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TEMA 6: METEORIZACIÓN Y
CLIMA
PROCESOS DE ALTERACION
El deterioro de los materiales
que constituyen un objeto cualquiera en el medio ambiente atmosférico,
por ejemplo, una obra de arte,
es un proceso natural,
progresivo e irreversible (i.e., imparable), que conduce inevitablemente
a la destrucción del material.
Esto es debido a la tendencia
natural de las sustancias a equilibrarse (hablando en términos
fisicoquímicos) con el medio ambiente en que se encuentran, lo cual
implica que se disparen procesos de transformación, que denominamos
procesos de deterioro, que operan con mayor o menor velocidad.
Particularizando en el caso
que nos ocupa del material pétreo, esta tendencia al deterioro en el
medio ambiente atmosférico se debe a las diferencias fisicoquímicas
existentes entre éste y aquel en que se formó la roca. Esto es, las
variables fisicoquímicas como temperatura, presión, acidez (pH),
potencial de oxidación-reducción (Eh), presencia y concentración de
especies gaseosas (e.g. H2O, CO2, SO2,
SO3...), presencia y composición de fases líquidas, etc., no
son las mismas en los medios de formación y atmosférico. Esto implica
que los constituyentes minerales de las rocas y su estado mecánico no
son estables en las nuevas condiciones (en contacto directo con la
atmósfera), tendiendo a transformarse. El resultado es que la piedra
pierde sus características originales (cohesión, porosidad,
microfracturación, color, mineralogía, etc.).
Para evaluar los procesos de
alteración, hay que tener en cuenta las propiedades del ambiente
superficial atmosférico. Este se caracteriza por:
·
unas condiciones cambiantes y muy
variables,
·
la presencia de agua en sus tres
estados de agregación (sólida, líquida y gaseosa), y
·
unas condiciones ambientales
dinámicas, que facilita el transporte rápido de materia.
Para un mismo punto
geográfico, la escala de las variaciones climáticas es tanto diurna como
estacional. Este aspecto es muy importante, ya que las rocas están
sometidas a condiciones ambientales muy variables a pequeña escala de
tiempo (por comparación con la escala de tiempo para la formación de las
rocas, que oscila entre varios miles a cientos de miles de años), lo
cual conduce, por lo general, a un aceleramiento de los procesos de
transformación del material original.
La presencia de agua es
decisiva, ya que es un componente importante en muchas reacciones de
alteración y sirve de solvente para una gran cantidad de especies
químicas que interaccionan con las rocas. Además, la presencia de agua
en fase líquida y gaseosa permite un rápido transporte de materia entre
la roca y el medio ambiente, por lo que el proceso de degradación es
continuo. Existen otras formas de transporte, tales como la propia
pérdida de materia por gravedad o el intercambio debido a la acción de
plantas y animales.
La circulación de soluciones
acuosas por los sistemas porosos de las rocas implica la cristalización
de sales solubles en el interior o exterior de los componentes pétreos.
Los procesos de cristalización e hidratación/deshidratación de sales
conllevan el desarrollo de importantes esfuerzos en el interior de las
rocas, al igual que durante la transformación de agua a hielo, común
bajo ciertas condiciones climáticas. Todos estos esfuerzos acaban por
modificar las propiedades mecánicas de las rocas, que con el tiempo
pierden su resistencia a la compresión y a la tracción, llegando
finalmente a fracturarse.
Todas estas consideraciones
pueden aplicarse por igual a las rocas que afloran de forma natural en
la superficie terrestre como a las localizadas en monumentos. Sin
embargo, en estas últimas hay que tener en cuenta además el efecto
acelerador que sobre el deterioro de las rocas tienen las condiciones
atmosféricas polucionadas de áreas urbanas e industriales. La mayor
velocidad de reacción entre las rocas y los componentes de las
atmósferas polucionadas se debe al hecho de que las últimas presentan
elevadas concentraciones de especies químicas muy reactivas, como ácidos
fuertes, y de catalizadores de las reacciones, como metales pesados y
partículas en suspensión (aerosoles). Otra consideración particular
aplicable a los materiales pétreos en los monumentos es la relacionada
con la estabilidad estructural de los mismos. En casos de subsidencia
del terreno, terremotos, o simplemente el mal diseño original de los
edificios, se desarrollan esfuerzos que acaban por fracturar las
fábricas y, eventualmente, causar la ruina de los edificios.
Todas estas consideraciones
llevan a concluir que el deterioro de los materiales ocurre de forma
rápida. Este proceso de deterioro hay que entenderlo como dinámico, esto
es, su evolución depende de muchos factores cambiantes en el tiempo.
Así, puede considerarse que la alteración del material que será
utilizado como material de construcción u ornamentación comienza desde
el momento mismo de su extracción en la cantera. Los mecanismos de
extracción, manipulación, transporte y labrado ya pueden introducir
modificaciones de las características originales de la roca, tales como
microfisuración superficial o global de los bloques. Al mismo tiempo,
los factores ambientales, como lluvia, cambios diarios de temperatura,
etc, comienzan a actuar en la misma cantera, y continuarán una vez
localizado el material en la obra. Con el paso del tiempo, los
diferentes factores ambientales adquieren mayor o menor importancia, lo
que implica que la intensidad de los distintos procesos de deterioro
(controlados por estos factores ambientales) también variará con el
tiempo. Así, es normal que pueda predominar uno de estos procesos, o una
combinación determinada de los mismos, en distintos estadios de la
historia del edificio.
A continuación, se verán
brevemente los factores ambientales y los agentes degradantes que
condicionan los procesos de alteración, y posteriormente la tipología de
estos últimos, que se establece en términos de causas físicas
o mecánicas, químicas y biológicas.
FACTORES AMBIENTALES Y
AGENTES DEGRADANTES
Factores ambientales
Los factores ambientales
pueden definirse como el
conjunto de condiciones
del medio ambiente (esencialmente atmósfera) que controlan directamente
las condiciones físicas, e indirectamente las químicas y biológicas, a
que son sometidos los materiales.
Los procesos de alteración
están controlados tanto por estos factores, que son esencialmente
climáticos, como por las características del material (composición,
texturas, estructuras, etc.) que sufre la alteración.
