Propiedades de las Rocas de Construccin y Ornamentacin

Las rocas, y otros materiales ptreos artificiales utilizados en la construccin, son sustancias heterogneas caracterizadas por amplios rangos de variacin composicional, textural y estructural. Esta variabilidad hace que las propiedades de los materiales, que son las que dictan sus campos de aplicacin, sean tambin variables. As, la adecuacin de un material para un propsito concreto, tanto desde el punto de vista constructivo-ornamental como restaurador, debe basarse en determinadas propiedades que deben, a su vez, ser fcilmente medibles en el laboratorio.

Las propiedades de los materiales se clasifican generalmente como fsicas, qumicas y mecnicas, aunque en el campo de la construccin/ornamentacin/restauracin tambin pueden incluirse las propiedades relacionadas con su trabajabilidad. Es evidente que la lista de propiedades que pueden medirse en un material es muy extensa. Por ello en este tema se presentan aquellas que tienen ms relevancia desde el punto de vista que nos atae.

Dentro de las propiedades fsicas se incluyen densidad, porosidad, permeabilidad a lquidos y gases, capacidad calorfica, conductividad y expansin trmicas, etc. Entre las propiedades qumicas pueden incluirse la resistencia a soluciones cidas y alcalinas, y a las reacciones inducidas por la presencia de sales. Las propiedades mecnicas incluyen la resistencia a la compresin, tensin, flexin e impacto y penetracin por otro cuerpo y por otras acciones que involucran la generacin de fuerzas, como la cristalizacin de hielo y sales en el interior del sistema poroso de los materiales y los cambios volumtricos de los mismos debidos a cambios de temperatura.

Estas propiedades, que en ltima instancia resultan de la composicin qumica y mineralgica de los materiales, de su textura y de su estructura, permiten caracterizar la resistencia de los materiales a los agentes de deterioro. Esto ltimo gobierna la vida til del material, que a fin de cuentas es equivalente a la vida til de las partes del edificio construidas con el mismo y, para determinados elementos constructivos, del edificio mismo.

Una misma propiedad de un material puede medirse en distintos aparatos, bajo distintas condiciones experimentales y utilizando probetas de muestra de distintas dimensiones y formas. Esto supone generalmente obtener resultados distintos para una misma propiedad, por lo que stas deben medirse siguiendo normativas que aseguren que los datos obtenidos son comparables con los obtenidos en otros laboratorios. Entre estas normas cabe mencionar las de la Sociedad Americana para el Ensayo de Materiales (American Society for Testing Materials, o ASTM), las de grupo italiano para la Normativa de Productos Ptreos (Normativa Manuffati Lapidei, o NORMAL) del Consiglio Nazionale delle Ricerche-Istituto Centrale per il Restauro (CNR-ICR) y las de la Reunin Internacional de Laboratorios de Ensayos de Materiales (RILEM), incluyendo las de la Comisin 25 para la Proteccin y Erosin de los Monumentos (25 Protection and Erosion des Monuments, o PEM) de la RILEM.

Propiedades Fisicas

Isotropa y anisotropa

Estos conceptos se utilizan para calificar el comportamiento de los materiales respecto de las direcciones del espacio. As, un material es istropo respecto de una propiedad determinada cuando esa propiedad no varia al variar la direccin en la que se mida la propiedad. En este caso, se dice que la propiedad es escalar. Por el contrario, un material es anistropo cuando la propiedad vara segn la direccin considerada. En este caso, la propiedad es vectorial.

Densidad y peso especifico (ASTM (12-70)

Tanto la densidad como el peso especfico son propiedades que no dependen de la direccin de medida, esto es, son propiedades escalares

Aunque se utilizan indistintamente, los trminos de densidad y peso especfico no son idnticos. La densidad es la relacin entre la masa y el volumen de la sustancia, midindose en unidades de masa/unidades de volumen (e.g., g/cc). El peso especfico es la relacin numrica entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de agua a 4C, esto es la relacin entre las densidades del cuerpo y la del agua. Esta propiedad es adimensional (no se expresa en trminos de unidades determinadas) ya que es la relacin entre dos cantidades con la misma dimensin. Dado que el volumen del agua vara con la temperatura, se toma como referencia la densidad del agua a 4C.

