistencia que se desprende con cierta facilidad,
lo que ocasiona la pérdida de estabilidad para acabar deshaciéndose. La alveolización
responde a una alteración caracterizada por una disgregación pulverulenta localizada, debida a
la presencia de diferentes sales higroscópicas, y a las variaciones higrométricas formándose,
por ello, cavidades u orificios que confieren a la piedra un aspecto de colmena interconectada.
La presencia de la piedra molinaza como material constructivo no sólo debe ceñirse a la
Mancomunidad del Alto Guadalquivir, sino que también se expande por las provincias de Jaén
y Málaga. Dentro de la Mancomunidad del Alto Guadalquivir se puede encontrar en los
siguientes municipios:
- Adamuz: Parroquia de San Andrés, Torre del Reloj y otras viviendas señoriales.
- Bujalance: Torre de la Parroquia de la Asunción, Iglesia de San Francisco o
Parroquia de San Bartolomé.
- El Carpio: Iglesia Parroquial de la Asunción, Ermita de San Pedro, Palacio ducal de
los Marqueses del Carpio o el Molino de San Fernando.
- Montoro: la mayoría de las construcciones histórico-artísticas del pueblo están
realizadas en molinaza, entre otras, la Iglesia de Santa María de la Mota, Parroquia
de San Bartolomé, Iglesia de Santiago, Parroquia del Carmen, Iglesia de San Juan
de Letrán, Ayuntamiento, Puente de las Donadas o Ermita de la Virgen de la
Fuensanta.
- Pedro Abad: Parroquia de la Asunción y Santuario del Santo Cristo de los
Desamparados.
- Villa del Río: Parroquia de la Inmaculada Concepción, Ayuntamiento y Casa Palacio
del Marqués de Blancohermoso.
- Villafranca de Córdoba: Ermita de Nuestra Señora de las Angustias.
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FIGURA 4.3. PARROQUIA DE SAN BARTOLOMÉ (MONTORO)
Uso en otras provincias:
- Jaén: se localiza el empleo de la piedra molinaza en pueblos como Andújar (Puente
Romano o Puente Viejo, Iglesia de la Asunción y Torre del Reloj), en Linares
(Santuario de Linarejos, Casa Museo de Andrés Segovia y Casa Pajares), en
Guarromán (Iglesia de la Inmaculada Concepción), en Santiesteban del Puerto
(Iglesia de Santa María del Collado), en Baños de la Encina (murallas del Castillo de
Bury Al-Hamma) y en Marmolejo (Puente junto al Balneario).
- Málaga: cabe destacar su empleo en la Catedral.
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FIGURA 4.4. FACHADA CASA MUSEO ANDRÉS SEGOVIA (LINARES)
4.3. Metodología de ensayos realizados en laboratorio
La metodología seguida en este Proyecto se puede resumir en las siguientes fases:
1. Impregnación en sales (alteración) de la mitad de las probetas de cada cantera.
2. Aplicación de dos tipos de tratamientos consolidantes a probetas alteradas con sales y
a probetas no alteradas.
3. Estudio de las propiedades físicas, hídricas y mecánicas de cada tipo de muestras, a
saber, probetas alteradas con sales, tratadas y sin tratar, y probetas sin alterar, tratadas
y sin tratar.
4. Envejecimiento acelerado de las muestras y evaluación de los cambios más
significativos en sus propiedades mecánicas.
4.3.1. Impregnación en sales
Uno de los objetivos finales de impregnar en sales las muestras es el de poder comparar
los efectos de los tratamientos según las probetas tengan o no sales en el interior de sus poros.
Las probetas se reciben directamente de cantera, por tanto, el contenido en sales de las
mismas es muy pequeño.