Es lógico pensar en una
estrecha relación entre alteración y clima. Los factores climáticos más
importantes están relacionados con la temperatura y la
disponibilidad de agua (en sus tres estados de agregación) en
el medio. Otros factores climáticos pueden ser también importantes, como
la presencia de vientos permanentes, dominantes o esporádicos, días de
cielos cubiertos y despejados, etc. Sin embargo, los procesos de
alteración más importantes de los bienes culturales son controlados
esencialmente por los dos factores ambientales principales: temperatura
y presencia de agua.
Temperatura y agua
Las condiciones ambientales
relativas a la temperatura y la presencia de agua, inherentes al clima,
suelen describirse como condiciones termohigrométricas,
que deben ser especificadas en cualquier estudio de las causas de
alteración. El conocimiento de las condiciones termohigrométricas del
medio implica conocer la cantidad de precipitación total, intensidad de
la lluvia, cantidad de agua perdida por escorrentía, relación
precipitación-evaporación, humedad del aire, temperatura media del aire,
rango de variación máxima y mínima, fluctuaciones sobre el punto de
helada, de rocío, etc. No obstante, una primera aproximación al clima
puede obtenerse mediante la temperatura media y la precipitación media
anuales.
Las variaciones de temperatura
del ambiente (y en consecuencia del material) controlan directamente
ciertos procesos de deterioro, en su mayoría de tipo físico o mecánico,
tales como deformaciones inducidas por expansiones y contracciones
térmicas del material al sufrir bruscos incrementos de temperatura, o
por gelifracción (transformación agua-hielo) del agua localizada en los
sistemas porosos de los materiales. Pero las condiciones de temperatura
y la presencia de agua en el ambiente controlan, además, de forma
indirecta, otros muchos procesos de alteración, tanto mecánicos como
químicos o biológicos. Por poner dos ejemplos ilustrativos, la
condensación del vapor de agua atmosférico puede facilitar su
circulación por el material pétreo, condicionando su ataque químico,
mientras que el aumento de temperatura (diurno y en la estación cálida)
suele conllevar un aumento de la tasa (i.e., velocidad) de las
reacciones químicas (un incremento de 10 °C puede incrementar la tasa de
reacción en dos o tres veces), lo que condiciona la aceleración del
deterioro del material.
Dadas las particularidades
microclimáticas de los edificios (i.e., interiores vs. exteriores, caras
orientadas al sur vs. caras orientadas al norte, etc.) las condiciones
termohigrométricas y sus cambios a escala diaria y estacional deben
referirse a las diferentes partes de la obra a considerar.
Particularmente en lo que se refiere a la presencia de agua, debe
conocerse la contribución de sus distintos orígenes, que son tanto
“naturales” como “artificiales”:
1)
Agua de lluvia (teniendo en cuenta los defectos en elementos
constructivos evacuadores del agua, como tejas, cornisas, gárgolas,
canalones, etc.).
2)
Humedad del aire.
·
Natural.
·
Artificial (e.g., baños, duchas,
cisternas, albercas, organismos inferiores y plantas superiores en
interiores y exteriores, presencia humana en interiores, etc.).
En este sentido es interesante señalar la frecuente
alteración de elementos ornamentales en los baños térmales (e.g., las
columnas y capiteles de caliza y mármol de los baños de la Carrera del
Darro, en Granada, han sufrido una intensa disolución fácilmente
apreciable).
3)
Humedad del subsuelo.
·
Natural.
·
Artificial (e.g., riegos de jardines,
patios o calles, fregado del suelo, defectos en los elementos de
conducción del agua en el edificio y/o edificios adyacentes, tales como
grifos, cañerías, darros, etc.).
Salvando estas las
complicaciones introducidas por las condiciones microclimáticas de los
edificios, pueden establecerse relaciones generales entre las
condiciones termohigrométricas del medio y la intensidad y tipología de
los procesos de alteración. Estas relaciones pueden observarse en
diagramas temperatura media anual vs. precipitación media anual como los
de la Figura 1. En estos diagramas puede apreciarse que a medida que
aumenta la precipitación anual, la alteración química es más importante,
debido a la mayor disponibilidad de agua. Al mismo tiempo, la alteración
química también se incrementa al aumentar la temperatura debido al
aumento de la velocidad de las reacciones químicas. La alteración
química será por lo tanto mayor en climas cálidos y
húmedos, decreciendo a mediada que la temperatura y la
precipitación descienden. Aunque no se muestra un diagrama similar para
la alteración de origen biológico, puede asumirse el
anterior ya que, en general, el aumento de temperatura y de
precipitación supone un aumento de flora y fauna (musgos, líquenes,
algas, bacterias, etc.), y por lo tanto, las reacciones químicas
relacionadas con la actividad orgánica son más abundantes y rápidas.
Respecto de la acción mecánica del hielo, puede observarse
que en zonas demasiado cálidas para que se produzcan heladas, se obtiene
un mínimo, al igual que en zonas polares demasiado frías para
descongelar el hielo (nótese que no está considerada la acción de la
insolación como proceso de alteración mecánico). Finalmente, pueden
construirse diagrama compuestos en los que se tienen en cuenta todos los
tipos principales de alteración.
Estos mismos diagramas pueden
ser aplicados de manera cualitativa a los procesos de alteración de
materiales pétreos en monumentos. En la Figura 2, se presentan los datos
pertinentes para un gran número de estaciones climáticas localizadas en
nuestro entorno geográfico (i.e., Cordilleras Béticas, se excluye el
valle del Guadalquivir y Sierra Morena). Aunque puede apreciarse que el
clima en su conjunto es semiárido, otros factores locales, tales como
condiciones microclimáticas del edificio, polución, aguas subterráneas,
etc, pueden distorsionar las relaciones cualitativas entre clima y
procesos de deterioro discutidas más arriba.
Figura 1. Diagramas
temperatura media anual vs. precipitación media anual con indicación de
las áreas climáticas y su relación con la intensidad de distintos tipos
de alteración de rocas compuestas por silico-aluminatos (si se hubiese
considerado la acción de la insolación habría que localizar un máximo de
alteración mecánica en el sector inferior derecho que se corresponde con
climas áridos y semiáridos) (modificado de Ollier, 1984).
