Morteros

Bajo el nombre de mortero denominamos en sentido amplio a cualquier mezcla natural o artificial cuyas características constructivas esenciales son su plasticidad inicial, que permite trabajarla y moldearla según la necesidad, y su posterior endurecimiento y aumento de la resistencia mecánica, que lo hace útil como material de construcción. Estas mezclas constan de:

· un material inerte o árido, generalmente arena de distinta composición y granulometría,

· un material aglutinante, ligante, conglomerante o aglomerante, que imparte plasticidad a la mezcla al ser aplicada, y por tanto permite su moldeado, así como elasticidad al endurecer, lo que confiere cohesión y resistencia mecánica al conjunto, y

· materiales añadidos eventualmente o aditivos, cuyo fin es muy variado.

Desde los albores de la civilización, este material ha sido utilizado como material de construcción de edificios y defensas, alternativo a otros materiales como la piedra o madera, donde cumplen importantes funciones:

· estructurales, al constituir el material

Ø de base para la construcción de muros, paredes, cubiertas, etc., armado en estructuras de ramas, palmas, maderas, etc.

Ø de unión y asentamiento de bloques de piedra, de ladrillos y de las piezas labradas (sillares, tambores, capiteles, tejas...) que forman los elementos constructivos (paramentos, columnas, cornisas, techumbres...), y

· decorativas, al constituir el material de revestimientos y estucados (el pulimento de la obra, según Villanueva), que, además de una función estética, protegen a los elementos constructivos que recubren de la acción de la intemperie, lo que les ha valido para ser denominados la superficie de sacrificio o la piel de los edificios.

Por tanto, abordar la restauración y conservación de edificios de interés histórico-artístico implica necesariamente la consideración de los morteros que forman parte de los mismos. No es exagerado decir que una parte importante de la estabilidad estructural de los edificios y de su aspecto estético descansan, en mayor o menor grado, en la salud de estos materiales artificiales.

Pero, además, el conocimiento de la naturaleza de los morteros y de sus propiedades es imprescindible para el restaurador de edificios históricos ya que, en no pocos caso, los materiales pétreos deteriorados de estos edificios necesitan de reintegraciones con morteros. Independientemente de criterios estéticos (i.e., similitud de textura, entonación cromática, etc.), estos morteros deben ser diseñados de manera específica para reproducir las propiedades de la piedra a intervenir, teniendo además en cuenta la función constructiva de misma y su localización en la obra, así como los procesos de deterioro a que será sometido el sistema piedra-mortero. Como se ejemplifica más adelante, en bastantes casos se han llevado a cabo labores de restauración con morteros de reintegración fabricados a base de cemento hidráulicos de tipo Portland y similares que no han conseguido sino acelerar el deterioro de la piedra original. Esto es debido a la escasa porosidad y permeabilidad de estos morteros, a la presencia de sales en su constitución, y a sus elevadas resistencia mecánica y conductividad térmica por comparación con piedras porosas comúnmente utilizadas en construcciones históricas. Si algo debe garantizar un mortero de restauración es que no introduzca problemas adicionales a los ya existentes en la obra, y que, en caso de sufrir el ataque de los agentes de deterioro, sea él mismo el que altere, y no los materiales originales de la misma (cf. Rosi-Doria, 1986).

Origen y usos de los morteros

Las características de los morteros con fines estructurales y estéticos dependen de la naturaleza y dosificaciones de sus partes constitutivas, i.e., áridos, aglomerantes y aditivos. Dado que pueden fabricarse mezclas muy variadas entre todos estos materiales, sus características son también muy variadas. No obstante, éstas dependen esencialmente de la naturaleza del agente aglomerante. Por tanto,

el desarrollo histórico de los morteros está ligado al descubrimiento y perfeccionamiento de agentes aglomerantes naturales o artificiales. (Figura 1)

El origen de los morteros hay que buscarlo en el origen de la arquitectura, esto es, de la civilización misma, resultantes del asentamiento en ciudades de grupos humanos dedicados a la agricultura y la artesanía durante el neolítico.

En este contexto, es interesante recurrir a las fuentes clásicas. Vitrubio, en el primer capítulo de su segundo libro de Arquitectura, trata el origen de la arquitectura, y con toda lógica lo relaciona con el origen de la civilización misma. Estimando que, como resultado del descubrimiento del fuego por el hombre primitivo, se facilitó el desarrollo del lenguaje, Vitrubio indica que “habían surgido las asambleas y la convivencia, precisamente por el descubrimiento del fuego” (pg. 95, Alianza Editorial, Madrid, 1995; traducción de José Luís Oliver Domingo). Según Vitrubio, esto facilitó la agrupación de humanos en comunidades, y “dotados por la naturaleza de un gran privilegio respecto al resto de los animales, como es el que caminaran erectos y no inclinados hacia adelante, observaron las maravillas del universo y de todos los cuerpos celestes, e igualmente manipularon los objetos que querían con toda facilidad con sus manos y sus dedos y, así, unos construyeron techumbres con follaje, en aquellas primitivas agrupaciones humanas; otros excavaron cuevas al pie de la montaña, e incluso otros, fijándose en los nidos construidos por las golondrinas, imitándolos, prepararon habitáculos donde guarecerse, con barro y con ramitas” (op. cit., pg. 95). Podemos deducir de estas palabras que Vitrubio considera pues, que los primeros materiales de construcción fueron, además de las maderas, los morteros. De hecho, la utilización de otros materiales como piedra o ladrillo es asignada por Vitrubio a una etapa ulterior en el desarrollo de la arquitectura: “En un primer momento, levantaron paredes entrelazando pequeñas ramas con barro...”, “Otros levantaban las paredes, después de secar terrones de tierra arcillosa, uniéndolos y asegurándolos con maderos atravesados”, y finalmente, “fueron potenciando su habilidad en sus obras y se consiguió que, quienes fueron más diligentes y constantes, profesaran ser artesanos. Por tanto, como realmente fue así en un primer momento y como la naturaleza ha concedido a los humanos no sólo los sentidos - como, en cierto modo, al resto de los animales - sino también le ha proporcionado la facultad de pensar, de reflexionar, de deliberar, ... fueron haciendo progresos paso a paso en la construcción de sus edificios;... construyendo viviendas cimentadas; levantaron paredes de ladrillo o bien, con piedra y con diversas clases de madera y cubrieron sus techumbres con tejas.

No le falta razón a Vitrubio, ya que parece claro que la utilización de los morteros se remonta a épocas prehistóricas, cuando mezclas de barro, áridos y materia vegetal se utilizaban como base en la construcción de viviendas o defensas. Este tipo de morteros presenta como aglomerante esencial material silicatado arcilloso más o menos refinado, además de componentes de Ca naturales (carbonatos, sulfatos) o artificiales (cal, yeso) y oxihidróxidos de Fe. En general, el aglomerante responde a una composición natural o débilmente modificada por la adición de otros componentes, si exceptuamos maderas, paja, etc.

No obstante, los morteros también se utilizaron desde un primer momento para cumplir otra de las necesidades constructivas básicas, consistente en conferir sentido estético a la obra al ser aplicado como revestimiento de paredes y otros elementos constructivos. Este último aspecto no debe menospreciarse en lo que se refiere a su influencia sobre el origen y desarrollo de los morteros, dado la decoración de interiores de espacios habilitados para el cobijo, la religión y la magia es anterior a la arquitectura. Este origen lo encontramos en la decoración mural prehistórica de cavernas, en el Paleolítico, como respuesta a una necesidad artística, religiosa o social del Homo Sapiens. El escaso desarrollo tecnológico del momento, y el hecho de tener cubiertas las necesidades de vivienda en las cavernas, imponen una técnica pictórica directa, esto es, la pintura mural se obtiene al aplicar pigmentos directamente sobre la piedra de las cavernas. De hecho, en estas pinturas se encuentra cal como aglomerante de pigmentos y como pigmento mismo.

