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TEMA 5: PROPIEDADES DE LAS ROCAS DE CONSTRUCCIÓN Y ORNAMENTACIÓN
Las rocas, y otros materiales
pétreos artificiales utilizados en la construcción, son sustancias
heterogéneas caracterizadas por amplios rangos de variación
composicional, textural y estructural. Esta variabilidad hace que las
propiedades de los materiales, que son las que dictan sus campos de
aplicación, sean también variables. Así, la adecuación de un material
para un propósito concreto, tanto desde el punto de vista
constructivo-ornamental como restaurador, debe basarse en determinadas
propiedades que deben, a su vez, ser fácilmente medibles en el
laboratorio.
Las propiedades de los
materiales se clasifican generalmente como físicas,
químicas y mecánicas, aunque en el campo de la
construcción-ornamentación-restauración
también pueden incluirse las propiedades relacionadas con su
trabajabilidad. Es evidente que la lista de propiedades que
pueden medirse en un material es muy extensa. Por ello en este tema se
presentan aquellas que tienen más relevancia desde el punto de vista que
nos atañe.
Dentro de las propiedades
físicas se incluyen densidad, porosidad, permeabilidad a
líquidos y gases, capacidad calorífica, conductividad y expansión
térmicas, etc. Entre las propiedades químicas pueden
incluirse la resistencia a soluciones ácidas y alcalinas, y a las
reacciones inducidas por la presencia de sales. Las propiedades
mecánicas incluyen la resistencia a la compresión, tensión,
flexión e impacto y penetración por otro cuerpo y por otras acciones que
involucran la generación de fuerzas, como la cristalización de hielo y
sales en el interior del sistema poroso de los materiales y los cambios
volumétricos de los mismos debidos a cambios de temperatura.
Estas propiedades, que en
última instancia resultan de la composición química y mineralógica de
los materiales, de su textura y de su estructura, permiten caracterizar
la resistencia de los materiales a los agentes de deterioro. Esto último
gobierna la vida útil del material, que a fin de cuentas es equivalente
a la vida útil de las partes del edificio construidas con el mismo y,
para determinados elementos constructivos, del edificio mismo.
Una misma propiedad de un
material puede medirse en distintos aparatos, bajo distintas condiciones
experimentales y utilizando probetas de muestra de distintas dimensiones
y formas. Esto supone generalmente obtener resultados distintos para una
misma propiedad, por lo que éstas deben medirse siguiendo normativas que
aseguren que los datos obtenidos son comparables con los obtenidos en
otros laboratorios. Entre estas normas cabe mencionar las de la Sociedad
Americana para el Ensayo de Materiales (American Society
for Testing Materials, o ASTM), las de grupo italiano
para la Normativa de Productos Pétreos (Normativa Manuffati
Lapidei, o NORMAL) del Consiglio Nazionale delle
Ricerche-Istituto Centrale per il Restauro (CNR-ICR) y las de la
Reunión Internacional de Laboratorios
de Ensayos de Materiales (RILEM), incluyendo
las de la Comisión 25 para la Protección y Erosión de los Monumentos (25
Protection and Erosion des Monuments,
o PEM) de la RILEM.
Propiedades
físicas
Isotropía y anisotropía
Estos conceptos se utilizan
para calificar el comportamiento de los materiales respecto de las
direcciones del espacio. Así, un material es isótropo
respecto de una propiedad determinada cuando esa propiedad no varía
al variar la dirección en la que se mida la propiedad. En este caso, se
dice que la propiedad es escalar. Por el contrario, un
material es anisótropo cuando la propiedad varía según la
dirección considerada. En este caso, la propiedad es vectorial.
Densidad y peso específico (ASTM
#12-70)
Tanto la densidad como el peso
específico son propiedades que no dependen de la dirección de medida,
esto es, son propiedades escalares
Aunque se utilizan
indistintamente, los términos de densidad y peso específico no son
idénticos. La densidad es la relación entre la masa y el
volumen de la sustancia, midiéndose en unidades de masa/unidades de
volumen (e.g., g/cc). El peso específico es la relación
numérica entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de agua a
4°C, esto es la relación entre las densidades del cuerpo y la del agua.
Esta propiedad es adimensional (no se expresa en términos de
unidades determinadas) ya que es la relación entre dos cantidades con la
misma dimensión. Dado que el volumen del agua varía con la temperatura,
se toma como referencia la densidad del agua a 4°C.
Densidad = masa/volumen (gr/cc)
Peso específico = Densidad
cuerpo/Densidad agua a 4°C
O también:
g
=
r ·
g
donde:
g
es el peso específico (N/m3),
r
es la densidad (kg/m3) y
g es la aceleración debida a la gravedad (m/s2).
El peso específico depende del
valor de la gravedad en el punto de medida.
En los minerales, ambas
magnitudes son función de la estructura cristalina y la composición del
mineral, así como de la temperatura y presión, ya que los cambios de
estos factores provocan contracciones (descenso de T y/o aumentos de P)
o expansiones (aumento de T y/o descenso de P) de las estructuras. Los
cambios de estructura afectan a estas magnitudes; así, por ejemplo, la
calcita presenta un peso específico de 2.72 y el aragonito 2.94, y el
cuarzo-a
2.65 y el cuarzo-b
2.40. La composición también afecta en el caso de los minerales solución
sólida; así, por ejemplo, el peso específico del olivino aumenta a
medida que los átomos de Fe (más pesados) sustituyen a los de Mg (más
ligeros), pasando de 3.22 para el Mg2[SiO4]
(forsterita pura) a 4.41 para el Fe2[SiO4]
(fayalita pura).
Cuando se consideran otro tipo
de sustancias (por ejemplo, rocas), la densidad o
densidad real se define como la masa por unidad de volumen de
una sustancia, esto es la razón entre la masa en reposo y su volumen,
considerando sólo la parte impermeable (esto es, excluyendo el volumen
ocupado por los poros):
r
= M/V
donde:
r
es la densidad (kg/m3)
M
es la masa (kg) de la sustancia y
V es el volumen (m3) de la parte impermeable de la
sustancia.
La densidad de algunos
materiales de construcción se presenta en la Tabla 1.
Tabla 1. Densidad (kg/m3)
de algunos materiales de construcción (de Komar, 1987).
|
Acero |
7800-7900 |
|
Cemento Portland |
2900-3100 |
|
Granito |
2700-2800 |
|
Arena cuarzosa |
2600-2700 |
|
Ladrillo |
2500-2800 |
|
Vidrio |
2500-3000 |
|
Caliza |
2400-2600 |
|
Madera |
1500-1600 |
La densidad global
(a veces también denominada densidad aparente) es la masa
por unidad de volumen de un material en su estado natural, incluyendo
poros y todo tipo de espacios abiertos:
ro
= M1/V1
donde:
ro
es la densidad global del material (kg/m3)
M1
es la masa global (kg) del material y
V1
es el volumen global (m3) del material.
La densidad global de los
materiales depende de su porosidad y contenido de espacios abiertos.
Materiales sueltos como arena, piedra molida y cementos se caracterizan
por su masa global. El volumen de estos materiales incluye
tanto los poros y espacios abiertos existentes dentro de los
granos como entre los granos. La densidad global de los
materiales condiciona en gran medida sus propiedades físico-mecánicas,
tales como resistencia a la compresión y conductividad térmica, que a su
vez son cruciales para cálculo de estructuras y diseño de edificios.
Evidentemente, la densidad global de los materiales es fuertemente
variable (Tabla 2).
El peso específico
o peso específico verdadero de una sustancia es la
razón entre la masa de una unidad de volumen de la sustancia y la masa
de la misma unidad de volumen de agua destilada. Para los sólidos, el
volumen considerado es el de la parte impermeable. El peso
específico global se define de manera similar, aunque considera
el volumen total del cuerpo, incluyendo los poros.