Además, los diagramas
anteriores están construidos considerando que el tipo de roca que sufre
la alteración presenta una composición mineral rica en silicoaluminatos
(e.g., granitos). Puesto que las rocas carbonatadas son muy frecuentes
como material de construcción y ornamentación, es importante tener en
cuenta los factores ambientales y agentes degradantes que condicionan
los procesos de alteración de las mismas. A este respecto, puede decirse
que los factores termohigrométricos son igualmente decisivos como
controles de la alteración, aunque dada la especificidad composicional
del material (carbonatos de Ca y Mg) el control no es idéntico al hasta
ahora visto. Por ejemplo, el aumento de la velocidad de reacción debido
a un aumento de temperatura en el proceso de disolución de la calcita se
ve descompensado por el descenso de la solubilidad de CO2 en
el agua (al aumentar T), lo cual implica que, independientemente de
otros factores como la actividad orgánica, la alteración de un material
calizo sea más intensa en climas húmedos y fríos, y no en los cálidos.
Estos aspectos serán analizados más detalladamente en el Capítulo 9.
Figura 2. Temperaturas y
precipitaciones medias anuales en las Cordilleras Béticas, con
indicación de áreas climáticas (modificado de Pezzi, 1977).
Humedad del aire
Un aspecto importante desde el
punto de vista conservativo es el control de la humedad del aire.
Existen distintos conceptos utilizados para controlar las relaciones
entre cantidad de vapor de agua en el aire y temperatura:
·
La humedad absoluta
(HA) es la masa de vapor de agua contenida en una unidad de volumen
de aire. Se expresa en gramos de vapor de agua por metro cúbico de aire.
·
La razón de mezcla
es la razón entre la masa de vapor y la masa del aire seco a la que
se mezcla. Se expresa en gramos de vapor por kilogramos de aire seco.
·
La humedad específica
es la razón entre la masa de vapor y la masa de aire seco más el
vapor mezclado. Se expresa en las mismas cantidades que la razón de
mezcla, esto es, en gramos de vapor por kilogramos de aire más vapor.
Debido a que en la práctica la masa de vapor de aire es muy pequeña, los
valores de la humedad específica y la razón de mezcla son casi iguales
(siempre la humedad específica es un poco menor).
·
La presión de vapor
(PH2O) es la contribución a la presión atmosférica del
vapor de agua contenido en el aire. Dado que el vapor de agua tiene un
peso molecular menor que el del aire puro y seco, el aire húmedo es
menos denso que el seco (comparando volúmenes iguales a una temperatura
y presión dadas), y por lo tanto la presión atmosférica es menor en el
caso de aire húmedo que seco. Se expresa en unidades de presión,
normalmente en milibares (mbar; 1 atmósfera = 1.013 bares = 1013
milibares = 760 mm de mercurio = 1.013·105 Pa (Newton/m2)).
·
La presión de vapor de
saturación (PH2O,o, o, para simplificar, Po)
es la presión de vapor a la que el líquido (agua) y el vapor están en
equilibrio, esto es, en el punto en que el aire se satura y se condensa
el vapor. Esta presión es función de la temperatura. En el estado de
saturación la masa de vapor de agua disuelta en un volumen dado de aire
es la máxima posible. A medida que la temperatura del aire aumenta, la
cantidad de vapor que puede ser disuelto aumenta, por lo que la presión
de vapor de saturación también aumenta. En climas templados como el
nuestro, la humedad absoluta bajo condiciones de saturación oscila entre
3-4 y 30-40 g/m3, para unas temperaturas de -5 y 35 °C
respectivamente. La presión de vapor de saturación a una temperatura
determinada puede ser calculada a partir de la fórmula:
donde: Po(T)
(mbar) es la presión de vapor de saturación a la temperatura de interés
T,
Po(0)
(=6.10 mbar) es la presión de vapor de saturación a 0 °C,
T (°C) es
la temperatura de interés, y
a y b
son constantes que valen 7.5 y 273.3 ºC, respectivamente (a temperaturas
menores de 0 °C la presión de vapor debe ser calculada considerando que
la fase estable es hielo, por lo que a y b valen 9.5 y
265.5 ºC respectivamente).
·
La humedad relativa
(HR) es la razón, expresada en tantos por ciento, entre la masa de
vapor existente en un volumen de aire (m) y la masa de vapor
máxima (mo) que contendría a la misma temperatura en
el punto de saturación:
(o lo que es lo mismo, la
razón, expresada en tantos por ciento, entre la humedad absoluta del
aire y la humedad absoluta en el punto de saturación). Esta magnitud es
función de la temperatura ya que la masa de vapor máxima que puede
disolver el aire es función de la misma. Por lo tanto, al aumentar T,
aumenta mo y disminuye HR.
·
La temperatura a la que se produce la
condensación del vapor de agua, esto es cuando la humedad absoluta es
máxima o la humedad relativa es de 100 %, se denomina temperatura
de rocío o punto de rocío.
Dado que los procesos de
transformación de fase suponen desprendimiento o absorción de energía,
la temperatura del aire cambia cuando se producen estos cambios. Así, la
condensación supone el desprendimiento de energía. Esta energía se
expresa mediante el calor latente de condensación, que es
la energía liberada al ambiente por cada gramo de vapor que pasa al
estado líquido. El valor de esta energía (por gramo de materia) es el
mismo que el que se absorbe del medio en el proceso contrario de
evaporación. Por lo tanto, la temperatura del medio ambiente no se
mantiene constante durante el proceso de condensación, sino que aumenta.
La condensación de un gramo de agua produce un aumento de 2.5 °C en la
temperatura de un kilogramo de aire.
La humedad del aire se mide
con distintos tipos de aparatos. El más común es el higrómetro,
que mide la humedad relativa. A partir de ella, pueden calcularse
ciertas magnitudes:
Como HAo (humedad
absoluta máxima a una T dada) puede conocerse (e.g., a partir de
tablas), la humedad absoluta a la T de interés se obtiene mediante un
simple despeje de términos:
Por otra parte, aplicando la
ley de Boyle (para todos los gases a bajas presiones y temperatura
constante, y lejos del punto de licuefacción, el producto de la presión
por el volumen es aproximadamente constante) al vapor de agua cerca del
punto de saturación:
P·V = Po·Vo
= cte
siendo n y no las
masas específicas a T constante. Entonces:
de donde la presión de vapor
P a la temperatura de interés es:
obteniéndose el valor de la
presión de vapor de saturación a la temperatura de interés, Po(T),
a partir de tablas.