Densidad = masa/volumen (gr/cc)

Peso especfico = Densidad cuerpo/Densidad agua a 4C

En los minerales, ambas magnitudes son funcin de la estructura cristalina y la composicin del mineral, as como de la temperatura y presin, ya que los cambios de estos factores provocan contracciones (descenso de T y/o aumentos de P) o expansiones (aumento de T y/o descenso de P) de las estructuras. Los cambios de estructura afectan a estas magnitudes; as por ejemplo, la calcita presenta un peso especfico de 2.72 y el aragonito 2.94, y el cuarzo-( 2.65 y el cuarzo-( 2.40. La composicin tambin afecta en el caso de los minerales solucin slida; as por ejemplo, el peso especfico del olivino aumenta a medida que los tomos de Fe (ms pesados) sustituyen a los de Mg (ms ligeros), pasando de 3.22 para el Mg2[SiO4] (forsterita pura) a 4.41 para el Fe2[SiO4] (fayalita pura).

Cuando se consideran otro tipo de sustancias (por ejemplo, rocas), la densidad o densidad real se define como la masa por unidad de volumen de una sustancia, esto es la razn entre la masa en reposo y su volumen, considerando slo la parte impermeable (esto es, excluyendo el volumen ocupado por los poros):

donde: ( es la densidad (kg/m3)

M es la masa (kg) de la sustancia y

V es el volumen (m3) de la parte impermeable de la sustancia.

La densidad de algunos materiales de construccin se presenta en la Tabla 1.

Tabla 1. Densidad (kg/m3) de algunos materiales de construccin (de Komar, 1987).

Acero7800-7900

Cemento Portland2900-3100

Granito2700-2800

Arena cuarzosa2600-2700

Ladrillo2500-2800

Vidrio2500-3000

Caliza2400-2600

Madera1500-1600

La densidad global (a veces tambin denominada densidad aparente) es la masa por unidad de volumen de un material en su estado natural, incluyendo poros y todo tipo de espacios abiertos:

donde: (o es la densidad global del material (kg/m3)

M1 es la masa global (kg) del material y

V1 es el volumen global (m3) del material.

La densidad global de los materiales depende de su porosidad y contenido de espacios abiertos. Materiales sueltos como arena, piedra molida y cementos se caracterizan por su masa global. El volumen de estos materiales incluye tanto los poros y espacios abiertos existentes dentro de los granos como entre los granos. La densidad global de los materiales condiciona en gran medida sus propiedades fisico-mecnicas, tales como resistencia a la compresin y conductividad trmica, que a su vez son cruciales para clculo de estructuras y diseo de edificios. Evidentemente, la densidad global de los materiales es fuertemente variable (Tabla 2).

El peso especfico o peso especfico verdadero de una sustancia es la razn entre la masa de una unidad de volumen de la sustancia y la masa de la misma unidad de volumen de agua destilada. Para los slidos, el volumen considerado es el de la parte impermeable. El peso especfico global se define de manera similar, aunque considera el volumen total del cuerpo, incluyendo los poros.