Tabla 2. Densidad global (kg/m3)
y porosidad (%) de rocas y materiales de construcción (de Winkler, 1973
y Komar, 1987)
|
|
Densidad global |
Porosidad |
|
Acero |
7800-7850 |
|
|
Granito |
2600-2800 |
0.15-1.5 |
|
Gabro |
3000-3100 |
0.1-0.2 |
|
Riolita |
2400-2600 |
4.0-6.0 |
|
Basalto |
2800-2900 |
0.1-1.0 |
|
Arenisca |
2000-2600 |
5.0-25.0 |
|
Lutita |
2000-2400 |
10.0-30.0 |
|
Caliza |
2200-2600 |
5.0-20.0 |
|
Dolomia |
2500-2600 |
1.0-5.0 |
|
Gneiss |
2900-3000 |
0.5-1.5 |
|
Mármol |
2600-2700 |
0.5-2.0 |
|
Cuarcita |
2650 |
0.1-0.5 |
|
Pizarra |
2600-2700 |
0.1-0.5 |
|
Hormigón pesado |
1800-2500 |
|
|
Hormigón ligero |
500-1800 |
|
|
Ladrillo |
1600-1800 |
|
|
Arena |
1450-1650 |
|
|
Plástico poroso |
20-100 |
|
Porosidad
La porosidad de
un material es el volumen de espacios abiertos que contiene relativo a
su volumen total. Los poros son pequeños espacios abiertos
existentes en los materiales rellenos por soluciones acuosas y/o
gaseosas (e.g., aire). Los poros pueden estar abiertos (i.e.,
intercomunicados) o cerrados, y ser grandes o pequeños. El tamaño de
poro medio y el grado de intercomunicación entre los poros determinan el
tipo y grado de movimiento de soluciones líquidas y gaseosas por el
interior de los materiales. Esto controla en gran parte su durabilidad.
Los poros pueden clasificarse en función de su tamaño en:
Megaporos:
256-0.062 mm
Macrocapilares:
0.062-0.0001 mm
Microcapilares:
<0.0001 mm
Existen distintos conceptos de
porosidad. La porosidad teórica viene dada por la ecuación:
donde: P es la
porosidad total (%)
Vp
(m3) es el volumen de poros
Vsólidos
(m3) es el volumen agregado de las partículas sólidas y
Vo
(m3) es el volumen total de la muestra.
Teniendo en cuenta que la
relación entre masa, volumen y densidad, y que la masa del material
poroso es idéntica a la masa de la sustancia (sin poros) si los poros
están ocupados por vacío, la expresión anterior queda:
donde: P es la
porosidad total (%)
ro
es la densidad global del material (kg/m3)
y
r
es la densidad real de la sustancia
(kg/m3), asumiéndola libre de poros.
La densidad de la sustancia
libre de poros es difícil de estimar. Por ello se recurre a otro tipo de
mediciones. La porosidad total efectiva es la porosidad
medible mediante intrusión de mercurio hasta una presión forzada de 1000
atmósferas, aunque se puede llegar hasta varios miles de atmósferas:
donde: Pt es
la porosidad total efectiva (%)
Vp
(m3) es el volumen de mercurio intuido y
Vo
(m3) es el volumen de la muestra seca.
Mediante la técnica de
intrusión forzada de mercurio puede estimarse no sólo la porosidad total
efectiva, sino la porosidad media (%) comprendida entre un
determinado rango de tamaño de poro, medido en términos de radio o
diámetro de poro. En general, los aparatos (porosímetros de Hg) más
comunes permiten evaluar los porcentajes de radios de poro menores
de 1 mm de los materiales, por lo que no se obtiene información
sobre la porosidad debida a megaporos, que en algunas rocas
sedimentarias y materiales de construcción como morteros puede ser muy
elevada. Las dimensiones de las probetas de muestra medidas en el
porosímetro de Hg dependen del aparato utilizado, aunque es común que
sean pequeñas, de unos mm de diámetro. Para asegurar que los análisis
sean representativos, pueden seguirse las recomendaciones del Documento
NORMAL 4/80.
Otra medida de la porosidad se
puede obtener mediante pesada hidrostática, que define la
porosidad abierta o accesible al agua. El material se
sumerge en agua (u otro líquido de densidad conocida) hasta su
saturación (ver más adelante), calculándose la porosidad a partir de la
masa del material seco, saturado y saturado por pesada hidrostática
(i.e., peso de la muestra saturada inmersa en un recipiente con agua)
mediante la expresión:
donde: no es
la porosidad abierta (%)
Ms
(kg) es el peso medido en saturación
Mo
(kg) es el peso seco de la muestra, y
Mh
(kg) es el peso de la muestra saturada medida por pesada hidrostática.
Al contrario que la porosidad
total efectiva medida por intrusión forzada, la porosidad abierta da
información sobre la porosidad debida a los poros más gruesos por los
que el agua puede circular. No obstante, no se pueden extraer valores de
porosidad media para distintos rangos de tamaño de poro. Las dimensiones
de las probetas de muestra son las mismas que las utilizadas para
estimar la saturación de agua.
Figura 1.
Porosidad total por intrusión de Hg y distribución de la porosidad en
función del radio de poro (% volumen absoluto y acumulado) en
biocalcarenita y mortero de cal de San Jerónimo, Granada (de
Fernández-Cardell, 1998).
Adsorción y absorción de
agua
Estas propiedades se
relacionan con la movilidad de vapor de agua o agua líquida en los
materiales, esto es con la permeabilidad del medio a estas
sustancias:
Adsorción
es la adhesión de moléculas de gases o de
moléculas en solución a las superficies de los cuerpos sólidos con los
que están en contacto. La higroscopicidad es la propiedad de los
materiales de adsorber vapor de agua de la atmósfera.
Absorción
es la incorporación o asimilación de líquidos
en el interior del sistema poroso del material. La succión de agua
es la propiedad de los materiales de absorber agua líquida en
contacto con los mismos.
La higroscopicidad
está controlada por la temperatura y humedad relativa del aire, por los
tipos de poros, su número y tamaño, y por la naturaleza de la sustancia
implicada. Debido a la naturaleza polar del agua, este último control se
debe a la existencia o no de cargas residuales no compensadas en las
superficies de las sustancias. Así, las superficies de algunas
sustancias compuestas por átomos con enlaces iónicos atraen al agua
(i.e., sustancias hidrófilas) mientras que las superficies
de otros compuestos por átomos con enlaces covalentes la repelen (i.e.,
sustancias hidrófobas). Las sustancias hidrófilas tienen a
disolverse en agua, mientras que las hidrófobas no, resistiendo la
acción de los medios acuosos.
A igualdad de otros factores,
la higroscopicidad de un material depende del área superficial expuesta,
i.e., incluyendo la de los poros y canales capilares. Los materiales con
idéntica porosidad total, pero con poros más finos (capilares) son más
higroscópicos que los que presentan poros grandes, lo cual es debido a
que los primeros presentan mayor superficie específica.
Figura 2.
Adsorción de moléculas agua (polares) por partículas hidrófilas (con
cargas electrostáticas residuales en su superficie) durante ciclos de
mojado y secado.
La succión de agua
en el interior de los sistemas porosos de los materiales incluye también
la higroscopicidad. La saturación en agua afecta de forma sustancial a
otras propiedades físicas y mecánicas de los materiales, tales como
densidad global, conductividad térmica y resistencia mecánica, por lo
que su medida es importante. La técnica es muy sencilla, y se basa en
sumergir una probeta de muestra completamente en agua, a tiempos
parciales, y medir el incremento de masa de las probetas en esos
tiempos. Las recomendaciones del Documento NORMAL 7/81 indican utilizar
probetas cúbicas de 5x5x5 cm. Los incrementos de masa permiten calcular
la cantidad de agua absorbida:
donde: Wt
(%) es el contenido de agua absorbida en el tiempo t (s)
Mt
(kg) es el peso medido en el tiempo t (s) y
Mo
(kg) es el peso seco de la muestra
Por lo tanto, Wt
representa incrementos de masa en % relativos al material seco.
Estos datos permiten construir curvas Wt-t
(generalmente, el tiempo se expresa como
t0.5),
que caracterizan el comportamiento del material.