Para hacer referencia al
estado higrométrico del ambiente es mucho más útil dar el valor de la
humedad relativa que el de la humedad absoluta o específica.
De hecho, siendo la humedad relativa una expresión en tanto por ciento
del grado de saturación del aire, se presta mejor a evaluar la tendencia
del agua a evaporarse (o condensarse) y de los materiales a intercambiar
humedad con el ambiente. Lo que interesa desde el punto de vista
conservativo es evaluar las posibilidades de intercambio de vapor de
agua entre el medio ambiente y el material de la obra considerada.
En este sentido, es muy importante constatar las posibilidades de
condensación del vapor de agua, tanto en el propio aire como sobre la
superficie del material. Para ello deben conocerse las relaciones entre
la temperatura del aire, la temperatura del material y el estado de
humedad de ambiente, expresado tanto humedad relativa (que indica la
relativa proximidad al punto de condensación o rocío) como humedad
absoluta o específica (que indica la cantidad de vapor existente). Estas
relaciones se ilustran en la Figura 3, donde se suponen dos casos:
·
Caso A: Temperatura de la atmósfera
40ºC, temperatura del material 15ºC, humedades relativa y absoluta de la
atmósfera 60 % y
»35
g/m3, respectivamente.
·
Caso B: Temperatura de la atmósfera
35ºC, temperatura del material 20ºC, humedades relativa y absoluta de la
atmósfera 60 % y
»25
g/m3, respectivamente.
En ambos casos se condensará
agua sobre la superficie del material, aunque la cantidad será pequeña
dado que el agua provendrá sólo de la capa de aire enfriada por contacto
con el material, que suele ser de grosor muy pequeño. Así, si suponemos
que el efecto térmico del material frío afecta a una película de 1 mm de
aire en contacto con el mismo, se condensarían 0.021 y 0.0085 g de agua,
respectivamente, por cada m2 de material expuesto a la
atmósfera. Estas cifras se obtienen a partir de las humedades absolutas
del aire para distintas temperaturas, que permiten calcular las
cantidades máximas de H2O que pueden condensarse por descenso
de temperatura de 1 m3 de aire que alcanza el punto de rocío.
Para los casos A y B anteriores, estas cantidades son de 21 y 8.5 g de H2O
por metro cúbico de aire.
Figura 3. Relaciones entre
temperatura del aire, del material, y humedad del ambiente expresada en
términos de humedad absoluta (g/m3) y humedad relativa (%).
Las cantidades de agua que
finalmente se condensan sobre los materiales fríos expuestos a la
atmósfera son, generalmente, mayores que las indicadas más arriba para
la delgada película de aire en contacto con el material, ya que pueden
establecerse corrientes de aire que pongan en contacto aire caliente
nuevo y húmedo con el material frío. Además, a escala diaria se dan
variaciones de temperatura del aire que pueden generar grandes volúmenes
de vapor condensado, como es el caso de los días en que se forma niebla.
Estas gotitas de agua líquida en suspensión en el aire se adhieren a las
superficies de los materiales pétreos dadas su naturaleza hidrófila (y
su menor temperatura). Esta agua puede introducirse en los sistemas
porosos de las rocas, y disparar una serie de procesos de alteración
tanto mecánicos como químicos, lo cual puede ser peligroso
particularmente en materiales no muy resistentes.
Es evidente que un control de
las condiciones termohigrométricas permitiría evitar la condensación del
agua sobre los materiales. Esto es en la práctica imposible para
exteriores, dado que el aire circula libremente, pero puede llevarse a
cabo en interiores. El control termohigrométrico es sencillo, ya que
puede diseñarse con ayuda de diagramas como los de las Figuras 3 y 4.
Figura 4. Diagramas
temperatura-humedad absoluta del aire y temperatura-presión parcial de
vapor de agua en el aire. El punto Q representa unas condiciones de 20ºC
y HR=80%. Los puntos M, L, P y R representan nuevas condiciones de HR=
60% por modificación de la temperatura y/o las cantidades de agua en el
aire. Nótese que las cantidades de agua liberadas aumentan desde M hasta
R, y que las condiciones de este último punto son inaceptables desde el
punto de vista conservativo ya que se libera más agua que la
correspondiente al punto L (para representa un aumento de T respecto del
punto original Q).
En la Figura 4 se presentan
varios casos en los que se reduce la humedad relativa desde un 80 %
(humedad absoluta=13 g/m3 de aire; punto Q del diagrama
higrométrico), que representa unas condiciones peligrosas dada su
proximidad al punto de rocío, hasta un valor aceptable de 60 %, siendo
la temperatura ambiental de 20 °C:
1)
Pasar al punto P: ascenso de temperatura hasta cerca de 25 °C,
manteniéndose constante la humedad absoluta.
2)
Pasar al punto M: descenso de la humedad absoluta hasta cerca de
10 g/m3 de aire, manteniéndose constante la temperatura.
3)
Pasar al punto L: modificación de ambas variables hasta
temperaturas y humedades absolutas localizadas sobre la curva de HR=60%
entre los puntos P y M.
4)
Pasar al punto R: modificación de ambas variables hasta
temperaturas y humedades absolutas localizadas sobre la curva de HR=60%
por encima del punto P. Este último procedimiento no es aceptable ya que
supone aumentar la cantidad de vapor en el ambiente y la temperaratura.
Así, si se produce un descenso de temperatura se libera una cantidad de
agua mayor de la liberada por los puntos P, L y M (en este orden).
Otros ejemplos de cálculos
termohigrométricos son:
1)
Temperatura ambiental=14 °C; Humedad relativa=70 %; Descenso de
la temperatura para alcanzar el punto de saturación=5.4 ºC; Temperatura
del material para condensarse el vapor de agua=8.6 °C.