La necesidad humana de decorar y acondicionar interiores se mantiene una vez inventada la arquitectura. Así, la práctica de pavimentar suelos y enlucir muros con morteros es común a pueblos neolíticos del Mediterráneo Oriental y Europa. Por ejemplo, en las ciudades fortificadas neolíticas más antiguas excavadas, como las de Jericó (9000 al 8000 a.C.), Nevali Çori (Turquía, 10000 al 8000 a.C.) y Çatal Hüyük (Turquía, 6000 a.C,) se han encontrado muros revestidos y suelos pavimentados con arcillas y cal, llegándose incluso a pulir las superficies. Esto indica que la piedra no fue el primer material de construcción, al menos en la arquitectura doméstica, a pesar de la escasa robustez del barro no cocido, que no obstante cumplía la necesidad constructiva básica de conferir estabilidad estructural a las edificaciones públicas y privadas de estas culturas. Por tanto, puede decirse que, al menos en parte, el origen y desarrollo de los morteros es el resultado del sentido estético de hombre. De hecho, esta necesidad ha subsistido en todas las épocas históricas y culturas, lo que ha condicionado el desarrollo de tipos particulares de morteros adecuados a estas funciones estéticas.

A pesar del antiguo conocimiento de la cal aérea, las primeras grandes culturas de la edad antigua, i.e., en Mesopotamia y Egipto, desarrolladas en las riberas de los grandes ríos del Medio Oriente, no hacen un uso extensivo de este material para sus construcciones. La escasez de materiales pétreos en algunas de estas áreas, y la abundancia de limo en los lechos de los ríos Éufrates, Tigris y Nilo, condicionó una arquitectura inicial entroncada con las formas constructivas neolíticas, esto es, basada en el barro mezclado con productos naturales y/o artificiales variados, conformado en pasta fluida soportada o no por estructuras de ramas y juncos entrelazados (i.e., tapial), o como piezas independientes, i.e., ladrillos, inicialmente no cocidos (de ya sea secados al sol, i.e., adobe, o conformados en la propia obra, i.e., ladrillos crudos) y posteriormente cocidos y vitrificados. Las tendencias constructivas de Mesopotamia y Egipto se desvían entre sí desde un primer momento en lo referente a los materiales utilizados en las grandes construcciones como templos, palacios y tumbas. Mientras en Egipto se construyeron con piedra, en Mesopotamia se siguió utilizando durante bastante tiempo el barro y ladrillo. Así, la utilización originariamente sumeria del ladrillo se transfirió a toda el área de influencia de las culturas mesopotámicas, llegando a su etapa más evolucionada durante los distintos períodos del imperio persa, y de ahí al imperio islámico.

La estabilidad estructural de estas construcciones de adobe y ladrillo se debe en gran parte a la utilización de morteros de unión a base de arcilla fluida mezclada con tierra o arena y otros materiales naturales como sustancias bituminosas de tipo asfáltico. Por tanto, puede excluirse al ladrillo de la calificación de mortero, al conformarse como elementos pétreos artificiales independientes, pero el barro mezclado con tierra o arena y otros componentes utilizados para tapiales y para unir piezas sí debe considerarse como tal.

Las construcciones a base de sillería de piedra del antiguo Egipto se realizaban uniendo las piezas pétreas a hueso, esto es, sin material de unión, aunque sí mediante anclajes metálicos y encajes (entre rehundidos y partes sobresalientes) para generar una fábrica trabada. Los restos de yeso encontrados entre los sillares de estas grandes edificaciones no ejercen función alguna de unión entre los bloques, sino que más bien corresponden a las pastas de escayola que se adicionaban para lubrificar las superficies y mejorar el deslizamiento y ajuste de los mismos. La ausencia de morteros de unión en estas construcciones se justifica, entre otras razones, por el hecho de que las estructuras son arquitrabadas, esto es, los empujes son verticales, y las piezas son de gran envergadura. Esta tradición de construcción a hueso se transmitió o influyó en las técnicas constructivas de otras culturas posteriores, como la persa, cretense, micénica y griega, que en su mayoría hacen uso de estructuras arquitrabadas y de falsa bóveda (los palacios persas de Persépolis, cretenses como el de Cnossos, de Micenas, y de la Grecia helenística, aunque esta práctica se identifica en otras culturas, como la Inca, que produjo edificios espectaculares a base de sillares poligonales de basalto.). No obstante, algunos edificios o algunas partes de edificios de sillería se construían con mampostería enripiada, que sí se aglomeraba con mezclas de barro, yeso y/o cal. De hecho, la “calidad de labra” de la sillería se relaciona inversamente con la cantidad de mortero utilizado en su unión.

Figura 1. Materiales aglomerantes utilizados en morteros de construcción

Al desarrollarse de las técnicas constructivas en estas culturas de la antigüedad con el uso de tapial, ladrillo, sillería o mampostería de piedra, las técnicas de revestimiento también se sofistican. Las paredes de los edificios se recubren con capas de mortero, cuyo fin era proteger de la intemperie y, al mismo tiempo, embellecer la pared. En el caso de paredes exteriores, el trabajo de revestimiento era más basto, aunque en paredes interiores las paredes se alisaban y nivelaban con capas finales de estuco más fino. Estos trabajos se realizaban con morteros de yeso (sobre todo en interiores) y de cal (particularmente en exteriores). La decoración de estas paredes con pigmentos es sólo cuestión de sensibilidad artística o religiosa o de disponibilidad de recursos financieros por parte del encargante de la obra. Aunque existen superficies decoradas directamente sobre los muros de piedra (e.g., algunas tumbas subterráneas etruscas), estos ejemplos no dejan de ser en cierto modo anecdóticos. Así, la escayola, mezclada o no con arcilla y otros aditivos como pelo animal o paja molida, constituye la base de los estucados que sustentan las pinturas murales más antiguas, i.e., al temple, egipcias (los egipcios no conocían, o al menos no utilizaron, la cal) y de otras culturas de la antigüedad, mientras que la cal aérea constituye la base de la pintura al fresco, (aunque la cal era conocida en Mesopotamia, parece ser que los frescos más antiguos datan de la cultura minoica) que quizás pueda calificarse como la revolución más importante en el desarrollo de las técnicas de la pintura mural.

La utilización de los morteros como material de unión entre las piezas de piedra o ladrillo para garantizar la estabilidad del edificio se convirtió, con el paso del tiempo, en práctica más habitual. El aglomerante más utilizado era la cal aérea, que experimentó un importante desarrollo con la civilización romana. A esta última se debe, sino la invención del mortero de cal hidráulica o mortero pozzolánico que posiblemente se deba a los griegos o etruscos, si su desarrollo y utilización masiva en todo tipo de construcciones, tanto como para asegurar la unión o fijación de piezas en paredes y otros elementos constructivos como en revestimientos y como elemento de base para la fabricación de hormigones. Las características esenciales de este tipo de mortero, que consta de mezclas cal aérea y polvo de rocas volcánicas y de cerámica, es que su fraguado se verifica en contacto con agua y que presenta unas propiedades mecánicas más aptas que las de los morteros de cal aérea y/o yeso para funciones estructurales.

El resultado de esta extensa utilización es el desarrollo de una gran variedad de fábricas (“opus”) constructivas (Figura 2), que no impidieron, no obstante, una gran uniformidad en la arquitectura romana, resultado, en gran parte, en la utilización de este material, de fácil obtención y manejo.

Sin embargo, el mortero de cal hidráulica no fue utilizado con posterioridad a la civilización romana, hecho asignable al retroceso cultural y tecnológico general que acaeció a partir de su decadencia, particularmente en los restos del Imperio Romano de Occidente. Durante toda la Edad Media y el comienzo de la Edad Moderna, incluyendo el Renacimiento, los morteros son de mala calidad, constituidos esencialmente de cal aérea por mezclas de cal aérea y yeso (morteros bastardos). No fue hasta la segunda mitad del siglo XVIII cuando la cal aérea fue sustituida, poco a poco, como material de construcción, primero por cales hidráulicas y luego por cementos de tipo Portland y otros. Al igual que lo ocurrido durante la civilización romana, a estos materiales hidráulicos se debe, en gran parte, el auge de la arquitectura e ingeniería actuales, caracterizadas por grandes obras y por soluciones técnicas arriesgadas, lo cual, no debe olvidarse, redunda en nuestra actual calidad de vida.