La absorción de agua es
función de la porosidad total, y del tamaño y forma de los poros. Así,
la cantidad de agua absorbida es siempre menor que la porosidad total
del material ya que parte de los poros se encuentran cerrados, i.e.,
aislados del medio exterior y no accesibles al agua. Dado que los
porcentajes de agua absorbida son proporcionales a la porosidad del
material, y esta puede variar entre distintos materiales, se recurre a
una normalización ulterior para comparar materiales de porosidad
variada. Esta normalización se lleva a cabo respecto del porcentaje en
peso de agua bajo saturación forzada, esto es, bajo condiciones de
presión mucho menores de la atmosférica, tendiendo al vacío,
recalculando el incremento de masa en los distintos tiempos respecto de
la cantidad máxima de agua absorbida (Wt,max),
esto es, el porcentaje de peso de agua para el tiempo t. Esta
normalización permite obtener el grado de saturación
en función del tiempo:
donde: St es
el grado de saturación (%)
Wt
(%) es el porcentaje de peso de agua en el tiempo t (s) y
Ws
(%) es el porcentaje en peso de agua bajo la saturación forzada.
Desorción
de agua
Los materiales localizados en
contacto con el aire retienen cierta cantidad de humedad. La cantidad de
agua retenida es función de las condiciones ambientas (temperatura y
humedad relativa), así como de la naturaleza de las sustancias
(hidrófilas o hidrófobas) y de la composición de la solución acuosa
(agua pura vs. soluciones salinas). Si las condiciones ambientales
cambian, por ejemplo, descendiendo la humedad relativa, el material
tiende a ceder vapor de agua al medio aéreo, secándose. Este proceso de
desorción de agua es inverso al de adsorción, aunque si la
muestra se encuentra saturada en agua, es inverso al de absorción.
La tasa de desorción o secado
depende de la diferencia entre la humedad del material y la del medio
ambiente (a mayor diferencia, mayor tasa de secado), de la naturaleza
del material y de la naturaleza de la porosidad (sustancias
hidrorepelentes con poros grandes tienden a eliminar más rápidamente la
humedad).
La técnica de medición de la
desorción de agua es similar a la de saturación de agua, y persigue
evaluar la facilidad de los materiales para eliminar el agua absorbida
en el interior de su sistema poroso. El ensayo se realiza con el mismo
material utilizado en el de saturación, y se basa en medir las pérdidas
de masa, a tiempos parciales, respecto del peso de la muestra saturada
en agua. Este ensayo debe realizarse en un ambiente con temperatura (20
ºC) y humedad relativa (60 %) constantes para asegurar la comparación de
muestras distintas. Las pérdidas de masa permiten calcular la
cantidad de agua desorbida:
donde: We
(%) es la cantidad de agua perdida
Mt
(kg) es la masa medida en el tiempo t (s) y
Mo
(kg) es el peso de la muestra saturada en agua.
Por lo tanto, We
representa pérdidas de masa en % relativos al material saturado.
Igualmente, estos datos permiten construir curvas We-t
(generalmente, el tiempo se expresa como
t0.5),
que caracterizan el comportamiento del material.
Al igual que en el caso de
absorción, se calcula el grado de saturación en
función del tiempo con el fin de comparar muestras de porosidad muy
variada:
donde: Se
(%) es el grado de saturación
We
es el porcentaje de peso de agua en el tiempo t (seg) y
Ws
es el porcentaje en peso de agua bajo la saturación forzada.
Las tasas de saturación
observadas en los ensayos de absorción y desorción, evaluadas mediante
las curvas respectivas St-t y Se-t
no tienen por qué
coincidir. Esto se debe a que los procesos físicos involucrados en ambos
procesos son distintos.
Como se ha indicado más
arriba, la humedad en los materiales de construcción afecta a sus
propiedades físicas y mecánicas. El principal efecto es un cambio de
volumen: los materiales se hinchan cuando absorben agua y se contraen al
evacuarla. Dado que los cambios de volumen generan tensiones internas en
los materiales, ciclos continuados a escala diaria y estacional de
mojado-secado inducen esfuerzos alternantes en el material que, aunque
poco significativos en términos absolutos para materiales pétreos,
generan pérdida de resistencia mecánica por fatiga (ver más adelante).
Un ejemplo claro son los morteros, cuyo aglomerante (cal, cemento) sufre
contracción durante el secado mientras el árido no, lo que genera
esfuerzos tensionales que conllevan la pérdida de cohesión del agregado
por microfracturación del aglomerante. Ensayos de ciclos de
secado-mojado durante largos periodos de tiempo permiten calificar la
resistencia al deterioro por esta causa.
Capilaridad
El fenómeno de la capilaridad,
cuyo resultado es el movimiento ascendente o descendente de un líquido
en el interior de un tubo fino de un material sólido cuando éste es
sumergido en el líquido, es debido a la existencia de fuerzas en la
superficie de las sustancias sólida (e.g., vidrio), líquida (e.g., agua)
y gaseosa (e.g., aire) en contacto. Estas fuerzas se denominan de
tensión superficial. La conjunción de estas fuerzas hace que las
gotas de un líquido depositadas sobre la superficie de un material
sólido presenten ángulos de contacto sólido-líquido variados en función
de la naturaleza de los sólidos y líquidos. Así, los líquidos “mojan”
a los sólidos cuando el ángulo de contacto está comprendido entre 0 y
90º, en cuyo caso el líquido asciende por el capilar. Si, por el
contrario, la conjunción de fuerzas mencionada anteriormente condiciona
que el ángulo de contacto sólido-líquido esté comprendido entre 90 y
180SYMBOL 176 \f "Symbol", el líquido no moja al material y desciende
por el capilar. Estas relaciones se ilustran en las Figuras 3 y 4. En
consecuencia, el efecto que debe producir un material hidrofugante
(protectivo o consolidante) aplicado sobre un material debe ser el de
incrementar el ángulo de contacto del material pétreo, y obstaculizar el
ascenso del agua por su sistema poroso. El efecto contrario es el
obtenido por los agentes detergentes o jabones (i.e., tensoactivos).
La altura a la que asciende (o
desciende) un líquido en un capilar no es sólo función del ángulo de
contacto, sino que depende también del radio del capilar. La ecuación
que permite calcular la altura alcanzada es:
donde: h es la altura
(m)
SLV
es la tensión superficial líquido-vapor (0.0728 N/m para el
agua-aire, a 20 ºC)
q
es el ángulo de contacto (en radianes, =
grados·p/180)
r
es la densidad del líquido (1000 kg/m3
para el caso del agua)
g
es la aceleración de la gravedad (9.8 m/seg2)
y
r
es el radio de poro (m)
Figura 3.
Variación en el ángulo de contacto sólido-líquido. En (a) el líquido
(e.g., agua) moja al sólido (e.g., piedra), y
q
< 90º, mientras que en (b) el líquido (e.g., mercurio) no moja al sólido
y q
> 90º.
Figura 4.
Fuerzas resultantes (F) de la conjunción de las tensiones superficiales
en un sistema sólido-líquido-gas en un tubo capilar (w es el peso de la
columna de agua para el caso a). El líquido se eleva una altura h si (a)
q
< 90º, y desciende si (b)
q
> 90º.
La Figura 5 muestra las curvas
altura-radio de capilar calculadas para el sistema agua-aire y distintos
valores de
q.
Nótese que valores de altura negativos se obtienen para ángulos
q
> 90º, lo que implica que el agua descenderá en el capilar, y que
la altura ascendida (o descendida) es del orden de varios metros para
radios de poro muy pequeños, como los que generalmente presentan rocas y
morteros.
Figura 5.
Curvas altura-radio de capilar calculadas para el sistema agua-aire.
La rutina de trabajo
(recomendaciones RILEM y NORMAL 11/85) consiste en la colocación de las
probetas (la relación de área/volumen de la probeta cúbica, prismática o
cilíndrica debe estar comprendida entre 1 y 2 cm-1) sobre una
superficie mojada, dentro de una cubeta de material plástico con agua
destilada e interfase de papel absorbente para asegurar un flujo de
humedad continua, sin llegar a mojar otra superficie que no sea la base
de la probeta. Para evitar una rápida evaporación del agua de la cubeta,
ésta se cubre con una tapadera de plástico protegida con papel
absorbente para evitar el goteo de condensación sobre las probetas junto
con las paredes laterales de la cubeta. El recipiente debe colocarse
dentro de una campana aislante con unos valores de temperatura y de
humedad relativa constantes.