2)
Temperatura ambiental=14 °C; Humedad relativa=50 %; Descenso de
temperatura durante la noche=10 °C; Aumento de la humedad relativa hasta
casi 95 %. Descenso de la temperatura para alcanzar el punto de
saturación: menos de 1.5ºC. Temperatura del material para condensarse el
vapor de agua en torno a 3 °C.
que ilustran que en cualquier
estudio termohigrométrico es necesario evaluar las posibilidades de
intercambio de agua entre éste y el medio ambiente. La forma y entidad
de estas interacciones dependen especialmente de la porosidad y la
higroscopicidad del material. A temperatura constante, en un ambiente
aislado (esto es, que no intercambia masa ni energía con el resto del
universo) como podría ser el interior de una habitación de un museo, de
una iglesia, de una cámara funeraria, etc., la cantidad de vapor de agua
del aire disminuirá en un valor más o menos significativo en función de
las características de porosidad e higroscopicidad del material.
Suponiendo que se introduce en el ambiente cualquier objeto totalmente
seco, produce, a temperatura constante:
·
Una disminución de la humedad
específica.
·
Una disminución de la humedad
relativa.
·
Una disminución de la presión de
vapor.
·
Un aumento del peso del material
correspondiente a la cantidad de agua adsorbida.
Una vez adsorbida cierta
cantidad de agua, y si las condiciones de temperatura y humedad no
cambian, el material y el ambiente tienden al estado de equilibrio, lo
que implica no intercambiar más agua. Sin embargo, es fácil imaginar que
esta situación hipotética es no es real, ya que:
1)
La temperatura varía diaria y estacionalmente.
2)
La humedad varía debido a:
·
los cambios de temperatura,
·
los fenómenos de evaporación y
condensación,
·
los cambios climáticos y
microclimáticos que suponen el intercambio de vapor entre el ambiente
considerado y el resto de la atmósfera (el sistema no es aislado),
·
la infiltración de agua de lluvia y/o
del subsuelo a través del sistema poroso de los materiales, incluyendo
fisuras y defectos de la estructura,
·
la emisión al medio de vapor de agua
por la respiración-transpiración de animales y plantas. Por ejemplo, un
ser humano puede expulsar entre 50 y 100 g de agua en una hora. Es fácil
concebir que en una sala más o menos cerrada de un museo, iglesia,
palacio, etc, una multitud de visitantes pueden expulsar cantidades
importantes de agua, que pasa al ambiente, y de ahí a las obras
expuestas (e.g., pinturas, esculturas,...) o los materiales de
construcción.
De hecho, las variaciones de
las condiciones ambientales son la regla más que la excepción,
particularmente al considerar el ambiente en contacto con el material
pétreo expuesto a la intemperie. Estas variaciones en el medio suponen
el abandono del equilibrio con el material, por lo que la natural
tendencia al mismo supondrá de nuevo el intercambio de agua y su
movimiento a través del material.
Desde el punto de vista
conservativo, es de importancia fundamental tener presente que todos los
procesos de deterioro dependen de la extrema inestabilidad del medio.
Por tanto, los procesos controlados por la presencia de agua en el
material (que son muchos) dependen de la cantidad de agua transferida y
de la velocidad de intercambio entre el medio ambiente y el material.
Debe recordarse que esto depende de las condiciones climáticas y de las
características fisicoquímicas del material (e.g., porosidad,
higroscopicidad, etc). Debido a la facilidad para manipular los
materiales (e.g., aplicando sustancias hidrorrepelentes), por
comparación con las dificultades técnicas que implica la intervención
sobre el medio, las intervenciones de restauración se han basado
clásicamente en intervenir el material. No obstante, debe tenerse en
cuenta que la intervención sobre el medio es igualmente relevante, y en
algunos casos, crucial, para garantizar una buena conservación de la
obra.
Otros Factores
Ambientales
Los días de sol
influyen de manera indirecta en los procesos de alteración, a través
de su efecto sobre los cambios de temperatura diarios o sobre la tasa de
evaporación. En el primer caso puede suponer el sobrecalentamiento por
insolación de determinadas partes del edificio, provocando cambios
térmicos más bruscos y por lo tanto más nocivos. En el segundo caso, la
evaporación del agua localizada en poros del material puede suponer un
proceso de precipitación de sales solubles, con el consecuente deterioro
por formación de costras, concreciones, eflorescencias, etc; además, si
existe posibilidad de suministro de agua (por ejemplo, a través de aguas
de infiltración subterráneas), se puede acelerar el proceso de
degradación por disolución y precipitación continuada, dando lugar a una
pérdida de cohesión generalizada.
Los efectos contrarios se
producirán en el caso de días cubiertos, que suponen
condiciones más atemperadas, esto es, menores rangos de variación en la
temperatura ambiental y del material y menores tasas de evaporación, al
mismo tiempo que no suelen darse heladas, impidiendo la acción mecánica
del hielo.
El viento
puede ser seco, y por lo tanto aumentando la evaporación, o puede ser
húmedo, trayendo consigo la lluvia. En ambos casos su efecto depende de
otros factores; en el primero de ellos, depende de factores tales como
la disponibilidad de agua subterránea, en cuyo caso acelerará el proceso
de deterioro al igual que en el caso de la insolación; en el segundo, su
efecto suele ser nocivo, ya que supone la disponibilidad de agua de
lluvia o de vapor de agua en el ambiente que puede introducirse en el
material y acelerar los procesos de alteración. Un efecto indirecto del
viento es su acción abrasiva al llevar partículas sólidas en suspensión
que chocan sobre la superficie del material, produciendo erosiones
mecánicas como concavidades.
La variabilidad de las
condiciones climáticas puede ser un factor importante.
Algunos años ocasionales de altas o bajas temperaturas, o de importantes
lluvias pueden producir un mayor deterioro que largos periodos con
características climáticos estables. En general, aplicado a cualquier
factor ambiental, las condiciones variables son más dañinas que unas
condiciones estables.
Un factor importante por su
efecto diferencial sobre distintas partes de un mismo monumento (o sobre
distintos monumentos de una misma área) es la orientación
geográfica de las mismas. Considerando el hemisferio
norte tenemos:
·
En áreas frías y con frecuentes
heladas, las partes orientadas al sur sufrirán más ciclos de
fusión y congelación del agua que las partes orientadas al norte, por lo
que experimentarán mayor deterioro por gelifracción.