Figura 2. Opus en la arquitectura romana (tomado de Ortega Andrade).

En este tema, se tratará la naturaleza de los principales materiales aglomerantes utilizados históricamente: escayola, cal aérea, cales hidráulicas y cementos (Figura 1). Respecto a los aditivos, introducen también una gran variabilidad en las características de los morteros. Sus funciones más comunes, mencionado sólo los aditivos utilizados con anterioridad al siglo XIX, son:

Ø facilitar el fraguado del aglomerante por absorción de agua (e.g., estiércol, turba, fragmentos de ladrillo poroso),

Ø retardar el fraguado del aglomerante al reducir el agua (e.g., azúcares),

Ø introducir una cierta capacidad hidrorrepelente del mortero (e.g., ceras, sebo animal, aceites naturales, particularmente de linaza),

Ø permitir el fraguado en ambientes muy húmedos (ríos, pantanos) o bajo el agua:

û por reacción con el aglomerante s.s. (e.g., polvo de cerámica, vidrio volcánico o puzzolana),

û por su naturaleza hidrófoba (e.g., materia asfáltica, betún)

Ø mantener la humedad durante más tiempo para facilitar la carbonatación de la cal (e.g., paja, estopa, cáñamo, cerda animal), particularmente utilizados en el caso revoques y enlucidos de pinturas al fresco,

Ø como oclusores del aire, lo que aumenta su porosidad y permeabilidad (e.g., cerveza, orín),

Ø reforzar el mortero (e.g., pelo, paja, caña) y ejercer una acción consolidante (e.g., proteínas como la albúmina del huevo, la caseína de la leche, la gelatina de la grasa animal, la queratina de cuernos y pezuñas animales), aunque estos últimos también han sido utilizados como aglutinantes de pigmentos,

Ø puramente estético (pigmentos; vea: Porras 2025, Pigmentos minerales: Los colores de la tierra. Revista Maya de Geociencias, junio 2025).

Morteros de yeso

La escayola, pura o mezclada con cal (morteros mixtos de cal y yeso), es un material abundante en los revestimientos de edificios. Bajo el término escayola denominamos a un aglomerante de yeso, o sulfato de calcio bihidratado (CaSO₄·2H₂O). Aunque posiblemente en su desarrollo inicial fuese utilizado como material puro en el enlucido de superficies y como material ornamental, su desarrollo posterior y su utilización como mortero de unión (e.g., de material ornamental, azulejos, etc.) supuso la adición de cal para modificar los tiempos de fraguado (muy escasos en el caso de la escayola) y la dureza y resistencia mecánica del mortero. Actualmente, se fabrican morteros mixtos a base de escayola (yeso) y resinas sintéticas denominadas comúnmente "plasters".

Fuente del yeso

La escayola se ha obtenido históricamente a partir del yeso natural. Mayoritariamente, el yeso se encuentra en la naturaleza en rocas sedimentarias de origen es evaporítico, esto es, producida por la precipitación de sales a partir de soluciones acuosas saturadas, como las de lagos o mares cerrados de áreas cálidas y desérticas. Este origen condiciona que, junto con el yeso, coexistan otros minerales (sales) como calcita (CaCO₃), halita (NaCl) o anhidrita (CaSO₄) en las rocas evaporíticas. El yeso aparece en formas variadas, como agregados de grano fino masivos (alabastro), fibrosos, o en grandes cristales transparentes (selenita). En Granada, por ejemplo, existen depósitos de yeso en las cercanías de la Malahá.

Producción, aplicaciones y modalidades de morteros de yeso

El yeso natural se deshidrata a 107 ºC y transforma en hemihidrita (o basanita), sulfato de calcio hemihidratado (CaSO₄·0.5H₂O). No obstante, las temperaturas de cocción en horno son oscilan entre 110ºC y 160ºC (Figura 3). El producto así obtenido se denomina yeso de París, que es el material utilizado históricamente en construcción y revestimiento de paredes. Mezclada con agua, la hemihidrita reacciona rápidamente para dar yeso de nuevo, fraguando la escayola en 5-15 minutos y liberándose energía en forma de calor. Se necesitan 186 g de H₂O (pura) para transformar completamente 1000 g de hemihidrita en yeso. No obstante, debe añadirse algo más de agua para obtener una pasta con la que fabricar el mortero, ya que si se añaden las cantidades anteriores se obtiene un producto completamente seco.

Figura 3. Ciclo del yeso: cocción, hidratación y fraguado de escayola. Nótese que la temperatura de cocción controla el tipo de escayola, ya que a <160º se forma hemihidrita (yeso de París) que fragua rápidamente y a >160ºC se forma anhidrita (yeso anhidro) que fragua lentamente, aunque el producto final es el mismo, yeso.

Los morteros de yeso presentan grandes inconvenientes respecto de los de cal, particularmente en los exteriores, ya que el yeso es un compuesto relativamente soluble en agua (»2000 mg/l vs. »80 mg/l para la calcita, a 20ºC). Por esta razón, la infiltración de agua de lluvia o subterránea produce graves daños en paredes que contengan morteros de unión o revestimientos a base de yeso, como veremos más adelante.

La temperatura requerida para la cocción del yeso es bastante menor que la requerida para obtener cal aérea a partir de la cocción de calizas. Por ello, los morteros a base de yeso fueron más atractivos que los morteros de cal en países como Egipto o Grecia, con abundantes yacimientos naturales tanto de yeso como de calizas, pero con escasez de madera (combustible para los hornos). El clima seco de ambos países permite la utilización de morteros de yeso en exteriores.

El rápido fraguado del yeso de París impide que los revestimientos de escayola puedan pintarse al fresco. En cambio, los colores de las pinturas murales se aplican sobre la superficie enlucida endurecida, esto es, al temple, mezclados simplemente con agua o aglutinados con goma, colas y huevo. Por ello, la capa pictórica es en extremo delicada, de forma que un simple lavado con agua puede disolverla completamente. De hecho, la preservación de las pinturas murales egipcias es el resultado de un clima extremadamente seco y de su aislamiento de la intemperie. El fraguado puede retardarse algo si se adiciona cal. Estos morteros mixtos de cal y yeso son muy comunes en los revestimientos pintados o no de edificios históricos.

Además de cal, los morteros de yeso se han fabricado históricamente mezclando otros materiales aditivos. Quizás el más común sea pelo, que actúa como reforzante. El mejor pelo es el largo y fuerte, libre de grasa y otras impurezas. Se han utilizado pelo de buey, caballo, cabra, e incluso humano, aunque este es raro por ser muy fino y poco resistente. Las cantidades de pelo añadido son variables, aunque entre 4 y 8 kg por metro cúbico de escayola es una cantidad típica y suficiente para reforzar suficientemente el yeso. Otros materiales añadidos como reforzantes son paja, caña y hierba molidas.

Los morteros de yeso, ya sean puros o mixtos, han sido utilizados para decoraciones interiores con técnicas muy variadas. La scagliola es un mortero a base de yeso coloreado con pigmentos mezclado con fragmentos gruesos de calizas coloreadas o mármoles, que imita rocas naturales como brechas calizas o de mármol y pórfidos. Se prepara en piezas que se aplican a un substrato, se pulen y se recubren con aceite de linaza. El mármol marezzo es similar al mortero anterior, aunque se basa exclusivamente en pigmentos y no en fragmentos de piedra para obtener los efectos deseados. El marezzo ha sido utilizado a veces en revestimientos exteriores. En exteriores se han utilizado también morteros de yeso en relieve y tallados. Los materiales son mezclas de yeso de París con pasta de cal aérea y arena bien tamizada (en la proporción 1:1:6), pelo largo y fuerte y a veces grasa animal. La superficie se cubría con capas protectivas de aceite de linaza, cera o, más a menudo, lechadas de cal. Estos relieves podían decorarse con la técnica del sgraffito.