El ensayo consiste en pesar y
medir la altura del agua sobre las diferentes probetas a tiempos
parciales. Las pesadas se realizan eliminando previamente el exceso de
agua depositada sobre la base de las probetas con una bayeta absorbente
ligeramente humedecida; de esta forma se retiran los excesos de agua sin
llegar a restar parte de la contenida en la probeta. Los resultados que
se obtienen con el ensayo son los siguientes: peso en función del tiempo
(Mt) expresado en gramos y altura ascendida en función
del tiempo (ht) expresada en centímetros. La cantidad
o incremento de agua absorbida de la muestra, por unidad de superficie
en el tiempo se calcula con la siguiente ecuación:
donde:
DM/S
es el incremento de masa por unidad de superficie (kg/m2)
Mt
(kg) es el peso de la muestra en función del tiempo t (s)
M0
(kg) es el peso de la muestra seca y
S
es el área (m2) de la cara de la probeta
en contacto con el agua.
Con los datos obtenidos es
posible construir dos curvas, una de absorción capilar y otra de ascenso
capilar, en función de t0.5 (min0.5).
La primera se traza en función del incremento de peso experimentado por
la probeta a lo largo del ensayo, la segunda curva representa la altura
de agua ascendida en función del tiempo transcurrido. Además de observar
el comportamiento del material, se pueden obtener el coeficiente
de absorción capilar (con dimensiones kg/m2·s0.5)
y el coeficiente de penetración capilar (con dimensiones
m/s0.5) obtenidos mediante cálculos de regresión en los
tramos rectilíneos de las curvas.
Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas
definen la capacidad del material para resistir acciones externas o
internas que implican la aplicación de fuerzas sobre el mismo.
Esencialmente, estas fuerzas son de compresión,
tensión (o extensión), flexión y de impacto.
Resistencia a la compresión
La resistencia a la compresión
es la carga (o peso) por unidad de área a la que el material falla (se
rompe) por fracturación por cizalla o extensional (Figura
6). Esta propiedad es muy importante en la mecánica de materiales, tanto
en situación no confinada (i.e., uniaxial) como confinada (i.e.,
triaxial). Dado que los materiales cerca de la superficie
terrestre, incluyendo los edificios, suelen estar sometidos a
condiciones no confinadas, consideraremos exclusivamente esta situación.
En este caso, la resistencia a la compresión uniaxial
(i.e., longitudinal) se mide en una prensa hidráulica que
registra el esfuerzo compresor (sl)
aplicado sobre una probeta de material en una dirección del espacio, y
la deformación lineal (el)
inducida en esa misma dirección.
Figura 6.
Desarrollo de fracturas extensionales y de cizalla como resultado de
compresión.
Es importante indicar que los
resultados obtenidos en los experimentos de resistencia a la compresión
para un mismo material dependen de la forma y tamaño de la probeta. Así,
los prismas y cilindros largos presentan menores resistencias a la
compresión que los cubos con la misma área de sección, y estos a su vez
menores que los prismas y cilindros cortos (con alturas menores que sus
lados o radios). Igualmente, la resistencia a la compresión depende de
la tasa de aplicación de la carga, de forma que a mayores velocidades de
compresión mayor es el valor de la resistencia. La metodología
experimental puede seguir la norma ASTM D3148-86, según la cual las
probetas de muestra serán cilíndricas, con una relación altura/diámetro
comprendida entre 2.5 y 3 (e.g., 10 cm de altura por 4 cm de diámetro).
Deben ensayarse al menos 5 probetas por cada tipo de material,
manteniendo la tasa de aplicación de la carga constante (entre 0.5 y 1
MPa/s). Por otra parte, hay que evitar una mala colocación de la probeta
en la prensa, para asegurar una distribución homogénea del esfuerzo
compresor.
El esfuerzo es
igual a la fuerza aplicada por sección o superficie:
donde: Fl es
la fuerza aplicada longitudinalmente, expresada en newtons en el sistema
mks (N=kg·m·s-2), dinas en el sistema cgs o kilogramos-fuerza
en el sistema técnico
S
es la sección de la probeta (m2) y
sl
es el esfuerzo lineal expresado en Pa (N/m2), dinas/cm2
o kg/m2 (las dimensiones del esfuerzo son las mismas que las
de presión).
Dado que la fuerza es un
vector, también lo es el esfuerzo. Así, dado que el signo de la fuerza
se toma negativo por convenio cuando es compresiva, y positivo cuando es
tensional, el esfuerzo compresor es negativo y el tensor es positivo.
La deformación lineal
es igual al cambio de longitud experimentado por la longitud
original de la probeta:
donde: l0
(m) es la longitud original
l1
(m) es la longitud final
Dl
(m) es el incremento de longitud de la
probeta.
Puesto que al comprimir l0
es siempre mayor que l1,
Dl
y el
son negativos (positivos para el caso de tensión).
El valor de
el
(que es adimensional) es generalmente muy pequeño para materiales
pétreos (del orden de 0.01 y menores).
La deformación inducida sobre
un cuerpo debida a la acción de un campo de fuerzas exteriores puede ser
elástica o plástica. La deformación es
elástica cuando el cuerpo recupera su forma y volumen iniciales una vez
cesada la acción de las fuerzas externas. En caso contrario, la
deformación es plástica (esto es, si la deformación persiste en parte).
El que la deformación sea elástica o plástica depende de la naturaleza
del cuerpo, de la temperatura, y del grado y tasa (velocidad) de
deformación al que ha sido sometido. A temperatura constante, los
materiales se comportan normalmente como elásticos cuando los esfuerzos
aplicados son pequeños, si bien se tornan plásticos cuando los esfuerzos
superan un cierto límite.
Para estudiar el
comportamiento mecánico de los materiales, se recurre a la
experimentación sometiendo a los mismos a esfuerzos progresivos y
registrando la deformación resultante. Estos datos se expresan en
diagramas sl-el
como los de la Figura 7, donde toma la forma de curvas similares (en
forma) a las obtenidas en los ensayos de succión capilar. En la Figura 7
puede apreciarse un tramo de la curva
sl-el
donde el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación. Este
comportamiento constituye la ley de Hooke, que aplica solo
para pequeñas deformaciones, hasta un límite denominado límite de
proporcionalidad, representado en la Figura 7 por el punto a.
En este tramo, el comportamiento del material es elástico, esto es, si
se disminuye el esfuerzo aplicado lentamente, se recorre el mismo tramo
de la curva en sentido contrario, hasta alcanzar el punto de origen
donde el esfuerzo y la deformación son nulos. La proporcionalidad entre
el esfuerzo y la deformación en el tramo de la ley de Hooke permite
definir el módulo de Young o módulo de elasticidad
(E). Este módulo es la constante de proporcionalidad, de manera
que:
donde el módulo de elasticidad
E es positivo (sl
y el
son negativos) y presenta las mismas dimensiones que el esfuerzo ya que
el
es adimensional. El valor del módulo de Young es característico para
distintos materiales, por lo que puede utilizarse para comparar las
características mecánicas de los mismos.
Figura 7.
Curva esfuerzo-deformación para compresión, con ilustración de los
tramos elástico y plástico.
Para deformaciones superiores
al límite de proporcionalidad, existe un cierto tramo de la curva
sl-el
donde el comportamiento del material es elástico, aunque no existe
proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformación. El límite en el que
el comportamiento del material deja de ser elástico se denomina
límite elástico, representado por el punto b de la curva
en la Figura 7.
Al aumentar el esfuerzo y
superarse el límite elástico (punto b), la deformación aumenta
rápidamente y es en parte permanente. Así, si se disminuye el esfuerzo
aplicado lentamente a partir del punto c de la curva, se
recorrerá el trayecto indicado por una flecha de puntos hasta alcanzar
el punto donde el esfuerzo es nulo, pero existe una cierta deformación
permanente (el cuerpo no recupera su longitud original). Al aumentar el
esfuerzo se llega finalmente al punto d, denominado punto
de ruptura, donde el cuerpo experimenta una fracturación
catastrófica por cizalla o fisuración extensional. Este punto de ruptura
define, en términos del esfuerzo compresivo, la resistencia a la
compresión (R).
La resistencia a la compresión
de los materiales de construcción es muy variable, oscilando desde
materiales muy débiles hasta muy fuertes:
·
muy débiles
(<70 kg/cm2)
·
débiles
(70-200 kg/cm2)
·
moderadamente resistentes
(200-700 kg/cm2)
·
fuertes
(700-1400 kg/cm2)
·
muy fuertes
(>1400 kg/cm2).