·
En áreas frías y húmedas y sin
frecuentes heladas, las partes orientadas al sur estarán más
expuestas al sol y tendrán más microflora y microfauna, por lo que las
alteraciones biológica y química serán más importantes que en las partes
orientadas al norte.
·
En áreas templadas las
partes orientadas al sur pueden sufrir mayor evaporación que las
orientadas al norte, por lo que el grado de alteración dependerá de la
disponibilidad de agua para volver a entrar en contacto con el material.
En el caso de disponerse de agua (e.g. aguas de infiltración
subterráneas) las partes orientadas al sur sufrirán ciclos de
precipitación y disolución de sales que supondrán una mayor importancia
de la alteración química que en las partes orientadas al norte. En las
partes orientadas al norte la ausencia de insolación impedirá fuertes
evaporaciones, y por lo tanto el mayor desarrollo de microflora y
microfauna y de alteraciones biológicas; en el caso de no disponerse de
agua, lo cual sería propio de áreas más bien áridas o semiáridas, las
partes orientadas al sur presentarían menor grado de humedad y mayores
incrementos térmicos por insolación que las orientadas al norte, por lo
que los efectos de alteraciones mecánicas debidas a tensiones térmicas
serán más importantes en las primeras; en las segundas los efectos de
las alteraciones químicas y biológicas serán más importantes.
·
En áreas áridas, los
procesos de deterioro más importantes son los debidos a los efectos
mecánicos de los cambios bruscos de temperatura (por lo que las partes
orientadas al sur sufrirán más), y a la disolución y cristalización de
sales en el caso de disponibilidad de agua, en cuyo caso se aplican los
mismos criterios que en el apartado anterior.
Estas consideraciones son
generalizaciones que deben suponerse susceptibles de modificaciones dada
la complejidad de los factores, agentes y procesos de alteración que
confluyen en un caso particular. Por ejemplo, no hemos tenido en cuenta
consideraciones microclimáticas locales, factores ambientales
particulares como ambientes costeros, dirección predominante del viento,
procedencia predominante de las lluvias, etc, etc. Además, no hemos
considerado ambientes polucionados, ni hemos entrado en aspectos sobre
la estática de las estructuras y la resistencia de los materiales. En
cualquier caso, el análisis de todos estos factores, y los que se
consideren oportunos en cada caso particular, es necesario para el
establecimiento de las condiciones ambientales bajo las que se produce
el fenómeno del deterioro.
Agentes degradantes
Como agentes degradantes
podemos considerar
todas aquellas
sustancias, compuestos o especies químicas procedentes del medio
ambiente que participan directa o indirectamente en las transformaciones
que tienen lugar en el material.
Los agentes de procedencia
orgánica (plantas, bacterias y animales) se discuten en un Capítulo
independiente.
Componentes atmosféricos
naturales
La atmósfera terrestre
consiste en una mezcla de gases cuya composición es variable según la
altura considerada. De las diferentes capas de la atmósfera, que se
extiende al menos hasta los 10.000 km de altura, la parte que nos
interesa es la más interna en contacto con la superficie sólida de la
tierra, que presenta características composicionales uniformes.
El aire puro y seco está
compuesto esencialmente por nitrógeno (78,084 % en volumen) y oxígeno
(20,946 %). El nitrógeno como especie pura no reacciona fácilmente con
las rocas, por lo que puede considerarse como inerte. Por el contrario,
el oxígeno es muy activo desde el punto de vista químico, reaccionando
con otros compuestos en los procesos de oxidación, tales como los que
sufren las rocas al alterarse.
El 0.970 % restante del aire
es en su mayor parte argón (0,934 %), que es un gas noble y por lo tanto
inerte. El dióxido de carbono o anhídrido carbónico (CO2),
aunque constituye sólo el 0.033 %, es un gas de enorme importancia,
tanto en lo que a los procesos de alteración se refiere, como a otros
procesos atmosféricos (absorbe la radiación calorífica procedente del
sol y permite el calentamiento de la parte inferior de la atmósfera),
biológicos (de todos es conocido la necesidad del CO2 en los
procesos fotosintéticos de las plantas verdes) y geológicos (en gran
parte, el CO2 original de la atmósfera primigenia ha sido
retirado de la misma a través de la formación de las rocas sedimentarias
carbonatadas y carbonosas a lo largo de toda la historia de la tierra).
Como es bien sabido, desde finales del siglo pasado se ha incrementado
la proporción de CO2, además de otros gases y partículas, en
la atmósfera debido a la combustión masiva de materias primas carbonosas
como maderas, carbones, gas natural y petróleo, lo cual puede hacer
variar las características climáticas globales y locales (incremento de
temperatura por el "efecto invernadero").
Desde el punto de vista de la
alteración de materiales pétreos, el CO2 es de especial
importancia dada su participación en los procesos de disolución de
carbonatos.
Los restantes gases de la
atmósfera son el neón, helio, criptón, xenón (todos ellos gases nobles),
hidrogeno, metano y óxido nitroso, en orden decreciente según su
porcentaje en volumen, sumando menos del 0.003 %.
Componentes atmosféricos
polucionantes
Todos los componentes gaseosos
de la atmósfera se encuentran perfectamente disueltos, de manera que
confieren unas características fisicoquímicas determinadas al aire puro
y seco como si fuese un único gas. Sin embargo, la atmósfera contiene
cantidades variables de impurezas como vapor de agua (H2O),
SO2, SO3, NO2, Cl2, etc. El
vapor de agua se incorpora a la atmósfera mediante la evaporación de
aguas marinas o lacustres y por la respiración, y se devuelve por
condensación en forma de nubes, agua de lluvia, nieve etc, manteniéndose
el balance global de masa. Su acción como agente degradante es
importante, tanto por sus características químicas particulares como por
ser un disolvente excelente de un gran número de sustancias degradantes.
Aunque no está considerado como compuesto polucionante, su acción se
relaciona de manera importante con el resto de los agentes degradantes
polucionantes, sobre todo a través de la formación de soluciones de
ácidos diversos.