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La mitad de las probetas se sumergen en una solución de sulfato sódico (Na2SO4) al 10%
en peso durante varios días, la otra mitad se mantiene intacta. Posteriormente se extraen de la
solución y se dejan secar controlando el peso hasta que éste sea aproximadamente constante
(se asume que están totalmente secas). Periódicamente se limpia por cepillado la superficie de
las muestras para desprender la sal acumulada con el objetivo de evitar el taponamiento de los
poros y permitir la salida de las sales.
4.3.2. Aplicación de tratamientos
Los tratamientos han sido seleccionados atendiendo a sus propiedades primarias y
secundarias. Aparte de estas propiedades, se han tenido en cuenta la siguiente relación de
condiciones:
- Productos de bajo peso molecular: adecuado para materiales con numerosos
capilares finos.
- Productos resistentes a condiciones elevadas de pH: hormigones y morteros
nuevos.
- Productos con acción fungicida: en lugares umbríos.
El tratamiento, en la aplicación real, puede ser aplicado con brocha o por pulverización, sin
embargo, se obtienen mejores resultados aplicando el tratamiento por inmersión ya que el
producto penetra en mayor cantidad y más homogéneamente.
Las propiedades más importantes y recomendaciones sobre los productos seleccionados
según los fabricantes se exponen a continuación:
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TEGOVAKON V 100
Composición química: Silicato de etilo.
Contenido en principios activos: 75% (peso).
Catalizador: Ácido clorhídrico.
Densidad (g/cm3, 25ºC): 0,9.
Punto de inflamación: 13ºC.
Color: Incoloro a amarillo transparente.
Aplicación: La piedra debe estar limpia y seca. El producto debe aplicarse con brocha o
espray, con tiempo seco y temperatura de 10ºC a 20ºC. Polimeriza en la piedra dando SiO2, gel
y etanol como subproducto.
Efecto: Sólo como consolidante.
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ESTEL 1000
Composición química: Ésteres Etílicos del Ácido Silícico disueltos en Aguarrás Mineral.
Principio activo: Tetra-etil-orto-silicato.
Contenido en principios activos: 75%.
Solvente: White Spirit D40.
Viscosidad (cp, 20ºC): 4,9.
Densidad (kg/l): 0,95.
Residuo seco: 35%.
Aplicación: Apto para todo tipo de soporte mineral absorbente. La superficie a tratar debe
estar seca, limpia, sana de eventuales eflorescencias de sales y la temperatura atmosférica
debe estar comprendida entre 10ºC y 25ºC. La superficie a tratar no debe estar expuesta a la
radiación directa del sol durante al menos 24 horas. El producto se puede aplicar por inmersión,
con brochas o con rociado a baja presión (0,5 bar máximo). El material a tratar debe saturarse
completamente hasta el rechazo del producto consolidante, de manera que se alcance el
núcleo sano. Estel 1000 completa su reacción después de aproximadamente 4 semanas con
temperatura ambiente de 20ºC y humedad relativa del 40-50%.
Efecto: Los esteres etílicos del Ácido Silícico reaccionan con la humedad atmosférica y se
transforman en gel de sílice y alcohol etílico. Este producto no genera subproductos
secundarios perjudiciales, es uniformemente absorbido por la piedra y alcanza todo el material
alterado, uniéndolo a la parte sana más interna, deja el material tratado permeable al vapor de
agua, deja inalterado el aspecto exterior de la piedra, evitando formaciones de manchas o de
películas brillantes y amarillea bajo la acción de los rayos ultra violeta.
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73 CAPITULO 4 ESTUDIO EXPERIMENTAL
Tenemos pues, tres grupos diferenciados de probetas, a saber, sin tratar, tratadas con
Tegovakon y tratadas con Estel. Cada uno de estos grupos de piedras está compuesto por diez
probetas extraídas de la cantera de Santa Pudia (cinco impregnadas previamente en sales y
las otras cinco no) y otras diez que provienen de la cantera de Montoro (cinco con sales y cinco
sin sales).