Las rocas naturales son
relativamente resistentes a la compresión (no tanto a la tensión y
flexión), aunque las rocas sedimentarias son las más débiles debido
sobre todo a su mayor porosidad y variable grado de cementación, al
igual que los hormigones (Tabla 3). Aunque no puede generalizarse el
efecto del tamaño de grano, puede decirse que, en general, la
resistencia a la compresión aumenta a medida que aumenta el tamaño de
grano de los materiales, a igualdad de otras variables como composición
mineral, estructura, porosidad, cementación, etc.
Tabla 3. Resistencia a la
compresión de algunas rocas y materiales de construcción (modificado de
Winkler, 1973).
|
|
(Mpa) |
kg/m2·106 |
kg/cm2·103 |
|
|
|
|
Granito |
97 |
310 |
10 |
32 |
1.0 |
3.2 |
|
Sienita |
186 |
434 |
19 |
44 |
1.9 |
4.4 |
|
Gabro, diabasa |
124 |
303 |
13 |
31 |
1.3 |
3.1 |
|
Basalto |
110 |
338 |
11 |
34 |
1.1 |
3.4 |
|
Caliza |
14 |
255 |
1 |
26 |
0.1 |
2.6 |
|
Arenisca |
34 |
248 |
4 |
25 |
0.4 |
2.5 |
|
Gneiss |
152 |
248 |
15 |
25 |
1.5 |
2.5 |
|
Cuarcita |
207 |
627 |
21 |
64 |
2.1 |
6.4 |
|
Mármol |
69 |
241 |
7 |
25 |
0.7 |
2.5 |
|
Pizarra |
138 |
207 |
14 |
21 |
1.4 |
2.1 |
|
Hormigón |
5.5 |
69 |
1 |
7 |
0.1 |
0.7 |
La resistencia a la compresión
de rocas utilizadas en monumentos granadinos es (valores obtenidos en
seco por Guardia Olmedo et al., 1986, Arte y Deterioro en los
Monumentos Granadinos. Catedral, Chancillería y Palacio de Carlos V.
Universidad de Granada, 140 p.):
Tabla 4. Resistencia a la
compresión de rocas utilizadas en monumentos granadinos (Guardia Olmedo
et al., (1986).
|
Calcarenita: |
75-500 kg/cm2 |
|
Travertino: |
400-700 kg/cm2 |
|
Conglomerados: |
200 kg/cm2 |
|
Caliza de Sierra Elvira: |
600-900 kg/cm2 |
|
Mármol de Macael: |
680-980 kg/cm2 |
|
Serpentinita: |
400-700 kg/cm2 |
Las relaciones entre esfuerzo
y deformación ilustradas en la Figura 7 son ideales, ya que representan
un comportamiento estrictamente elástico para el material en el tramo
lineal de la curva correspondiente a la ley de Hooke. No obstante, los
materiales reales muestran relaciones esfuerzo-deformación más
complicadas, no siguiéndose estrictamente la relación de linealidad.
Esto significa que las curvas esfuerzo-deformación pueden presentar
tramos elásticos, casi-elásticos,
semi-elásticos y no-elásticos (o plásticos). Los
tipos de curvas para materiales casi-elásticos, semi-elásticos y
no-elásticos se representan en la Figura 8.
Por otro lado, los materiales
pueden clasificarse como frágiles y dúctiles (Figura 9). Los
materiales frágiles (como el vidrio) se rompen cuando se supera
el límite elástico, (b y d son muy cercanos), mientras que los
materiales dúctiles (como el acero o el cobre) presentan un
tramo de comportamiento plástico amplio.
Los materiales pétreos pueden
caracterizarse, en general, como frágiles bajo condiciones de
temperatura ambiental (si bien a altas presiones y temperaturas
presentan tramos plásticos más amplios, Figura 9). La deformación
permanente entre el límite elástico y el punto de ruptura en los
materiales heterogéneos como los pétreos se verifica a bajas
temperaturas mediante una microfracturación frágil. Esta
microfracturación se produce sobre todo en el interior de los minerales
que forman las rocas, a favor de su sistema de exfoliación, o entre
microporos. El grado de microfracturación, que es controlado por las
características texturales y estructurales de los materiales (e.g.,
tamaño de grano, porosidad, razón clastos/matriz, cementación, etc.),
define en gran medida la forma de la curva esfuerzo-deformación. Así,
puede generalizarse que los materiales pétreos con tamaño de grano fino
tienden a ser casi-elásticos, mientras que los de grano grueso tienden a
ser semi-elásticos, siempre a igualdad de otros factores. Respecto de la
porosidad, materiales compactos y poco porosos tenderán a un
comportamiento casi-elástico o semi-elástico, mientras los materiales
muy porosos y poco o moderadamente coherentes (esto es, escasamente
cementados, como las calcarenitas bioclásticas utilizadas en la
construcción de edificios históricos de Granada o morteros de cal)
tienden a un comportamiento semi-elástico o plástico. El comportamiento
semi-elastico o plástico indica un rápido aumento de la deformación en
los primeros incrementos de esfuerzo, lo cual se explica por acomodo de
la carga por el movimiento relativo de los granos (gruesos) del
entramado y/o deformación de los poros, pasándose a continuación a una
situación en que la tasa de deformación es menor, esto es, de
recuperación mecánica, en la que el esfuerzo y la deformación aumentan
más o menos proporcionalmente una vez el entramado de granos ha
adquirido cierta compactación (Figura 8).
Como puede deducirse de lo
anterior, el módulo de Young sólo puede definirse en rigor cuando los
materiales elásticos, ya que la proporcionalidad lineal entre esfuerzo y
deformación no se verifica en los materiales casi-elásticos,
semi-elásticos y plásticos. A pesar de ello, este módulo puede
calcularse para partes determinadas de las curvas esfuerzo-deformación,
aunque sin el conocimiento de sus formas este dato sirve de poco. No
obstante, cuando los materiales son frágiles, y su comportamiento es
elástico o casi elástico, el módulo de Young y la resistencia a la
compresión nos permiten tener una idea bastante aproximada de las curvas
esfuerzo-deformación, ya que en estos materiales el límite de
proporcionalidad, el límite elástico y el punto de ruptura casi son
coincidentes. En estos casos, el módulo de Young será muy útil para
evaluar el comportamiento mecánico de los materiales ante la acción de
esfuerzos compresivos de tipo uniaxial.
Las anisotropías estructurales
de los materiales, tales como superficies de estratificación o
foliación, introducen lógicamente anisotropías mecánicas. Dado que estas
superficies introducen debilidades mecánicas (i.e., los materiales se
fracturan por extensión y cizalla más fácilmente a favor de las mismas),
la resistencia a la compresión y el módulo de elasticidad disminuyen si
el esfuerzo principal mayor (i.e., compresor,
s1)
es paralelo u oblicuo (cercano a 45º) a tales superficies. La
resistencia a la compresión de materiales anisótropos es máxima cuando
las superficies están orientadas perpendicularmente al esfuerzo
principal mayor. Esto es importante en la estabilidad de las estructuras
en los edificios y en los trabajos de restauración que impliquen
sustitución de piezas por materiales estructuralmente anisótropos.
 
Figura 8.
Curvas esquemáticas esfuerzo-deformación para materiales casi-elásticos
(e.g., basaltos, granitos de grano fino), semi-elásticos (e.g., calizas,
areniscas, mármoles) y plásticos (morteros de cal, morteros de yeso).
Figura 9.
Deformación frágil y dúctil bajo compresión, torsión y extensión (s1,
s2
y s3,
son los esfuerzos principales mayor, intermedio y menor,
respectivamente). Las flechas marcan las tendencias en el comportamiento
de los materiales al variar la presión, la temperatura, la presión de
fluidos localizados en los poros y la tasa de deformación.
Como se ha indicado más
arriba, la presencia de agua en el interior del sistema poroso de un
material altera sus propiedades mecánicas. Este efecto se debe dos
causas: 1) al desarrollo de presiones hidráulicas en los poros rellenos
de agua que afectan a los esfuerzos intergranulares (i.e., contactos de
granos), y 2) a la alteración de las propiedades de superficie de los
granos (minerales). Esto puede causar inestabilidad a lo largo de
superficies más débiles y disminuir la resistencia a la cizalla o
fricción, produciéndose una reducción más o menos significativa de su
resistencia a la compresión.