El resto de componentes son
también importantes como agentes degradantes. Estos se depositan
eventualmente sobre las superficies de las rocas bajo la forma de
aerosoles, el estado disperso de la materia en un medio gaseoso,
reaccionando con ellas en soluciones acuosas. Los aerosoles comprenden
tamaños de partículas desde escalas moleculares hasta pequeñas gotas,
entre 0.0001 y 1
mm
de radio. Los que presentan tamaños entre 0.1 y 0.001
mm
parecen ser los más importantes en la alteración del material pétreo,
siendo estos los iones como sulfatos, nitratos y cloruros. Algunos de
estos componentes, como los sulfatos y cloruros, se incorporan a la
atmósfera a partir de fuentes naturales, como los océanos, mares y lagos
salinos, y otros, como los óxidos de azufre y nitrógeno, a partir de la
combustión de carburantes fósiles y de un gran número de actividades
industriales.
Todos estos compuestos
aerosoles, además de otros muchos, sirven como núcleos de condensación
del vapor de agua atmosférico; con el agua condensada, las dimensiones y
las propiedades fisicoquímicas cambian, siendo en general más agresivos
sobre los materiales pétreos.
La concentración de estos
compuestos es especialmente alta en las áreas urbanas e industriales, si
bien la acción de los vientos los difunde y dispersa hacia otras zonas.
En general suelen permanecer en las capas bajas de la atmósfera, aunque
algunos ascienden hacia capas altas. Su concentración se ve disminuida
por neutralización de los ácidos producidos con el polvo atmosférico en
suspensión, retornando al suelo. La intensidad de la polución del aire
se refleja por la cantidad de materia en suspensión como aerosoles o que
se deposita como hollín o polvo.
No entraremos ahora en una
discusión detallada sobre los efectos de la contaminación atmosférica,
que es motivo de otro capítulo. Simplemente diremos que ciertos óxidos
tienden a la formación de ácidos (sulfúrico, nítrico,...) altamente
corrosivos para los materiales pétreos, por lo que los procesos de
degradación se hacen mucho más rápidos e importantes. Además, la
formación de ciertas pátinas y costras negras es, al menos en parte, un
producto del depósito de material polucionante en suspensión (hollín,
hidrocarburos) sobre determinadas superficies de las rocas. No es
difícil imaginar el efecto nocivo de la contaminación atmosférica sobre
el patrimonio artístico.
Polvo en suspensión
Aunque artificialmente
distinguido del resto de aerosoles (materia dispersa en un medio
gaseoso) bajo el punto de vista de la alteración, el polvo atmosférico
puede considerarse como la fracción sólida del aire, constituida por
micropartículas dispersas. Esta distinción puede justificarse si
consideramos que la composición, movimientos y efectos específicos del
material sólido en suspensión constituyen un campo de investigación
extremadamente vasto y complejo.
Los mecanismos de deterioro
debidos al movimiento y reactividad del polvo son muchos:
·
abrasión,
debida al choque de las partículas transportadas por el viento sobre las
superficies de los materiales.
·
deposición,
debida a la sedimentación directa sobre las superficies, causando, por
ejemplo, las famosas costras negras, constituidas por compuestos
carbonosos producidas por combustión incompleta (esencialmente
hidrocarburos). Su efecto corrosivo es de larga duración debido a que
una vez depositados no son removilizados por las aguas de lluvia.
·
ataque químico,
generalmente a través de agentes degradantes líquidos o gaseosos; un
efecto conocido de las partículas sólidas (como algunos metales) es el
de catalizadores de reacciones químicas entre el material y otros
agentes agresivos.
Independientemente de su
efecto agresivo, las partículas sólidas que constituyen el polvo sirven
como núcleos de condensación para gotas de agua. Al entrar en contacto
con las superficies pétreas, el efecto agresivo en medio acuoso se
realza (además de favorecer el ataque ácido). Por otra parte, estas
partículas sirven como agentes neutralizantes de los ácidos, por lo que
su efecto en parte puede considerarse como beneficioso.
Agua de lluvia
La composición del agua de
lluvia está directamente relacionada con la composición atmosférica; su
acción corrosiva se basa en los iones y compuestos en disolución
adquiridos durante su transporte a través de la atmósfera. Entre estos
compuestos se encuentran los de procedencia marina original (iones como
Cl y Na), los de procedencia atmosférica (iones CO3) y los de
procedencia polucionante (iones SO4, NO3). En
zonas muy contaminadas, la proporción de componentes ácidos (CO3,
SO4, NO3) puede ser muy elevada, proporcionado al
agua un carácter fuertemente ácido (pH<7), y dando lugar a la llamada “lluvia
ácida”, altamente corrosiva.
La capacidad de limpieza de
los aerosoles atmosféricos por el agua de lluvia depende esencialmente
del tamaño de las gotas, del tiempo de caída y de la distancia
recorrida. La absorción es mucho más elevada por las lluvias con gotas
finas y lentas que por las lluvias torrenciales con gotas grandes de
climas semiáridos. Las nieblas pueden por lo tanto absorber gran
cantidad de aerosoles, siendo altamente tóxicas y corrosivas, como la
llamada “niebla asesina” (killing fog) de Londres de 1958, donde
se detectaron hasta 3840 microgramos de sulfatos (asimilables a ácido
sulfúrico) por metro cúbico de aire (cuando la media rural de Inglaterra
está en torno a 55 microgramos), muriendo en torno a 4000 personas.
El agua de lluvia, por lo
tanto, no ejerce una acción deteriorante directa importante, sino que se
asocia a otros agentes, tales como los componentes gaseosos
atmosféricos, polucionantes, polvo, microflora y microfauna, etc. Su
control composicional es de vital importancia a efectos de determinar
los procesos de alteración y conservativos.
Aguas subterráneas
Las aguas subterráneas pueden
percolar a través de los cimientos y muros de obras arquitectónicas
mediante mecanismos diversos, aunque el más importante es la ascensión
capilar. El grado de interacción con el material depende de las
características composicionales y de permeabilidad y porosidad del
mismo, las características climáticas del ambiente y del tipo de agua
percolante.