Tras la aplicación de los tratamientos, el siguiente paso a seguir es controlar el peso de las
probetas periódicamente hasta que lleguen a un valor constante, obteniendo así información de
la ganancia de peso experimentada y del tiempo que tarda en secar cada tratamiento. El peso
total de las probetas puede disminuir debido a una disminución en la humedad interna debida,
probablemente, a las condiciones climatológicas (coincidencia con días calurosos).
Los datos correspondientes a la variación en el peso de las probetas tras la aplicación de
los tratamientos se encuentran reflejados en la Tabla 1 y la Tabla 2 del Anexo.
4.3.3. Porosidad y densidad
La porosidad es determinada mediante el método de saturación de agua a vacío detallado
en el Capítulo 3 del presente Proyecto. Así, las probetas una vez secas se introducen en un
desecador en el que se hace vacío hasta la presión de 20 mmHg durante aproximadamente 5
horas. Conectado al mismo, se encuentra otro desecador que contiene agua destilada para
desairearla. Pasado el tiempo de vacío, se deja que el agua, libre de aire, penetre en el
desecador que contiene las probetas manteniendo el vacío de tal forma que la velocidad de
llenado sea de 1 cm / 5 min hasta sumergirlas completamente. Cuando las probetas están
totalmente cubiertas, se deja de hacer vacío hasta que se restablezca la presión atmosférica.
Las muestras se mantienen sumergidas durante aproximadamente 48 horas para
posteriormente proceder a las pesadas al aire y sumergidas.
Este ensayo se realiza tanto a las probetas tratadas como a las probetas sin tratar para la
posterior comparación de los resultados de porosidades antes y después del tratamiento
correspondiente.
La porosidad se calcula según la siguiente fórmula:
Porosidad % = Vporos
Vprobeta ·100
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74 CAPITULO 4 ESTUDIO EXPERIMENTAL
Donde Vporos es el volumen de poros y Vprobeta es el volumen de la probeta. El volumen de
poros se obtiene de calcular el volumen de agua que tras la saturación a vacío se ha
introducido en cada probeta, siendo:
Vporos cm3 = (Msat-Mseca) (g)
Donde Msat es el peso de la probeta saturada de agua y Mseca es el peso de la probeta seca.
Para los cálculos de densidad se usa la expresión:
Densidad gcm3 =
Mseca
Vprobeta
Los datos correspondientes a la porosidad y densidad de las probetas estudiadas se
encuentran reflejados en la Tabla 3 y Tabla 4 del Anexo.
4.3.4. Velocidad de desorción de agua
Al igual que para el ensayo de porosidad, para el cálculo de la velocidad de desorción de
agua se saturan las probetas en el desecador haciendo vacío previamente. Una vez saturadas
de agua, se colocan sobre una rejilla para dejar secar libremente todas las caras de las
probetas. Éstas se pesan a intervalos definidos de tiempo y se calcula el incremento de peso
con respecto del peso seco de la muestra para cada instante de tiempo t según las siguientes
expresiones:
∆M t % = M t - Mseca
S ( mg
cm2 )
∆M t (%)= M t - Mseca
Mseca ·100
Siendo S la superficie de evaporación del agua, M(t) el peso de la probeta en cada instante
de tiempo t y Mseca el peso de la probeta inicial.
La velocidad de desorción de agua de las probetas indica la capacidad de “respiración” del
material. Este ensayo se realiza tanto a las probetas tratadas como a las probetas sin tratar
para la posterior comparación de los resultados antes y después del tratamiento
correspondiente.
Los datos correspondientes a la pérdida de peso determinada para el cálculo de la
velocidad de secado se encuentran reflejados en la Tabla 5 y Tabla 6 del Anexo.