En el siglo XIX se introdujeron innovaciones técnicas para hacer la escayola más trabajable, versátil y duradera. Así, se añadió queratina para retardar el fraguado (escayola de hemihidrita retardada). Además, se desarrolló el yeso anhidro, obtenido por cocción del yeso a temperaturas mayores de 160ºC (170-180ºC), a las que se deshidrata completamente y se transforma en anhidrita (Figura 3). Se necesitan 246.7 g de H₂O (pura) para transformar completamente 1000 g de anhidrita en yeso, aunque el proceso de hidratación implica pasar primero a hemihidrita, y posteriormente a yeso. Como en el caso del yeso de París, debe añadirse algo más de agua para obtener una pasta con la que fabricar el mortero. Este tipo de escayola no fragua rápidamente, por lo que suelen añadirse aceleradores del fraguado (alumbre, sulfato potásico, sulfato de cinc). El llamado cemento Keene (patentado en 1838) es una escayola de este tipo, que se utiliza para rellenar grietas en paredes o reparar revestimientos muy deteriorados. A temperaturas superiores a 250ºC se obtiene yeso muerto, o anhidrita insoluble similar a la anhidrita natural. A temperaturas más elevadas, entre 900 y 1100 ºC y mayores, se obtiene una mezcla de anhidrita y óxido de Ca denominada yeso hidráulico. La hidratación del yeso muerto es muy lenta, mientras que el yeso hidráulico fragua rápidamente, absorbiendo agua y anhídrido carbónico y formando una masa dura y compacta como un cemento. Dado que el fraguado de estos materiales forma finalmente yeso, su susceptibilidad a la alteración por el agua también es elevada.

Cal aérea

La cal aérea es el principal material aglomerante de los morteros tradicionales, tanto de unión como de revestimiento, aunque actualmente no se usa excepto como lechadas de cal en el enlucido de paredes y techos. Bajo el término de cal aérea denominamos a un aglomerante de portlandita, hidróxido de calcio (Ca(OH)₂), también denominada cal apagada o hidratada, que con el tiempo acaba por transformarse en calcita, carbonato de calcio (CaCO₃), por carbonatación. La cal se ha obtenido históricamente a partir de las rocas carbonatadas naturales, que son muy abundantes en la superficie de la corteza continental terrestre.

Producción, aplicaciones y modalidades de morteros de cal aérea

La cal se obtiene por cocción en horno de fragmentos de rocas carbonatadas. Aunque Vitrubio indica que la cal “se obtiene por calcinación de piedra blanca o sílice” (pg. 107, Alianza Editorial, Madrid, 1995; traducción de José Luís Oliver Domingo), hace alusión, lógicamente a rocas carbonatadas, no silíceas. El carbonato cálcico se descompone para dar óxido de Ca (CaO) y CO₂, que se libera a la atmósfera (Figura 4). Vitrubio hace notar que “...cuando las piedras se colocan en el horno, al cabo de un tiempo no mantienen el mismo peso y cuando las volvemos a pesar, sacándolas del horno, aun manteniendo sus propias dimensiones, descubrimos que han perdido casi una tercera parte de su peso, pues su elemento líquido ha quedado depurado por el fuego” (op. cit., pg 107). Es evidente que Vitrubio hace notar la pérdida de masa debido a la volatilización del CO₂ producto de descomposición del carbonato de Ca.

La temperatura mínima a la que se produce la descomposición del carbonato cálcico es de 880ºC, pero son necesarias temperaturas mayores en los hornos ya que para que esta temperatura se alcance en el interior de los fragmentos de roca la temperatura de la superficie de los mismos debe acercase a 1000ºC. El producto sólido de óxido de Ca se denomina cal viva, que generalmente no se muele (Figura 4).

Para obtener un mortero de cal, la cal viva debe apagarse, esto es, mezclarla con agua. Ambas sustancias reaccionan de forma que el óxido de Ca se rehidrata formando hidróxido de calcio o cal apagada o hidratada (Figura 4). Para conseguir un buen apagado de la cal viva, ésta debe haber sido almacenada en un lugar seco y estar lo más fresca posible.

En el proceso de rehidratación se libera una gran cantidad de energía calorífica (15500 calorías/mol de CaO, i.e., por 56 g de CaO). Esta energía hace aumentar la temperatura del agua hasta hacerla hervir (puede llegarse hasta 400 ºC), y la del recipiente que la contiene, con el consiguiente peligro de incendio si éste es de madera. Por esta razón, el apagado debe llevarse a cabo cuidadosamente, y siempre de forma que el agua se añada antes en el recipiente y reciba posteriormente los fragmentos de cal viva. El caso contrario, i.e., cuando el agua se añade a la cal viva, es bastante peligroso ya que se produce una violenta efervescencia con proyección de fragmentos de cal viva y agua caliente al aire.

Se necesitan 321.2 g de agua (pura) para transformar completamente 1000 g de óxido de Ca (puro) en hidróxido de Ca (puro). No obstante, debe añadirse bastante más agua ya que parte de la misma se evapora por el calor generado en la reacción de hidratación. Cantidades adicionales de agua son necesarias además para obtener una pasta que permita apagar la cal completamente. Por ello, suele utilizarse algo más del doble de agua que la indicada anteriormente (i.e., 800 g o 0.8 l de agua por cada kilo de cal). La pasta acuosa obtenida por apagado de cal viva se denomina cal apagada, o grassello en la terminología italiana, mientras que la cal que actualmente se comercializa es un material seco, generalmente en polvo, que se denomina cal hidratada. La plasticidad de la mezcla de esta cal con agua es más deficiente que la de la cal apagada, por lo que no es apropiada para pintura al fresco, aunque puede usarse como aglomerante de morteros de unión. Usando un exceso de agua resulta en una masa grasienta denominada lechada de cal, utilizada sobre todo en enlucidos. Si los fragmentos de cal viva se dejan expuestos al aire, comenzaran a hidratarse en su superficie por reacción con el vapor de agua disuelto en la atmósfera, reduciéndose progresivamente a un polvo de hidróxido de Ca que acaba finalmente por carbonatarse (ver más adelante). Este era el proceso de obtención del bianco sangiovanni, un pigmento blanco constituido por hidróxido de Ca y carbonato de Ca descrito por Cennini.

Figura 4. Ciclo de la cal aérea: cocción, apagado y endurecimiento de cal.

Durante el apagado hay que remover y rastrillar la pasta para favorecer la reacción de hidratación y evitar la coagulación de partículas, lo que reduce su plasticidad. Para evitar la presencia de restos de cal no apagados completamente y de estos grómulos, la pasta puede tamizarse con cribas de 5 mm de luz. La pasta cribada se cubre hasta unos centímetros con agua, y se deja madurando al menos dos semanas, aunque es aconsejable unos meses e idealmente unos años. El agua saturada en hidróxido de Ca que cubre la pasta de cal se denomina agua de cal, que se ha utilizado para mezclar con los pigmentos aplicados a murales al fresco o como consolidante inorgánico.

El añejamiento de la cal debe hacerse de forma que esté protegida de las heladas, que harían perder su plasticidad, y del aire, para evitar su carbonatación (ver más adelante) en los depósitos. Por ello, el apagado tradicional de la cal se solía hacer en hoyos o fosos practicados en la tierra (2-10 m³) por debajo del nivel de las heladas, y la cal se solía dejar tapada para que madurase bastante tiempo, de unos meses a unos años. Este aspecto es recogido por Plinio: “...cuanto más viejo es el mortero...mejor es en calidad...”, y compartido por Vitrubio y Alberti. Plinio observa además que los pintores de su época exigían cal apagada durante tres años, para evitar agrietamientos. La pasta adquiere al madurar un aspecto rígido como el de la gelatina. No obstante, cuando la masa rígida se trabaja de nuevo adquiere plasticidad, lo cual es una característica peculiar de la cal aérea.

Cuando el mortero de cal se deja expuesto a la atmósfera, fragua, esto es, se compacta, seca y endurece por un proceso de precipitación y decantación del Ca(OH)₂ a partir de la suspensión acuosa (Figura 4). En el fraguado de la pasta de cal pura, sin árido, se produce una contracción de volumen importante, por lo que la masa se cuartea y sólo es útil para sellar algunas faltas y fracturas finas. Para evitar el cuarteo de la cal durante su fraguado se recurre a mezclarla, en las proporciones adecuadas, con árido. Esto se debe a que el árido actúa como un armazón rígido formado por los granos de arena en contacto. En los huecos de este armazón se localiza la cal, y su contracción resultará en una compactación adicional de la mezcla, pero no en su fracturación, aunque sí puede producirse un incremento de la porosidad.