La razón entre los
coeficientes de resistencia a la compresión del material saturado en
agua y seco, denominado coeficiente de ablandamiento, es
una medida del efecto del agua sobre la resistencia a la compresión:
donde: Ks es
el coeficiente de ablandamiento (adimensional)
Rs
(Pa) es la resistencia a la compresión
del material saturado en agua y
Rd
(Pa) es la resistencia a la compresión del material seco.
Para algunos materiales muy
porosos fácilmente empapables, este coeficiente tiende a 0, ya que Rs
tiende a 0, mientras que otros materiales poco porosos como vidrios o
aceros el coeficiente de ablandamiento tiende a 1, esto es, retienen sus
propiedades mecánicas ante la presencia de agua. Los materiales con
coeficientes de ablandamiento mayores de 0.8 se califican de resistentes
mecánicamente respecto de la acción del agua. Los materiales con
coeficientes menores de 0.8 nunca deben exponerse a la acción de la
humedad (e.g., zócalos de elementos constructivos que sufren
infiltración capilar), y en caso de exponerse, deben aislarse de la
humedad con barreras impermeables o tratarse con productos
hidrofugantes.
Resistencia a la tensión
La resistencia a la tensión es
el esfuerzo tensional por unidad de área a la que el material falla (se
rompe) por fracturación extensional. Esta propiedad, que es una
indicación del grado de coherencia del material para resistir fuerzas
“tirantes”, depende de la resistencia de los minerales, del área
interfacial entre granos en contacto y del cemento intergranular e
intragranular.
Existen distintas técnicas
para medir la resistencia a la tensión, tanto en materiales pétreos como
en morteros, cementos y hormigones. En el ensayo de tracción directa,
quizás el más apropiado, se utilizan probetas cilíndricas con una razón
longitud/diámetro de 2 a 2.5. Los extremos de las probetas se introducen
(y pegan con resina epoxi) en unas cápsulas que están unidas a cadenas
que transmiten el esfuerzo tensional sin introducir componentes de
torsión. La norma ASTM D2936 regula los métodos y condiciones
experimentales este ensayo.
Los conceptos, definiciones y
controles de la deformación introducidos anteriormente para la
resistencia a la compresión pueden ser extendidos sin más problema a la
resistencia a la tensión. Respecto de los materiales pétreos de
construcción, puede generalizarse que, para un material dado, la
magnitud de la resistencia a la tensión suele ser de un orden de
magnitud menor que la resistencia a la compresión. En la Tabla 5 se
presentan valores de resistencia a la tensión para algunas rocas medidos
con la técnica de tracción directa.
Tabla 5. Resistencia a la
tensión (Mpa) de algunas rocas (de Touloukian y Ho, 1981).
|
Basalto |
8.6 |
|
|
Conglomerado |
29.7 |
|
|
Calizas |
4.2 |
5.8 |
|
Arenisca |
1.1 |
1.7 |
|
Arenisca calcárea |
4.3 |
|
|
Esquistos |
3.1 |
|
Resistencia a la flexión
La resistencia a la flexión, o
módulo de ruptura, es la resistencia de un material a ser doblado
(plegado) o flexurado. La medida de esta propiedad se realiza con barras
de material asentadas sobre dos pivotes y aplicando carga sobre el
centro de la barra (norma ASTM C99-52). La resistencia a la flexión (Sm)
viene dada por la expresión:
donde: P (Pa) es la
carga aplicada
l
(m) es la distancia entre los pivotes y
d3
(m) es el diámetro de la probeta
si la probeta es cilíndrica, y
por la expresión:
donde: b (m) es el
ancho de la sección de la probeta y
h
(m) es el largo de la probeta
si la probeta es prismática.
Para un material pétreo dado,
el valor de resistencia a la flexión es cercano al doble de su
resistencia a la tensión medida con el método de tracción directa.
Fatiga
Cuando los materiales sufren
esfuerzos de forma cíclica sin llegar al punto de ruptura, se observa un
debilitamiento mecánico de los mismos con el tiempo. Esto implica una
pérdida de sus propiedades mecánicas, que puede dar lugar a la
fracturación bajo esfuerzos mucho menores que los apropiados para los
materiales “frescos” que no han sido sometidos a esfuerzos. A esta
característica de los materiales se le denomina fatiga.
Se ha encontrado que la causa
fundamental del fallo por fatiga de los materiales pétreos es la
microfracturación. Los experimentos llevados a cabo sugieren una
evolución episódica para la fatiga. Inicialmente, se produce una
microfracturación entre los contactos de grano y en el interior de los
cristales a favor de los planos de exfoliación y superficies de
partición de los mismos. A continuación, existe un periodo de
aquiescencia, con escasa deformación adicional. En el último estadio,
las microfracturas coalescen, perdiéndose coherencia e iniciándose el
fallo (fracturación) del material. No obstante, también parece que la
fatiga es un proceso continuo, disipándose la energía en forma de
microfracturas hasta el punto en que se supera un nivel crítico en el
que ocurre el fallo.
La mayor parte de los procesos
de deterioro de tipo mecánico que sufren los materiales pétreos en los
edificios se deben al fallo por fatiga, ya que los esfuerzos generados
no suelen superar la resistencia a la compresión, tensión o flexión de
los materiales “frescos”. No obstante, también hay que tener en cuenta
el efecto de otros procesos físicos y químicos de alteración, que
modifican las propiedades mecánicas originales de los materiales,
generalmente reduciendo sus propiedades mecánicas.
Las rocas son materiales con
elevada resistencia a la compresión y en menor medida a la flexión y la
tensión. Por esta razón son materiales apropiados para elementos
constructivos tales como muros, paramentos, columnas, etc., que sufren
importantes cargas compresivas, y no tanto para elementos constructivos
que sufren importantes esfuerzos tensionales y de flexión, como los
generados en estructuras adinteladas o arquitrabadas. Por esta razón, la
luz de los arquitrabes no puede ser elevada.
La resistencia a la tensión es
una propiedad particularmente importante desde el punto de vista de los
procesos de alteración de materiales pétreos de construcción. Esto es
debido tanto a la existencia de procesos de alteración cíclicos que
generan importantes esfuerzos tensionales capaces de producir fallos
mecánicos (fracturación) por fatiga en los materiales, como al hecho de
ser la propiedad mecánica cuantitativamente más deficiente en los
mismos. Entre los procesos de deterioro mecánico por generación de
esfuerzos tensionales cabe destacar los cambios volumétricos que sufren
los materiales al sufrir variaciones de temperatura, la formación de
hielo y la cristalización e hidratación/deshidratación de sales solubles
en el interior del sistema poroso de los materiales.
Figura 10.
Acciones mecánicas en el sistema adintelado (modificado de Ortega
Andrade, 1993)
Dureza
La dureza es la resistencia de
los materiales para resistir la penetración de otro cuerpo. Para el caso
de minerales, la dureza se ha considerado clásicamente como la
resistencia que presenta un mineral a ser rayado por otro mineral o
material. F. Mohs dedujo empíricamente una escala cualitativa basada en
las durezas relativas de distintos minerales que ha sido muy utilizada
como criterio de clasificación y de determinación. Esta escala es como
sigue:
|
Dureza |
Mineral |
|
1 |
Talco |
|
2 |
Yeso |
|
3 |
Calcita |
|
4 |
Fluorita |
|
5 |
Apatito |
|
6 |
Ortosa |
|
7 |
Cuarzo |
|
8 |
Topacio |
|
9 |
Corindón |
|
10 |
Diamante |
Cada uno de estos minerales es
capaz de rayar a los situados antes que él en la escala, y a su vez es
rayado por los que vienen después. La medida de la dureza suele ser
cualitativa (aunque hay métodos de determinación precisa)
estableciéndose en una primera aproximación en base a los siguientes
criterios: si la uña raya al mineral la dureza es menor de 2.5; si una
navaja raya al mineral la dureza es menor de 5.5; si el mineral raya al
vidrio la dureza es igual o mayor de 7. Así, el cuarzo se diferencia de
la calcita en que aquel raya al vidrio y ésta no.