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75 CAPITULO 4 ESTUDIO EXPERIMENTAL
4.3.5. Dureza
El ensayo de dureza realizado es el ensayo de dureza Brinell. En el mismo, una bola de
cierto diámetro (5 mm en este caso) presiona la superficie de la probeta usando una carga fija
previamente definida (30 kg en el ensayo) con un tiempo de aplicación de la fuerza de entre 2 a
8 segundos. Tras la aplicación de la carga se mide el diámetro de penetración de la bola en la
probeta. El valor de la dureza Brinell se obtiene de dividir la fuerza aplicada entre el área del
casquete esférico insertado. La dureza de las probetas dependerá de la dureza intrínseca de
los componentes del material, de la distribución y características del cementante y de la
porosidad de la zona superficial de la probeta.
La dureza se mide en tres caras de cada probeta, perpendiculares entre sí con objeto de
determinar si la dureza cambia en cada dirección o si depende de la dirección de los estratos o
fisuras. En cada cara se realizan cinco medidas, tal y como indica la Figura 4.5, siendo el valor
de la dureza el promedio de todas las medidas.
FIGURA 4.5. LOCALIZACIÓN DE LAS MEDIDAS DE DUREZA
Los datos relacionados con el ensayo de dureza quedan reflejados en la Tabla 7 y la Tabla
8 del Anexo.
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76 CAPITULO 4 ESTUDIO EXPERIMENTAL
4.3.6. Color
El color queda definido por tres características fundamentales: tonalidad, claridad y
saturación. Como se expresa en el Capítulo 2, estas características se pueden definir según
tres sistemas distintos:
- Sistema Munsell
- Sistema triestímulo
- Sistema L*a*b*
Para la realización de las medidas de color en este Proyecto se usa el sistema de color
CIEL*a*b* recomendado por la Comisión Internacional de L’Eclariege, donde las coordenadas
son:
- L*: eje vertical que representa la luminosidad, variando desde el negro en la parte
inferior con un valor de cero hasta el blanco en la parte superior con un valor de
100.
- a*: tendencia al verde (-) o rojo (+), variando entre -120 y 120.
- b*: tendencia al azul (-) o amarillo (+), variando entre -120 y 120.
En el caso del material pétreo, cuanto mayor sea la superficie de medida, más
representativos serán los valores obtenidos ya que, para este tipo de material, las superficies a
medir son heterogéneas y presentan irregularidades.
Por esta razón se elige el colorímetro Minolta, modelo CR-210, que tiene un diámetro del
tubo de medida de 53 mm (uno de los mayores del mercado). El colorímetro posee una
lámpara de Xenon que proporciona luz difusa sobre la superficie de las muestras y seis
fotocélulas de silicio de alta sensibilidad, filtradas para dar respuestas más ajustadas. Estas
fotocélulas, junto con el sistema de realimentación por doble rayo del medidor, se usa para
medir la luz incidente y reflejada.
Si bien el tubo de medida del colorímetro es de 53 mm, la arista de las probetas objeto de
estudio es de 50 mm. Por ello, y para que la medición de color sea representativa de la
muestra, hay que adaptar el colorímetro. En el método puesto a punto por F. Arroyo (ver
bibliografía), se comprueba que la utilización de plantillas para adaptar el tamaño del tubo de
protección a la superficie a medir presenta una relación lineal entre la medida con plantilla y la
medida sin plantilla. Dependiendo del color de plantilla elegido, esta relación es más o menos
fuerte, de esta forma, las plantillas negras son las que mejor factor de correlación tienen con
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77 CAPITULO 4 ESTUDIO EXPERIMENTAL
respecto a las medidas reales. Otro punto importante es el tamaño de orificio de la plantilla, ya
que al disminuir la abertura de las mismas, aumenta el error cometido en la medida al usar la
correlación. Por tanto, hay que elegir el diámetro de orificio de plantilla que más superficie de la
muestra deje libre.
Las ecuaciones de transformación de las medidas con plantilla a las medidas de color real
se calculan según la siguiente metodología:
1. Se elige el color de plantilla y tamaño de orificio que mejor se adapten a las muestras
objeto de estudio.