La naturaleza del árido es muy variable. Generalmente es arena de río, que está formada por granos de rocas cuarzosas, cuarzo-feldespáticas, carbonatadas, mármoles, volcánicas, etc. No debe contener fracción arcillosa (Vitrubio indica que la arena más idónea es la que “al frotarla fuertemente con las manos, produce un crujido; este efecto no se consigue con la arena mezclada con tierra, pues no tiene aspereza”; pg. 105, Alianza Editorial, Madrid, 1995; traducción de José Luís Oliver Domingo), y cuando esto no es posible, debe tamizarse. Este mismo tipo de árido se encuentra en las arenas de playa, aunque han sido menos utilizadas ya que contienen sales nocivas para el mortero. En caso de utilizarse, deben ser lavadas concienzudamente con agua. Vitrubio ya indica que este tipo de arena es poco adecuada, ya que “cuando se tiende el enlucido sobre las paredes, al eliminar el salitre, se va deshaciendo” (op. cit., pg. 105). En cualquier caso, en que sea necesario lavar el árido, es conveniente esperar a que se seque para mezclarlo con la cal, para favorecer la bañabilidad de la emulsión de cal. Otros tipos de árido son fragmentos de canteras, fundamentalmente de caliza, mármol y rocas volcánicas (e.g., pozzolana), y fragmentos de cerámica y tejas. Al respecto del árido de cantera, Vitrubio indica que “se seca con rapidez, mantiene largo tiempo el enlucido y permite sobreponer bóvedas, pero únicamente si son recién extraídas de los arenales. Si durante largo tiempo permanece al aire libre, se ablandan por el sol, la luna y los hielos, se resquebrajan y se hacen terrosas. Y así, cuando se utilizan en mampostería, no pueden mantener unidas las piedras sino que se desmoronan y las paredes son incapaces de soportar la carga” (op. cit., pg. 105).

En función de grosor de la arena se tienen morteros s.s (granos con diámetro < 5 mm) y hormigones (granos con diámetro < 5 mm -finos- y > 5 mm). Las proporciones clásicas de cal y arena en los morteros de unión son 1:3, aunque existen lógicamente variantes. Vitrubio menciona esta proporción si se utiliza arena de cantera, y de 1:2 si se utiliza arena de río o de playa (op. cit., pg. 107).

Un procedimiento tradicional de apagado de la cal consistía en mezclar la cal viva con el árido de arena de río, fragmentos de calizas o mármoles y/o fragmentos de cerámica que serviría para obtener el mortero. Las cantidades de cal que pueden apagarse con este método son menores ya que deben calcularse bien las proporciones volumétricas de cal apagada y árido. Sin embargo, este método tiene la ventaja de que se favorece enormemente la adhesión de la cal que se va apagando a los granos de árido, en un grado que no es posible obtenerlo al mezclar la cal ya apagada con el árido. Este efecto es en gran medida el resultado del tiempo durante el cual están en contacto la pasta y el árido antes del fraguado (meses o años en un caso vs. días en el otro). Una alternativa es mezclar la pasta de cal ya apagada con el árido y dejar envejecer la mezcla durante el mayor tiempo posible. También en este caso es necesario añadir sólo pequeñas cantidades de agua para garantizar el paso de estado rígido a plástico de la mezcla y garantizar su trabajabilidad en el momento deseado. Este tipo de mezclas son recomendadas para trabajos de restauración, incluso si se añaden sustancias hidráulicas más tarde a la hora de aplicar el mortero.

Independientemente de cuando se realice la mezcla de cal y árido, es necesario un trabajo adicional de mezcla a la hora de aplicar el mortero. Esta mezcla adicional, llevada a cabo con pala o algún otro utensilio adicional, mejora la trabajabilidad y las características del mortero. La antigua tradición de desmenuzar, batir y apisonar la mezcla se ha perdido, pero existen claras evidencias de que estas operaciones mejoran el producto final ya que tienen como función de incrementar la adhesión superficial entre la cal y los granos de árido y de facilitar la evacuación de agua por compactación de la masa.

Una vez fraguado el mortero por secado, se produce el proceso de carbonatación o endurecimiento (Figura 4) En este proceso, el hidróxido cálcico del mortero reacciona con el CO₂ disuelto en la atmósfera, cuya concentración es de 0.034 % en peso en atmósferas no contaminadas y hasta mas del 1 % en atmósferas contaminadas, o el disuelto en el agua que entra en contacto con el mortero. El producto de reacción es carbonato cálcico, que constituye el producto sólido final de la cal aérea, y agua, que se libera por evaporación (Figura 4). Este proceso es muy lento, se inicia tímidamente después del apagado de la cal viva, y dura años una vez aplicado el mortero. Estudios llevados a cabo por el ICCROM de Roma (Perini et al., 1981) sobre cubos de mortero de cal muestran que sólo una película externa de unos mm de grosor se carbonata tras periodos estándar de 60 días. Esta carbonatación superficial puede ralentizar la carbonatación del interior del mortero, ya que en el proceso de transformación del hidróxido cálcico a carbonato cálcico se produce un aumento de volumen del 10%, lo cual lleva a una compactación superficial que implica una obturación parcial de poros y conductos por los que debe circular el CO₂ disuelto en el aire o en el agua. De hecho, se encuentran morteros de cal romanos que presentan cal no carbonatada en el interior.

Además, la tasa de carbonatación es, dentro de la lentitud, muy variable, ya que depende de un gran número de factores como:

· Concentración de CO₂ en la atmósfera, en el agua de lluvia y en el agua de infiltración.

· Temperatura y humedad del ambiente y del muro.

· Grosor, porosidad y permeabilidad del mortero y del sustrato pétreo, arcilloso o de ladrillo.

Un rápido secado del mortero, que puede tener lugar en climas secos y calurosos como el nuestro, limita el proceso de carbonatación. El mortero resultante estaría compuesto en una proporción elevada de hidróxido de Ca no carbonatado, por lo que puede presentar escasa resistencia mecánica y ser vulnerable a la escorrentía de agua de lluvia. Es por tanto recomendable regar los morteros periódicamente una vez aplicados, durante un tiempo (unos días hasta unas semanas) y frecuencia (inicialmente cada hora o par de horas y pasar progresivamente un riego diario) que dependerán de las condiciones locales. En trabajos de restauración, puede favorecerse la carbonatación utilizando agua con CO₂ disuelto. Para caracterizar la composición de los morteros puede recurrirse a ensayos muy simples y rápidos como los análisis por DRX y los ensayos químicos de medición del pH, con indicadores como una disolución acuosa de fenolftalenina, que permanece incolora para pH<8.3 (i.e., disolución en contacto con carbonato cálcico) y se torna roja para pH>10 (i.e., disolución en contacto con hidróxido cálcico).

La naturaleza de la cal hace que su fraguado sea lento, por lo que el color (pigmentos minerales, carbón,...) puede aplicarse sobre la superficie enlucida fresca (i.e., húmeda). En la pintura al fresco, el color se absorbe y fija durante el proceso de fraguado y carbonatación del enlucido de cal, lo que resulta en una luminosidad y frescura difícilmente obtenibles por otras técnicas. De hecho, el fresco incluye algunas de las obras de arte más hermosas e impresionantes de todas las épocas históricas (e.g., Capilla Sixtina,...). No obstante, los pigmentos que pueden utilizarse son sólo aquellos que resisten la acción cáustica de la cal, lo cual constituye una limitación respecto de otras técnicas.

Sin embargo, desde el punto de vista conservativo, las pinturas al fresco presentan ventajas, ya que tienen una buena resistencia a los agentes de deterioro, particularmente al agua, debido a que los colores se encuentran atrapados entre los granos de calcita (carbonato cálcico) del enlucido, y la solubilidad de este compuesto en agua es baja. Por contra, la pintura aplicada en seco, como es el caso del fresco seco y la pintura al temple, se deteriora con mayor rapidez. Esto es claro en las pinturas murales en las que las partes pintadas al fresco están bien conservadas y los retoques en seco, por ejemplo a la cal, han desaparecido.