Esta propiedad es vectorial,
es decir, depende de la dirección en que se aplique en un mineral,
debido a la diferente distribución de enlaces cristalinos en las
estructuras minerales. Así, por ejemplo, la distena (Al2SiO5)
es un mineral de hábito prismático que presenta una dureza de 4 a lo
largo de su elongación mayor y de 6.5 perpendicularmente a la misma. En
general, los minerales presentan durezas más bajas en superficies de
exfoliación respecto de otras direcciones. En cualquier caso, la dureza
depende del tipo de enlaces atómicos presentes, de la estructura y de la
composición. A igualdad de otros factores, los minerales con estructuras
más densas son más duros (e.g. el aragonito tiene una dureza de 4 y la
calcita de 3), y los que presentan elementos más pequeños son más duros
(e.g. el corindón (Al2O3) tiene una dureza de 9 y
la hematites (Fe2O3) de 6, presentando el Al+3 un radio
iónico de 0.57 Å y el Fe+3 de 0.67 Å). En general, los
minerales que presentan moléculas de (OH) o de agua (H2O)
tienen durezas bajas, lo cual es debido a que en las estructuras
hidratadas existen enlaces débiles entre estas moléculas y el resto de
los átomos, como en el caso del yeso (CaSO4·2H2O)
y el talco (Mg3Si4O10(OH)2).
Aplicadas a los materiales
pétreos, esta propiedad es importante para evaluar la trabajabilidad,
con utensilios de impacto y abrasivos, de los materiales en la cantera y
en la obra. Existen muchos métodos de evaluar la dureza: la resistencia
al rayado, a la indentación, a la
abrasión, al rebote y al impacto. La
gran complejidad de los materiales pétreos no permite una correlación
clara entre los distintos parámetros de resistencia mecánica y de
dureza, aunque en general, la dureza de los materiales aumenta a medida
que la resistencia a la compresión aumenta. Dado que las rocas son
materiales frágiles, presenta débil o moderada resistencia al impacto,
por lo que son materiales trabajables con herramientas de
impacto. Esto permite en la mayor parte de los casos un buen acabado. Lo
mismo puede decirse de su buena trabajabilidad por pulido,
particularmente en rocas como calizas y mármoles, aunque existen rocas
relativamente duras (i.e., aquellas que presentan abundante cuarzo, como
cuarcitas y granitos) que resisten bien la raya y la abrasión.
Expansión térmica
En general, el incremento de
la temperatura de cualquier material produce un aumento de su volumen.
Esto se debe a que la energía térmica absorbida induce un incremento en
las vibraciones de los átomos constitutivos de la materia, agrandando
las distancias interatómicas. Este fenómeno se describe como
expansión volumétrica de origen térmico a presión constante, o
simplemente expansión térmica, y su medida se realiza en
términos del coeficiente de expansión térmica (a).
Este coeficiente representa el incremento relativo de volumen producido
al aumentar la temperatura en un grado a presión constante, y puede
escribirse como:
a
= 1/V*(DV/DT)
cuando el incremento de
volumen no depende de la temperatura a la que se mida. Las dimensiones
de a
son ºC-1, y sus valores son positivos en la mayor parte de
los casos ya que, como se ha indicado anteriormente, las sustancias
suelen aumentar de volumen al aumentar la temperatura. No obstante,
existen algunas sustancias que disminuyen su volumen al aumentar la
temperatura en determinados rangos de esta última, como es el caso del
cuarzo-b
(y el agua).
Por lo que se refiere a los
minerales cuya estructura cristalina no es cúbica, como es el caso de la
mayoría de los minerales que constituyen las rocas comunes, sus
coeficientes de expansión térmica dependen de la dirección cristalina en
la que se mida (esto es, los minerales son anisótropos respecto de esta
propiedad). Así, el cuarzo-a
se expande más perpendicularmente a su eje c (eje principal de
simetría y de elongación) que paralelamente a él. Este
comportamiento se denomina expansión térmica diferencial,
y su medida se realiza en términos de coeficientes de expansión
térmica lineal (l), que representan los incrementos relativos de
longitud producidos al aumentar la temperatura en un grado a presión
constante:
l
= 1/l*(Dl/DT)
La dimensión de este
coeficiente es también ºC-1, y sus valores son positivos en
la mayor parte de los casos por la misma causa que se ha indicado más
arriba. No obstante, existen algunas sustancias que disminuyen su
longitud en direcciones determinadas al aumentar la temperatura, como en
el caso de la calcita, que se expande paralelamente a su eje c y
se contrae perpendicularmente a él. No obstante, el coeficiente
de expansión térmica de la calcita en términos de volumen es positivo,
ya que la contracción que sufre perpendicularmente al eje c es
proporcionalmente menor a la expansión que sufre paralelamente al mismo.
En el caso del cuarzo-b,
el incremento de temperatura supone contracciones en todas las
direcciones cristalográficas, por lo que el resultado neto es un
descenso de volumen (o aumento de densidad).
Figura 11.
Expansión térmica volumétrica y lineal de algunos minerales formadores
de rocas (tomado de Winkler, 1973).
Tabla 6. Expansión térmica
lineal y volumétrica del cuarzo desde 0 a 1000 ºC a 1 bar de presión
(tomado de Winkler, 1973).
|
Temperatura ( ºC) |
Incremento de l
^
c (%) |
Incremento de l // c (%) |
Incremento de volumen (%) |
|
50 |
0.07 |
0.03 |
0.17 |
|
100 |
0.14 |
0.08 |
0.36 |
|
200 |
0.30 |
0.18 |
0.78 |
|
300 |
0.49 |
0.29 |
1.27 |
|
400 |
0.72 |
0.43 |
1.87 |
|
500 |
1.04 |
0.62 |
2.70 |
|
570 |
1.46 |
0.84 |
3.76 |
|
573 |
Transición de cuarzo-a
a cuarzo-b |
|
580 |
1.76 |
1.03 |
4.55 |
|
600 |
1.76 |
1.02 |
4.54 |
|
700 |
1.75 |
1.01 |
4.51 |
|
800 |
1.73 |
0.97 |
4.43 |
|
900 |
1.71 |
0.92 |
4.34 |
|
1000 |
1.69 |
0.88 |
4.26 |
Propiedades de los morteros de reintegración en pilares de travertino de
la Colegiata del Salvador (Albaycin)
DURAN SUAREZ, J.A., GARCÍA CASCO, A., SANCHEZ NAVAS, A., RODRIGUEZ
GORDILLO, J. 1993. Caracterización de alteraciones en pilares de
travertino de la Iglesia del Salvador (Granada). Propuestas
restauradoras. Boletín de la Sociedad Española de Mineralogía 16,
1-12.
PATENTE: Durán Suárez,
Jorge Alberto & García Casco, Antonio. (10 May, 2004). Piedra artificial
porosa: prefabricados y morteros adaptables (kit) para aplicación en
obras de construcción y restauración. Patent Owner: University of
Granada. 
A. García Casco y J.A. Durán Suárez, 1991. PROYECTO DE RESTAURACIÓN
PILARES DE TRAVERTINO DEL PATIO DE LA COLEGIATA DEL SALVADOR ALBAYCIN,
GRANADA.
Inédito.
A. García Casco y J.A. Durán Suárez, 1993. INFORME DE RESTAURACIÓN
PILARES DE TRAVERTINO DEL PATIO DE LA COLEGIATA DEL SALVADOR ALBAYCIN,
GRANADA.
Inédito.
Los morteros de reintegración
que han sido utilizados en la obra de restauración realizada en el curso
1993/94 fueron fabricados específicamente para reintegrar las faltas en
los pilares de travertino. Los criterios fundamentales para la
elaboración de estos morteros fueron los siguientes:
·
Que presentasen una elevada
porosidad, además de un tamaño de macroporos elevado, similar al del
travertino.
·
Que la proporción de poros de
dimensiones menores de 1
mm
no fuese elevada, o en cualquier caso similar a la del travertino,
para evitar problemas de infiltración capilar preferente a través de
los morteros.
·
Que el aglomerante presentase
cierta hidraulicidad, utilizando para ello mezclas de cal aérea, cal
hidráulica y/o cemento portland.
·
Que contuviesen la menor
proporción posible de cemento portland (que incluye en torno a 2-5%
de yeso), para evitar problemas ulteriores como presencia de sales y
ataque químico.
·
Que presentasen una resistencia
mecánica inferior a la del travertino, lo que garantiza su
degradación preferencial respecto a la del mismo.