2. Se utilizan tres cartulinas como muestras patrón o muestras de referencia (rojo, amarillo
y azul).
3. Se realizan tres medidas de color sobre cada una de las muestras de referencia sin el
uso de las plantillas.
4. Se realizan tres medidas de color sobre cada una de las muestras de referencia con el
uso de las plantillas.
5. Se calculan las rectas de transformación para cada una de los parámetros L*, a* y b*,
obteniendo las ecuaciones de correlación deseadas.
Los datos usados para obtener las correlaciones quedan expuestos en la Tabla 9 del
Anexo.
Una vez obtenidas las ecuaciones de correlación, se comienza a medir el color en las
muestras deseadas. Las medidas de color se realizan sobre las probetas tanto tratadas como
sin tratar. De cada muestra se hacen tres medidas con las plantillas, en la forma que se indica
en la Figura 4.6 en tres caras perpendiculares entre sí obteniéndose para cada medida los
valores de las coordenadas L*, a* y b*. Siendo éstos los valores promedio de las tres medidas
en una cara.
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78 CAPITULO 4 ESTUDIO EXPERIMENTAL
FIGURA 4.6. PROCEDIMIENTO DE LA MEDIDA DE COLOR EN UNA PROBETA
Para cuantificar el efecto del color de manera global, se calcula el parámetro incremento de
color (ΔC) según la fórmula:
∆C= ∆L2 + ∆a2 + ∆b2
Los datos referidos al color de las probetas estudiadas quedan reflejados en la Tabla 10 y
Tabla 11 del Anexo.
4.3.7. Velocidad de ultrasonido
La transmisión de ultrasonidos permite determinar posibles fisuras o defectos del material,
además de estar relacionado con características elásticas y de resistencia. A diferencia de
materiales homogéneos, los materiales pétreos presentan las siguientes características en este
tipo de ensayos:
- La velocidad ultrasonido en un material pétreo depende de la composición, la
compacidad, el esfuerzo a que está sometido y a la edad del mismo.
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79 CAPITULO 4 ESTUDIO EXPERIMENTAL
- Los impulsos que atraviesan el material pétreo son fuertemente dispersados,
mientras que en materiales más homogéneos, la dispersión sólo es significativa
cuando existen defectos en el material.
La realización de la medida de ultrasonidos puede llevarse a cabo según tres métodos
diferentes, a saber:
a) Método de ecos:
Únicamente es necesario un palpador, que actuará como emisor y receptor de la señal de
ultrasonidos. Si la pieza a estudiar presenta un defecto, en esa zona se produce un eco que es
representado en la pantalla de un tubo de rayos catódicos, al igual que el eco de la pared
opuesta. La posición exacta de la fisura puede determinarse fácilmente por la imagen en el
osciloscopio.
b) Método de transmisión:
Suele utilizarse para materiales heterogéneos, ya que el método anterior produciría una
dispersión del haz, debido a la existencia de grietas e imperfecciones del material. Se trabaja
con dos palpadores, emisor y receptor, y con una frecuencia de trabajo menor debido a que las
ondas ultrasónicas más largas pueden rodear mejor los obstáculos pequeños. La magnitud de
una discontinuidad puede determinarse a partir del aumento de tiempo que necesita la señal
ultrasónica para rodear el obstáculo, en comparación con el que se tiene en otra zona sin
defectos.
c) Método de resonancia:
Este método exige un equipo más complejo y sólo es aplicable a probetas de determinadas
dimensiones. La probeta se excita en una frecuencia propia por medio de un emisor
electrodinámico de oscilaciones. Esta resonancia provoca un fuerte aumento de la amplitud de
oscilación y en base a la frecuencia de resonancia, densidad del material y dimensiones de la
probeta, se pueden determinar las propiedades elásticas del material.