Parece ser que la primera aplicación de la técnica del fresco, utilizando cal como soporte de pinturas murales, se debe a la cultura minoica, hacia mediados del segundo milenio a.C. No obstante, la cal aérea ha constituido el agente aglomerante típico de los morteros de construcción y de revestimiento no pintados desde épocas anteriores (se conocía en Mesopotamia al menos a partir de la segunda mitad del tercer milenio a.C., aunque no en Egipto, donde fue introducida por los romanos; Figura 1). La técnica del fresco cretense era esencialmente la misma que la que luego se utilizó en Grecia, Roma, Bizancio, Europa medieval y el Renacimiento. Aunque la forma de trabajar y los materiales (aglutinantes y pigmentos) han variado a lo largo de la historia, la técnica básica ha permanecido invariable.

En esencia la técnica consistiría en picar la pared del edificio para que adquiriera rugosidad y pudiera recibir el revestimiento, que consistía en una o varias capas de mortero de cal y árido (arena de río, polvo de mármol, fragmentos de cerámica molida, etc.). El grosor de estas capas podía llegar hasta 2 cm, y la proporción y granulometría del árido decrecían desde las capas internas (cal/árido = 3:1, diámetro del árido = 1-2 mm), denominadas con los términos italianos de trullisatio, arenato y arrizzio, a la externa (cal/árido = 1:1, diámetro del árido < 0.75 mm) que recibe la pintura al fresco, denominada con el término intonaco (Figura 5). En el caso del fresco seco y pintura a la cal, la capa final del estucado podía constituir de una mano de cal sin árido, sobre la que se aplican los colores (Figura 5).

Figura 5. Sección idealizada de un muro con pintura mural, e imagen de detalle de la fachada mural (deteriorada) de la Iglesia de Santo Domingo (Realejo, Granada), en las que se ilustran la estructura más común del soporte de mortero de la pintura mural.

Cales hidráulicas y cementos

Actualmente puede obtenerse cal muy pura. Sin embargo, en el pasado se disponía de cales más deficientes debido a las deficiencias técnicas de los hornos, que hacían que las cales contuviesen escorias y cenizas. Pero más importante es que se utilizaban rocas carbonatadas impuras, esto es, constituidas esencialmente por calcita, pero con proporciones variables de otros minerales como dolomita (CaMg(CO₃)₂,), óxidos e hidróxidos de Fe, y arcillas. Estos minerales se descomponen durante la cocción de los carbonatos en los hornos, produciéndose óxido de Mg (MgO) y silicatos, aluminatos y ferritos de calcio y además del óxido de Ca producto de descomposición de la calcita. La cal se denomina cal grasa o cal no hidráulica tradicional, cuando las cantidades de estos componentes no exceden de 5 %, y cal magra en caso contrario.

Figura 6.- Pavimentos en la arquitectura romana (tomado de Ortega Andrade).

La presencia de arcillas en los carbonatos es particularmente interesante, ya que confiere cierta hidraulicidad a la cal. Esto significa que el fraguado puede tener lugar, en mayor o menor grado, bajo el agua. Así, mientras que un exceso de agua disgrega la pasta de cal aérea, el agua favorece el fraguado y endurecimiento de las cales hidráulicas y cementos. Este hecho, y las mejores propiedades mecánicas de estos aglomerantes, han condicionado el espectacular desarrollo de la construcción experimentado a partir del siglo XVIII.

En todos los aglomerantes hidráulicos se producen reacciones que finalmente forman sílico-aluminatos de Ca hidratados, que son los responsables del fraguado y endurecimiento del mortero. La hidraulicidad de estos aglomerantes resulta del hecho de que los sílico-aluminatos de Ca hidratados se forman en presencia de agua.

Las cales hidráulicas y cementos utilizados en el pasado se han obtenido de maneras diversas. A continuación, revisaremos las distintas modalidades tradicionales y actuales.

Producción, aplicaciones y modalidades de morteros de cales hidraulicas y cementos

Mortero romano pozzolánico

La forma más sencilla, y a la vez más antigua, de obtener un mortero hidráulico es mezclar cal aérea con polvo de naturaleza alumino-silicatada anhidra, como polvo de rocas volcánicas o de ladrillos, tejas, etc. Esta mezcla fue inventada por los griegos, etruscos o romanos, posiblemente como resultado del azar. Vitrubio menciona esta “clase de polvo que encierra verdaderas maravillas, de un modo natural. Se da en la región de Bayas, en las comarcas de los municipios situados cerca del volcán Vesubio. Mezclado con cal y piedra tosca, ofrece una gran solidez a los edificios e incluso en las construcciones que se hacen bajo el mar, pues se consolida bajo el agua.” (op. cit., pg. 109).

Tanto en las cercanías de Roma, como de otras ciudades italianas como Nápoles, existen amplias áreas volcánicas recientes donde se encuentran depósitos de rocas volcánicas lávicas y piroclásticas. Las primeras son el producto de la solidificación rápida de líquidos magmáticos de composición alumino-silicatada, que al enfriarse forman vidrio volcánico amorfo o criptocristalino (parcialmente cristalizado). Las segundas son el producto de la solidificación y compactación del mismo tipo de material, aunque en este caso expulsado como fragmentos incandescentes de tamaño variado durante explosiones volcánicas violentas. Las rocas volcánicas, como obsidiana, tobas, cenizas, pumitas (piedra pómez), etc., son muy porosas, debido a la liberación de gases durante su enfriamiento (rocas lávicas y pirocláscticas) y de su origen clástico, i.e., por acreción de partículas (rocas piroclásticas).

Aunque las rocas volcánicas suelen presentar una elevada proporción de material amorfo (i.e., vítreo), en estas rocas pueden existir también cristales, generalmente pequeños, de minerales alumino-silicatados (e.g., olivino, piroxenos, feldespatos, cuarzo,...) que han cristalizado a partir del líquido magmático con anterioridad al vidrio (en el interior de la cámara magmática subterránea). Estos cristales son el producto estable de cristalización del líquido. Por tanto, la naturaleza amorfa del vidrio volcánico alumino-silicatado es intrínsecamente inestable bajo las condiciones ambientales propias de la superficie terrestre, y tiende a transformarse. Esta tendencia a la transformación se acrecienta si, además, estos materiales se someten a condiciones fisicoquímicas particulares, como las encontradas en una pasta acuosa de cal apagada. La abundancia de Ca en esta pasta y su naturaleza fuertemente alcalina (pH>10), hacen que el vidrio y los posibles cristales de minerales alumino-silicatados presentes en los fragmentos de árido sean muy inestables, y reaccionen con el hidróxido cálcico y el agua. El resultado es la formación de minerales de tipo sílico-aluminatos hidratados de Ca, cuyo crecimiento es el origen del fraguado hidráulico. De forma esquemática podemos escribir estas reacciones como:

SiO₂·Al₂O₃ (roca volc.) + Ca(OH)₂ (cal) + H₂O = SiO₂·Al₂O₃·CaO·H₂O

Todo lo anteriormente expuesto aplica también al caso de utilizar fragmentos de cerámica, ladrillos y tejas como árido, ya que su composición es también alumino-silicatada, y su naturaleza es esencialmente vítrea.

La transformación del material alumino-silicatado del árido suele ser incompleta, ya que las reacciones anteriores ocurren lentamente a temperatura ambiente, y suele existir deficiencia de agua debido a su evaporación una vez aplicado el mortero. En consecuencia, la hidraulicidad es de estos morteros es muy baja, aunque suficiente como para poder ser apreciada. Este fue quizás el caso de los romanos, que apreciaron las mejoras obtenidas en los morteros al utilizar árido de rocas volcánicas o de fragmentos de ladrillos y tejas.