La composición del agua de
infiltración está condicionada esencialmente por el tipo(-s) de
material(-es) rocoso(-s) por el que ha percolado hasta llegar a su
posición actual en el subsuelo del edificio en consideración.
Generalmente, las interacciones agua-roca durante su travesía
subterránea producen la incorporación de las fracciones más solubles de
las rocas en el agua, en forma de especies iónicas como sulfatos,
carbonatos, cloruros, sodio, potasio, calcio, magnesio, etc.
El efecto principal de este
tipo de aguas es la disolución de ciertos componentes solubles de los
materiales pétreos (e.g. carbonatos), la formación de fases minerales
nuevas (e.g. minerales de las arcillas) y la precipitación de sales a
partir de los iones en solución (e.g. halita). Estos procesos tienen
como efecto modificar las características de porosidad y coherencia
internas de los materiales, siendo los principales causantes, por
ejemplo, de las eflorescencias y fenómenos como la arenización.
En zonas costeras, las aguas
subterráneas pueden proceder total o parcialmente del agua marina, lo
cual supone que el contenido en sales solubles es mucho mayor que en la
mayoría de las aguas continentales. El efecto agresivo de este tipo de
aguas es por lo tanto más importante, acelerándose los procesos de
deterioro, tal y como puede observarse en la Catedral de Cádiz.
TIPOLOGIA DE LOS PROCESOS
DE ALTERACION
Clásicamente se subdividen los
procesos de alteración en tres categorías: de tipo físico, químico y
biológico. A estas tres categorías habría que añadir las alteraciones de
origen antropológico, esto es, las debidas a la actividad humana,
particularmente polución y las producidas por interacción entre material
pétreo alterado y los productos utilizados en restauraciones previas. En
realidad, esta subdivisión es artificial, dado que todos los procesos
actúan simultáneamente, por lo que es difícil establecer límites y
asignar causas concretas a los efectos observados.
Por otra parte, la mayoría y
los mas importantes procesos de degradación están relacionados con el
transporte e interacción del agua con el material pétreo, lo cual suele
incluir procesos físicos y químicos simultáneamente. Así por ejemplo,
supongamos el caso de una circulación de una disolución acuosa a través
de un material pétreo y en contacto con un reservorio subterráneo. A
medida que el agua asciende por capilaridad, reacciona con la roca,
disolviendo parte de sus componentes y cambiando de concentración
(proceso químico); el gradiente de concentraciones puede tender a
reducirse por ascenso osmótico del agua subterránea, creándose una
sobrepresión osmótica que afecta a las paredes de los poros y conductos
donde se aloja (proceso físico); la dilución de la solución puede forzar
la redisolución de la roca, iniciándose el proceso. Este simple ejemplo
que mezcla sólo dos procesos concretos ilustra la complejidad de la
descripción de los procesos de alteración, ya que en realidad el proceso
descrito es único, y es al mismo tiempo físico y químico.
Sin embargo, a efectos
descriptivos es necesario seguir una sistemática que, aunque imperfecta,
permita el estudio de los procesos de alteración.
Procesos físicos
Los procesos físicos pueden
definirse como los que producen disgregación o pérdida de cohesión de
las rocas sin que se sufran cambios químicos o mineralógicos. Los
procesos más importantes se deben a tensiones creadas en el interior de
las rocas que producen microfracturación inter e intracristalina, esto
es, la pérdida de cohesión se verifica por fracturación entre granos
distintos o dentro de los granos. La microfracturación progresa con el
tiempo desarrollando redes de fracturas más o menos grandes que acaban
por disgregar las rocas. Los procesos más importantes son:
·
Expansión térmica diferencial en
minerales y entre minerales.
·
Expansión por humedecimiento.
·
Expansión térmica del agua en poros.
·
Expansión del hielo.
·
Presión de cristalización de sales.
·
Presión de hidratación de sales,
arcillas y óxidos.
·
Expansión térmica diferencial de
sales.
·
Presión de adsorción de agua
"ordenada".
·
Presión osmótica de soluciones en
poros.
·
Fracturación por carga en estructuras
defectuosas.
·
Efecto de terremotos y otras
vibraciones.
Otros procesos físicos que
producen disgregación y pérdida de materia de las rocas son:
·
Abrasión eólica.
·
Erosión del agua de lluvia.
·
Impactos.
Procesos químicos
Los procesos químicos pueden
definirse como aquellos que suponen cambios químicos globales y/o
mineralógicos de la roca original, lo cual conlleva al mismo tiempo
cambios en sus características físicas (porosidad, permeabilidad,
resistencia a la tensión, cambios de volumen, perdida de cohesión,
etc.). Los procesos químicos más importantes son:
·
Disolución.
·
Oxidación-reducción.
·
Carbonatación.
·
Hidrólisis.
·
Precipitación de sales.
En los procesos químicos tiene
una importancia fundamental la composición original de las rocas. Para
abordar estos procesos nos centraremos en los desarrollados sobre rocas
silicatadas y carbonatos, dado que son las más utilizadas como
materiales de construcción. Las rocas detríticas y morteros, al ser
materiales compuestos de varios tipos de sustancias generalmente
silicatadas y carbonatadas, se pueden considerar incluidos en los
anteriores.
Procesos biológicos
Los procesos biológicos pueden
definirse como los producidos por organismos vivos, especialmente
líquenes, hongos y bacterias. Estos procesos son tanto de tipo físico
(plantas y animales superiores) como químico (microorganismos). Estos
últimos pueden considerarse como especialmente dañinos, sobre todo
porque realzan el efecto de los procesos químicos "inorgánicos". Por
otra parte, hay que señalar que, a pesar del efecto nocivo de la
colonización de algunos microorganismos sobre los materiales de
construcción, la formación de estas colonias puede, a veces, ser
beneficiosa, ya que impiden un fácil acceso de los agentes degradantes
al interior del material. Dado que estos procesos dependen del tipo de
organismo involucrado, los consideraremos en función de los mismos, esto
es, debidos a la acción de:
·
Bacterias.
·
Líquenes.
·
Musgo.
·
Hongos.
·
Algas.
·
Plantas.
·
Animales excavadores.
·
Excrementos de aves.
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