Este ensayo es frecuentemente aplicado debido a su carácter no destructivo, a su
simplicidad y a la posibilidad de realización en campo y en laboratorio. El equipo usado para la
realización de la medida de velocidad de ultrasonido es el modelo STEINKAMP BP5
(KRAUFTKRAMER) de escala entre 0,1 y 999,9 microsegundos, precisión de ± 1
microsegundo. Los palpadores contienen cristales piezoeléctricos de circonato de plomo-titanio.
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80 CAPITULO 4 ESTUDIO EXPERIMENTAL
Éstos pueden tener forma cónica o ser cilíndricos y trabajan en torno a frecuencias de 40 KHz,
pudiendo utilizar palpadores de 20 a 500 KHz.
El método de medida de velocidad de ultrasonido que utiliza el equipo Steinkamp, es el
método de transmisión. Los palpadores elegidos son los de forma cónica debido a que los
palpadores cilíndricos no generan ninguna lectura en la pantalla de datos de velocidad. Aun
así, los palpadores cónicos aplicados directamente sobre dos caras paralelas de la probeta no
dan una lectura continua de la velocidad de ultrasonido para cada pulso de señal emitida, por
tanto, para solventar este problema de apoyo, los palpadores se deben adaptar usando alguna
sustancia entre los mismos y la probeta. Las sustancias usadas pueden ser de varios tipos,
como por ejemplo, cola, vaselina o glicerina. En este caso se elige la plastilina como interfase.
La toma de medidas se realiza mediante transmisión directa, tal y como se observa en la Figura
4.7, procurando que los palpadores emisor y receptor se encuentren lo más enfrentados
posible.
FIGURA 4.7. PROCEDIMIENTO DE MEDIDA DE LA VELOCIDAD DE ULTRASONIDO
La velocidad de pulso en el elemento que se va a ensayar viene determinada por la
expresión:
V= L
t ≡
Distancia recorrida entre palpadores
Tiempo de transmisión de la señal
Los datos correspondientes al ensayo de la velocidad de ultrasonido se encuentran en la
Tabla 12, Tabla 13 y Tabla 14 del anexo.
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81 CAPITULO 4 ESTUDIO EXPERIMENTAL
4.3.8. Absorción de agua por capilaridad
El agua penetra fácilmente por los poros y grietas de pequeño tamaño, bien directamente o
ayudada por la capilaridad. En su recorrido por el interior del material, el agua disuelve y
arrastra las sales solubles aumentando la porosidad original y creando depósitos de sales en
lugares no deseados. Una vez que contiene sales o ácidos (lluvia ácida) el agua se vuelve aún
más corrosiva. El agua corriente produce también erosión mecánica, así como ciclos de hielo-
deshielo cuando se combina la presencia del agua en los poros y grietas con los cambios
cíclicos de temperatura. El agua es además el elemento indispensable para el desarrollo de
organismos vivos que agravan la erosión, produciendo algunas reacciones químicas corrosivas.
Por todo esto, se incluye como parte de la metodología de ensayo el estudio de absorción de
agua.
El coeficiente de absorción de agua es el porcentaje que aumenta el peso de una probeta
del material cuando se satura con agua. Para cada tipo de material de construcción existe un
ensayo normalizado que regula su determinación. El coeficiente de absorción se puede
determinar por inmersión total o bien por capilaridad. En este último caso también se denomina
coeficiente de capilaridad.
Para llevar a cabo este ensayo y según se puede apreciar en la Figura 4.8, en el fondo de
una cubeta se coloca una capa de papel secante de, al menos, 1 cm de espesor y se añade
agua en la cantidad necesaria para asegurar que se encuentre mojado continuamente. Sobre
esta capa de papel se depositan las probetas secas, de forma que estén en contacto con el
agua sólo por la base (cara no tratada).