Esta observación condujo a mejoras substanciales en la hidraulicidad de los morteros utilizados en la civilización romana. Los romanos apreciaron que la hidraulicidad de los morteros se incrementaba considerablemente al descender el tamaño de grano del árido de rocas volcánicas y/o fragmentos de cerámica. En consecuencia, llegaron a desarrollar morteros de características mecánicas sin igual hasta la fecha. Estos morteros, denominados morteros romanos, constaban de mezclas de cal apagada, polvo molido de rocas volcánicas y/o fragmentos de cerámica y árido del mismo tipo o, alternativamente, de arena de río y más raramente, de playa. El incremento de hidraulicidad se debe al sustancial incremento de la superficie del material alumino-silicatado cuando su tamaño de grano es muy fino (polvo). Esto supone un incremento en la tasa de reacción entre el material alumino-silicatado, la cal y el agua, esto es, un volumen mayor de material, en contacto con la cal, es capaz de reaccionar por unidad de tiempo.

El material volcánico por excelencia utilizado por los romanos es ceniza volcánica de la región de Pozzuoli, cercana a Nápoles. De aquí que a este material se le denomine pozzolana. Otra área explotada por los romanos es la caldera volcánica de Thera, en Santorini, en el archipiélago de las Cícladas. Estos depósitos de rocas volcánicos todavía son explotados por la industria de la construcción, aunque el término pozzolana se ha convertido en un término genérico para describir cualquier producto que reacciona con la cal apagada y confiere hidraulicidad al fraguado. Las proporciones clásicas de cal y árido, sugeridas por Vitruvio (De Architectura), para los morteros romanos son:

· 1:3 (en volumen) cuando el árido es pozzolana,

· 1:2 cuando la arena es de río o mar (junto con cierta proporción de ladrillo triturado), y

· 2:5 cuando se trata de morteros usados en la construcción de cisternas, utilizando árido de pozzolana.

Los romanos utilizaron estos morteros para solucionar problemas constructivos como bloquear infiltraciones de agua en cisternas, canales, cloacas, baños termales, y acueductos, para estucar muros expuestos a la lluvia, para bloquear el ascenso capilar del agua en muros localizados en terrenos húmedos, en pavimentación y en la soldadura de tejas. Soluciones constructivas audaces, como arcos y cúpulas (e.g., Termas de Caracalla, Panteón de Roma), también pudieron llevarse a cabo utilizando este tipo de morteros pozzolánicos, como cementante de un conglomerado de fragmentos gruesos de árido (opus caementicium, o calcestruzzo en la terminología italiana) que constituía el núcleo de los muros revestidos de ladrillo o piedra.

La tecnología de los morteros hidráulicos sobrevivió a la civilización romana sólo en los textos de los clásicos. Las civilizaciones posteriores no aportaron ninguna innovación tecnológica substancial. Por el contrario, la calidad de los morteros es a menudo mediocre, y a veces incluso mala. Esto puede ser atribuido a las condiciones sociopolíticas creadas con la caída del Imperio Romano y a la pérdida progresiva de los códigos verbales utilizados por los romanos en la obtención de morteros de alta calidad y su trabajado. Sólo a partir del siglo XVII se puede decir que se alcanzaron morteros de calidad similar a los romanos. A esta fecha corresponde una variedad de mortero hidráulico muy extendida en Europa central, fabricada con escoria volcánica de la región de Andernach en el Rhin (denominada tarras en la literatura de la época) mezclada con cal apagada en la proporción (cal:árido) 1:1 o 1:2. Actualmente se fabrica morteros hidráulicos de cal aérea con aditivos pozzolánicos (en sentido genérico) tales como polvo de ladrillo, polvo de cerámica de alta temperatura, ceniza de combustión pulverizada. No obstante, cuando se necesita un fraguado hidráulico la práctica habitual es utilizar cales hidráulicas s.s. o cementos, mezclados o no con cal aérea.

Cales hidráulicas y cementos

Cales hidráulicas y cemento romano

Las cales hidráulicas se descubrieron en el siglo XVIII. A lo largo de ese siglo se diseñaron distintos experimentos en países que comenzaban a sentir la revolución industrial (Inglaterra, Francia, Estados Unidos) en busca de morteros con grados de hidraulicidad y propiedades mecánicas más eficientes. Se mezclaron así distintas cales con tierras volcánicas y se descubrió que las cales que daban mejores resultados eran aquellas que se obtenían de calizas impuras, esto es con una cierta proporción de material arcilloso (>5%). Estas rocas no son calizas s.s., por lo que reciben nombres distintos. Cuando la proporción de arcilla es menor del 35%, la roca se denomina caliza margosa, y cuando se encuentra entre el 35 y 65 %, se denomina marga. La composición de estas rocas presenta, por tanto, cantidades variables de carbonato cálcico (calcita) y alumino-silicatos de potasio y sodio hidratados (arcillas), además de impurezas como óxidos de Fe. Sólo las calizas margosas han constituido la materia prima para la producción de cales hidráulicas en el pasado.

Los procedimientos de cocción de las calizas margosas son los mismos que los apropiados para obtener cal viva a partir de calizas puras, pero los procesos que tienen lugar durante la cocción su mucho más complejos (Figura 7). En general, las cales hidráulicas se obtienen a temperaturas de hasta 1200 ºC, y durante el incremento de temperatura se van produciendo reacciones de deshidratación y decarbonatación. El producto final de la cocción se denomina clinker, y está formado por una mezcla de (Figura 7) cal viva (CaO), silicato bicálcico (2CaO·SiO₂, abreviado C₂S), aluminato tricálcico (3CaO·Al₂O₃, C₃A) y aluminato-ferrito de calcio (4CaO·Al₂O₃·Fe₂O₃). La cal viva se produce como producto de cocción si las cantidades de arcilla en la roca original son relativamente bajas (<20-25%), como es el caso de las calizas margosas empleadas en los siglos XVIII y XIX.

Los minerales anhidros producidos durante la cocción de las calizas margosas reaccionan rápidamente con el agua, formando fases minerales hidratadas que son la base del rápido fraguado hidráulico (en general en torno a unas horas), y liberando energía en forma de calor. Las fases minerales formadas en la hidratación, como silicatos de Ca hidratados (Figura 7) son similares a los producidos en los morteros romanos con árido de pozzolana o de cerámica. Sin embargo, el fundamento del fraguado hidráulico es distinto, ya que en este caso el producto obtenido en la cocción es hidráulico, mientras que en los morteros romanos el producto de cocción, hidróxido de Ca (cal aérea apagada), no es hidráulico, aunque éste reacciona posteriormente con el material alumino-silicatado anhidro de la pozzolana o cerámica para formar los alumino-silicatos hidratados.

Figura 7. Ciclo de la cal hidráulica y cementos de tipo Portland: cocción y fraguado. Las reacciones son indicativas de complejos procesos reaccionales. Nótese que las cales hidráulicas se obtienen por cocción de calizas margosas naturales a temperaturas de hasta 1200 ºC, mientras que el cemento de tipo Portland se obtiene por cocción de mezclas apropiadas de calizas y arcillas a temperaturas de hasta 1500 ºC. Al clinker obtenido en este último caso se le añade un 2% de yeso como retardante del fraguado.

Variaciones en las temperaturas de cocción, así como en las proporciones y naturaleza de los componentes de las calizas margosas, producen cales hidráulicas con características muy diferentes. Un parámetro que permite definir las propiedades de las cales hidráulicas es el índice de hidraulicidad, (I):

Así, el tiempo de fraguado y endurecimiento es función del índice de hidraulicidad, como se expresa en la Tabla 1.