En total, se diseñaron 12
mezclas, cuya composición se expresa en la Tabla 4 en partes de cada
componente en volumen. En estas mezclas, el aireante utilizado consistió
en poliestireno expandido (poliespán), ya que es soluble en
acetona y puede retirarse una vez fraguado el mortero. La proporción de
aireante fue elevada en todos los casos (50% en volumen), para conseguir
una porosidad elevada en los morteros, similar o mayor que la del
travertino (ver más adelante). La adición de tal cantidad de
poliestireno expandido confirió unas propiedades mecánicas deficientes
en la mayoría de los morteros, que resultaron ser demasiado frágiles una
vez fraguados y retirado el poliestireno con acetona a pesar de que en
algunos morteros se añadió acetato de polivinilo (de acción
aglomerante).
Las únicas mezclas que
resultaron factibles para su utilización como morteros de reintegración
desde el punto de vista mecánico fueron las M3 y M4, ambas a base de cal
hidráulica y sin cemento portland. Paralelamente a los trabajos de
restauración, se llevó a cabo una serie de trabajos de control sobre las
propiedades mecánicas y el comportamiento de los morteros de
restauración M3 y M4 y el travertino. A continuación, se describen los
ensayos efectuados y los resultados obtenidos.
Tabla 4. Composición (partes
en volumen) de los morteros de reintegración diseñados para reintegrar
los pilares de travertino del patio de la Iglesia del Salvador
(Albaycin).
|
|
Cal aérea |
Cal hidráulica |
Cemento Portland |
Árido |
Aireantes |
Acetato
de polivinilo |
|
m1 |
1 |
- |
- |
3 |
4 |
0.5 |
|
m2 |
1 |
- |
- |
2 |
3 |
0.5 |
|
m3 |
- |
1 |
- |
3 |
4 |
- |
|
m4 |
- |
1 |
- |
2 |
3 |
- |
|
m5 |
1 |
2/3 |
- |
4 |
6 |
- |
|
m6 |
1 |
1/3 |
- |
4 |
5 |
- |
|
m7 |
1 |
1/15 |
- |
4 |
5 |
0.3 |
|
m8 |
1 |
1/30 |
- |
4 |
5 |
0.3 |
|
m9 |
1 |
- |
2/3 |
4 |
6 |
- |
|
m10 |
1 |
- |
1/3 |
4 |
5 |
- |
|
m11 |
1 |
- |
1/15 |
4 |
5 |
0.3 |
|
m12 |
1 |
- |
1/30 |
4 |
5 |
0.3 |
Resistencia a la compresión
uniaxial
Las probetas utilizadas fueron
cilíndricas de 4 cm de diámetro por 10 cm de alto. Se ensayaron 4
probetas de travertino y 3 probetas por cada tipo de mortero de
restauración. Los resultados obtenidos se presentan en los diagramas
sl-el
de la Figura 12. En esta figura pueden apreciarse los tramos elásticos
de las curvas sl-el
donde el esfuerzo es directamente proporcional a la deformación (i.e.,
ley de Hooke). Es en estos tramos donde se han medido las constantes de
proporcionalidad (i.e., módulo de Young), que se indican en los
diagramas (expresados en Mpa). Puede apreciarse que los valores de los
módulos de Young para los travertinos son bastante mayores que para los
morteros de restauración M3 y M4, lo que garantiza una mayor debilidad
mecánica de estos últimos. Esto es importante ya que cualquier mortero
de reintegración debe responder con menor efectividad que el material
pétreo original ante cualquier esfuerzo aplicado, como esfuerzos
derivados de cambios volumétricos debidos a cambios de temperatura, de
cristalización de sales o de la transición hielo-deshielo en el interior
del sistema poroso, etc. No obstante, el mortero M4 es preferible al M3,
ya que el primero presenta mayores valores de E y las diferencias
respecto de los valores de E del travertino son de un orden de magnitud.
Figura 12.-
Diagramas esfuerzo-deformación para las muestras de travertino y
morteros M3 y M4. Las cifras que aparecen en los diagramas son los
módulos de Young respectivos calculados mediante regresión lineal sobre
los tramos rectos de las curvas.
Por otra parte, el
comportamiento mecánico de los morteros de restauración M3 y M4 es
esencialmente plástico, lo cual permite suponer que la deformación se
acomodará por deformaciones permanentes, y no por fracturación.
Porosidad
La porosidad se ha obtenido
con un porosímetro de inyección de mercurio sobre pequeñas muestras de
unos mm de diámetro. Los resultados obtenidos se muestran en la Figura
13, que permite apreciar la gran heterogeneidad en la distribución de
poros del travertino y la homogeneidad de la porosidad de los morteros.
No obstante, los mayores porcentajes de porosidad se localizan en ambos
tipos de materiales en el rango de 0.001 y 0.01 milímetros (1-10
micras). En términos generales, puede concluirse que la porosidad de los
morteros no difiere excesivamente de la de los travertinos.
Figura 13.-
Distribución de la porosidad en función del tamaño de poro en los
travertinos y morteros M3 y M4.
Aunque este tipo de ensayo no
permite evaluar los porcentajes de radios de poro mayores de 1 mm, no se
dispone de información sobre la porosidad macroscópica tan elevada que
presentan tanto los travertinos como los morteros de restauración
fabricados. No obstante, los ensayos de saturación libre en agua y
desorción permiten especular con una macroporosidad similar en ambos
materiales.
Saturación y desorción de
agua
Se utilizaron 3 probetas
cúbicas de dimensiones 3 x 3 x 3 cm por cada tipo de material. El ensayo
de desorción se realizó bajo condiciones de temperatura (ca. 20 ºC) y
humedad relativa (40-50 %) controladas. Las curvas Wt- que
caracterizan el comportamiento del material se representan en la Figura
14.
Los resultados obtenidos
permiten concluir que los morteros de restauración absorben mayores
cantidades de agua que el travertino. Esta característica no debe ser
interpretada necesariamente como negativa, ya que debe tenerse en cuenta
que los pilares de travertino rara vez se encontrarán inmersos en agua
(sólo una gran inundación daría las condiciones apropiadas). Además, una
mayor absorción de agua supone que los morteros actuarán como “esponjas”
por comparación con el travertino, lo que garantiza su alteración
preferente de los morteros. Por otro lado, las curvas de desorción
indican que los morteros expulsan mayores cantidades de agua que el
travertino en rangos de tiempo similares, lo cual es claramente una
ventaja adicional de estos morteros de restauración.
Figura 14.-
Curvas de saturación libre (diagramas de la derecha) y desorción
(diagramas de la izquierda) en las muestras de travertino y morteros M3
y M4. C.A y C.S son los coeficientes de absorción y desorción,
respectivamente. Las curvas se han construido sobre los valores medios
respectivos obtenidos para cada tiempo. Se indican además las barras de
error sobre las medias para cada tiempo y el error en las regresiones
lineales con las que se han estimado los coeficientes
Capilaridad
Se han utilizado probetas
prismáticas de dimensiones 3 x 3 x 10 cm (3 probetas por tipo de
material). Las curvas de succión y penetración capilar (Figura 15)
muestra que los coeficientes de absorción y penetración capilar son algo
mayores en los morteros que en el travertino, aunque las diferencias son
mínimas y las formas de las curvas son similares para todos los
materiales. En consecuencia, la succión capilar en los morteros de
restauración fabricados será algo mayor que en el travertino. La
importancia de esta característica negativa puede minimizarse a nuestro
juicio, ya que los arriates que anteriormente existían adyacentes a los
pilares, y que eran una fuente importante de agua en el subsuelo que
ascendía por capilaridad, han sido eliminados. Aunque el ascenso capilar
no debe una fuente importante de degradación en los pilares, ante la
ausencia de un reservorio de agua de riego, se recurrió a hidrofugarlos
con un protectivo hidrorrepelente.
Figura 15.-
Curvas de succión y penetración capilar en las muestras de travertino y
morteros M3 y M4. C.S.C. y C.P.C. son los coeficientes de succión y
penetración capilares, respectivamente. Las curvas se han construido
sobre los valores medios obtenidos para cada tiempo. Se indican además
las barras de error sobre las medias para cada tiempo y el error en las
regresiones lineales con las que se han estimado los coeficientes.
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