FIGURA 4.8. ENSAYO DE ABSORCIÓN DE AGUA POR CAPILARIDAD
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82 CAPITULO 4 ESTUDIO EXPERIMENTAL
Las probetas se van pesando a intervalos dados de tiempo hasta llegar a un peso
aproximadamente constante y se calcula el incremento de peso (ΔM(t)) que va sufriendo cada
probeta:
∆M t (%)= M t - Mseca
Mseca ·100
Siendo M(t) el peso de la probeta en cada instante de tiempo t y Mseca el peso de la probeta
inicial.
Los datos obtenidos en el ensayo de absorción de agua por capilaridad se encuentran
reflejados en las Tabla 15 y 16 del Anexo.
4.3.9. Ensayo de alteración acelerada
El efecto de las sales solubles es, generalmente, el agente más conocido y más directo que
origina las formas de alteración observadas tales como alveolización o arenización. El ensayo
de envejecimiento acelerado de cristalización de sales es un método muy común para simular
en laboratorio la posible degradación que sufre el material pétreo en la realidad debido al
proceso de cristalización de sales, estudiar las causas y encontrar soluciones.
Como se comenta en el Capítulo 2, en los ensayos de cristalización de sales
estandarizados la sal más utilizada es el sulfato sódico, en una concentración del 10% en peso,
por ser la de mayor poder de deterioro y la que permite obtener de manera más rápida
alteraciones visibles. Estos ensayos suelen desarrollarse únicamente con una sal,
introduciéndola en la roca mediante inmersión parcial o total. En el caso de materiales
sometidos a ambiente marino, esta sal puede sustituirse por cloruro sódico en la misma
concentración.
La duración del ensayo puede fijarse de antemano o prolongarlo hasta que se consiga el
grado de deterioro deseado. El control de las alteraciones que van apareciendo se puede
realizar mediante los siguientes métodos:
- Observación visual de las alteraciones macroscópicas.
- Variación de peso de las muestras.
- Variación en las propiedades físicas.
- Variación de las propiedades mecánicas.
- Variación de las propiedades hídricas.
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83 CAPITULO 4 ESTUDIO EXPERIMENTAL
Para llevar a cabo el ensayo de alteración acelerada mediante cristalización de sales, se
preparan dos cubetas con papel secante en el fondo de aproximadamente 1 cm de espesor.
Así, se dividen las probetas en dos grupos, las que previamente fueron alteradas con sales y
las que no tienen contenido extra de sales más que el contenido natural que poseen en
cantera. El ensayo se prolonga hasta que las probetas se rompan. Con esto, tenemos dos
casos distintos de alteración:
a) Caso 1: Probetas alteradas previamente con sales.
En la cubeta de material pétreo impregnado previamente en sales, las probetas se pondrán
en contacto con agua para estudiar el comportamiento de las mismas con la sal que ya
contienen en su interior. Se estudian, tanto las probetas sin tratamiento alguno, como las
probetas tratadas con cada uno de los dos consolidantes (Tegovakon y Estel).
Este caso pone de manifiesto las consecuencias de casos reales en edificaciones de
patrimonio. Materiales cuyos poros se encuentran repletos de sal en su interior que, al
introducirse el agua en el mismo, causa un deterioro importante en su estuctura.
b) Caso 2: Probetas sin impregnar en sales.
En la cubeta de material pétreo intacto (en el sentido de las sales), las probetas, al estar
libre de sales, se pondrán en contacto con una solución de sulfato sódico, Na2SO4, al 10% en
peso para el estudio de su comportamiento. Se incluyen en esta cubeta, al igual que en la
anterior, tanto las probetas sin tratamiento como las tratadas con Tegovakon y con Estel.
Este es el caso de estudio del uso de bloques nuevos para sustitución de los más
deteriorados en algún edificio de patrimonio.
Los productos consolidantes, al mejorar la cohesión de los granos, deben retardar la
alteración del material. Los efectos del ensayo de cristalización de sales se verifican con la
comparación de las propiedades mecánicas de las probetas con y sin tratamiento.
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