Tabla 1. Índice de hidraulicidad de cales hidráulicas

Índice de hidraulicidad	Tipo de cal	Tiempo de
0.10-0.16	Cal débilmente hidráulica	2 semanas - 1 mes
016-0.31	Cal medianamente hidráulica	1 semana - 2 semanas
031-0.42	Cal hidráulica s.s.	4 días - 1 semana
042-0.50	Cal fuertemente hidráulica	menos de 4 días

Entre las cales hidráulicas tradicionales utilizadas en construcción y revestimiento destaca la variedad denominada cemento romano, que se obtiene a partir de la cocción de calizas margosas con aproximadamente un 25 % de arcillas bajo temperaturas de 1200-1250 ºC. Este nombre apareció en torno al año 1800, y parece ser que su nombre se debe tanto a sus propiedades hidráulicas (fraguaba hasta en media hora) como a su color marrón. Esta cal se mezclaba con árido en las proporciones 1:1 y, más raramente, 1:2. El material es bastante duradero, por lo que fue muy utilizado como revestimiento. Esta es la forma en que más se le encuentra, pintado o no. En revestimientos trabajados con moldes se utilizaba la cal hidráulica prácticamente pura, sin árido. Las técnicas de coloreado imitaban el fresco, en el sentido en que mezclas de cal aérea e hidráulica se mezclaban con los colores para ser aplicadas sobre el trabajo de revestimiento ya acabado. Desafortunadamente, el cemento romano ha sido muy utilizado en el pasado como material de reparación de edificios histórico-artísticos, particularmente como mortero de reintegración y de revestimiento sobre áreas dañadas, funciones para las que no es apropiado debido a su elevada resistencia mecánica y escasa permeabilidad. De hecho, la retirada de morteros a base de cales hidráulicas y cementos de edificios intervenidos en el pasado es uno de los trabajos de restauración arquitectónica más habituales.

El cemento romano ha sido fabricado hasta los años 60. Actualmente la producción de cal hidráulica es mínima, aunque puede encontrarse, por ejemplo, en Francia. De hecho, los morteros hidráulicos utilizados en la actualidad se obtienen a partir de cementos.

Cemento portland y otros cementos

Los cementos propiamente dichos son similares a las cales hidráulcias, aunque los procedimientos de obtención y su naturaleza difieren ligeramente. Así, mientras las cales hidráulicas tradicionales se obtenían de la cocción de calizas margosas naturales, los cementos se obtienen por cocción de mezclas artificiales de calizas, margosas o no, arcillas y otros materiales, todos ellos molidos y mezclados en las proporciones deseadas. Además, esta mezcla artificial se somete actualmente a temperaturas de hasta 1500 ºC, i.e., mayores que en el caso de las cales hidráuicas tradicionales (Figura 5).

El nacimiento de los cementos es inmediato al de las cales hidráulicas. En 1811 James Frost patentó en Inglaterra un cemento artificial obtenido por calcinación de una mezcla de calizas puras y arcillas molidas. Este método de obtención de cementos hidráulicos fue seguido rápidamente por otros investigadores, ya que permitía diseñar la mezcla que se somete a cocción de forma precisa, y así obtener el producto deseado sin tener que depender de “caprichosas” variaciones en las proporciones de carbonatos, arcillas y óxidos de Fe de las calizas margosas naturales. El tipo de cemento artificial de este tipo más famoso devino en llamarse cemento Portland, debido a su supuesta similitud con un tipo de caliza de la localidad de Portland, en Inglaterra.

El primer cemento de tipo Portland fue patentado por Joseph Aspdin en Leeds. El procedimiento incluía molido y calcinación de “caliza dura” (i.e., relativamente pura), mezcla de la cal viva con arcilla, molido ulterior hasta obtener un polvo que se mezclaba con agua, calcinación de la mezcla, y finalmente una segunda calcinación del producto obtenido previamente. A pesar de lo “sofisticado” del método, este tipo de cemento no llegaba a poseer las características de los cementos actuales ya que las temperaturas de cocción eran lo suficientemente bajas (<1300ºC) como para no producir una vitrificación significativa (i.e., escasa producción de fase líquida). A partir de la segunda mitad del siglo XIX los cementos fabricados se asemejan ya a los actuales, ya que se lograron alcanzar temperaturas de cocción elevadas (hasta 1500ºC). Estos cementos se obtienen por calcinación de una mezcla de caliza (75-80%) y arcilla molida (20-25%), y al producto final de la cocción se le adiciona yeso (2-3%) como retardador y regulador del fraguado (en torno a 45 minutos). Durante el proceso de fraguado del cemento Portland, una vez adicionada agua, ocurren reacciones similares a las propias del fraguado de cales hidráulicas, aunque se producen otros compuestos sulfatados debido a la presencia de yeso en la mezcla (Figura 5).

La hidratación del cemento Portland implica la liberación de energía en forma de calor (70-120 cal/g) y una cierta contracción de volumen. La cantidad de agua que se combina con los compuestos anhidros del clinker es de un 25% aproximadamente del peso del mismo, aunque el agua adicionada debe ser dos o tres veces mayor que esta cantidad (50-80% del peso del cemento).

El uso de cemento Portland en trabajos de restauración no está particularmente recomendado debido a su elevada resistencia mecánica, su escasa porosidad y carácter impermeable. Además, es susceptible al ataque químico de soluciones sulfatadas (particularmente sulfatos de Mg), ya que el aluminato de Ca hidratado del cemento reacciona con los sulfatos y forma sulfoaluminato de calcio hidratado (sal de Candlot, o etteringita), con disgregación de la masa a causa del aumento de volumen que implica la transformación. La formación de sales implica una pérdida de las propiedades mecánicas del mortero, así como un aumento de la porosidad, lo cual tiene como resultado su deterioro y el del substrato pétreo, al que transfiere sales solubles dañinas. De hecho, el uso de este compuesto en morteros de revestimientos sobre muros donde el ascenso de agua por capilaridad es importante suele ser particularmente dañino, tanto para el substrato pétreo como para los revestimientos murales existentes, como más adelante se ilustra.

Existen otros muchos tipos cementos artificiales, con características distintivas respecto del cemento Portland, entre los que cabe destacar por sus posibles utilizaciones como materiales de restauración:

· Cemento Portland blanco: Mezcla de caliza y arcilla de China quemada con combustible líquido, no con carbón. Su resistencia mecánica es menor que la del cemento Portland s.s., por lo que está particularmente indicado para la fabricación de morteros de unión y revestimiento en trabajos de restauración, mezclándolo con cal aérea en las proporciones oportunas (en general, en cantidades menores o iguales que la cal aérea: desde 1:1 hasta 1:1/30).

· Cemento alumínico: Cocción de mezcla de caliza y bauxita (hidróxidos de Al naturales), obteniéndose un compuesto con 40% Al₂O₃, 40% CaO, 10-15% Fe₂O₃, 5-10% SiO₂. So color es gris oscuro, y su fraguado es más lento que el del cemento Portland (hasta 6 horas). Resiste mejor el ataque de soluciones sulfatadas, aunque no resiste bien el ataque a los álcalis cáusticos. Este cemento ha sido recomendado en trabajos de restauración de pinturas murales sobre revestimientos de cemento Portland y romano, ya que las reintegraciones pueden ser pintadas rápidamente, sin necesitar del uso de imprimaciones y pigmentos especiales. En el caso de caso de utilizar cemento Portland, es necesario utilizar sustancias resistentes al ataque alcalino, y esperar bastante tiempo en la aplicación de la pintura. Sin embargo, la alcalinidad inicial del cemento alumínico (pH=12) no es substancialmente menor que la del cemento Portland (pH=12-13), por lo que en cualquier caso se recomienda el uso de sustancias resistentes al ataque alcalino. Por otra parte, este tipo de cemento pierde resistencia mecánica y sufre un incremento de porosidad con el tiempo debido a la transformación de los aluminatos de calcio hidratados bajo condiciones de humedad. Este problema es crítico en las construcciones modernas, aunque no en el contexto general de la restauración excepto en aquellos casos en que la humedad de los muros no pueda ser evitada tras la intervención.

· Cemento puzzolánico: Mezcla y molienda de cemento Portland ordinario y material puzzolánico (30-40% de material volcánico natural o, más comúnmente, cenizas y escorias de combustión en altos hornos). Fragua y endurece más lentamente, libera menos calor, y resiste bien al ataque químico de sulfatos.

· Cemento resistente a ataque de sulfatos: Este tipo de cementos presentan una concentración menor de aluminato tricálcico (C₃A, en torno al 5% respecto del 11% del cemento Portland), lo cual favorece su resistencia al ataque químico de soluciones sulfatadas al existir un menor riesgo de formación de sulfoaluminatos de Ca hidratados.

Restauración de Materiales Pétreos

Morteros