Tabla 2. Densidad global (kg/m3) y porosidad (%) de rocas y materiales de construccin (de Winkler, 1973 y Komar, 1987)

Densidad globalPorosidad

Acero7800-7850

Granito2600-28000.15-1.5

Gabro3000-31000.1-0.2

Riolita2400-26004.0-6.0

Basalto2800-29000.1-1.0

Arenisca2000-26005.0-25.0

Lutita2000-240010.0-30.0

Caliza2200-26005.0-20.0

Dolomia2500-26001.0-5.0

Gneiss2900-30000.5-1.5

Mrmol2600-27000.5-2.0

Cuarcita26500.1-0.5

Pizarra2600-27000.1-0.5

Hormign pesado1800-2500

Hormign ligero500-1800

Ladrillo1600-1800

Arena1450-1650

Plstico poroso20-100

Porosidad

La porosidad de un material es el volumen de espacios abiertos que contiene relativo a su volumen total. Los poros son pequeos espacios abiertos existentes en los materiales rellenos por soluciones acuosas y/o gaseosas (e.g., aire). Los poros pueden estar abiertos (i.e., intercomunicados) o cerrados, y ser grandes o pequeos. El tamao de poro medio y el grado de intercomunicacin entre los poros determinan el tipo y grado de movimiento de soluciones lquidas y gaseosas por el interior de los materiales. Esto controla en gran parte su durabilidad. Los poros pueden clasificarse en funcin de su tamao en:

Megaporos:256-0.062 mm

Macrocapilares:0.062-0.0001 mm

Microcapilares: 90.

Figura 4. Fuerzas resultantes (F) de la conjuncin de las tensiones superficiales en un sistema slido-lquido-gas en un tubo capilar (w es el peso de la columna de agua para el caso a). El lquido se eleva una altura h si (a) ( < 90, y desciende si (b) ( > 90.

La Figura 5 muestra las curvas altura-radio de capilar calculadas para el sistema agua-aire y distintos valores de (. Ntese que valores de altura negativos se obtienen para ngulos ( > 90, lo que implica que el agua descender en el capilar, y que la altura ascendida (o descendida) es del orden de varios metros para radios de poro muy pequeos, como los que generalmente presentan rocas y morteros.

Figura 5. Curvas altura-radio de capilar calculadas para el sistema agua-aire.

La rutina de trabajo (recomendaciones RILEM y NORMAL 11/85) consiste en la colocacin de las probetas (la relacin de rea/volumen de la probeta cbica, prismtica o cilndrica debe estar comprendida entre 1 y 2 cm-1) sobre una superficie mojada, dentro de una cubeta de material plstico con agua destilada e interfase de papel absorbente para asegurar un flujo de humedad continua, sin llegar a mojar otra superficie que no sea la base de la probeta. Para evitar una rpida evaporacin del agua de la cubeta, sta se cubre con una tapadera de plstico protegida con papel absorbente para evitar el goteo de condensacin sobre las probetas junto con las paredes laterales de la cubeta. El recipiente debe colocarse dentro de una campana aislante con unos valores de temperatura y de humedad relativa constantes.

El ensayo consiste en pesar y medir la altura del agua sobre las diferentes probetas a tiempos parciales. Las pesadas se realizan eliminando previamente el exceso de agua depositada sobre la base de las probetas con una bayeta absorbente ligeramente humedecida; de esta forma se retiran los excesos de agua sin llegar a restar parte de la contenida en la probeta. Los resultados que se obtienen con el ensayo son los siguientes: peso en funcin del tiempo (Mt) expresado en gramos y altura ascendida en funcin del tiempo (ht) expresada en centmetros. La cantidad o incremento de agua absorbida de la muestra, por unidad de superficie en el tiempo se calcula con la siguiente ecuacin:

donde: M/S es el incremento de masa por unidad de superficie (kg/m2)

Mt (kg) es el peso de la muestra en funcin del tiempo t (s)

M0 (kg) es el peso de la muestra seca y

S es el rea (m2) de la cara de la probeta en contacto con el agua.Con los datos obtenidos es posible construir dos curvas, una de absorcin capilar y otra de ascenso capilar, en funcin de (min0.5). La primera se traza en funcin del incremento de peso experimentado por la probeta a lo largo del ensayo, la segunda curva representa la altura de agua ascendida en funcin del tiempo transcurrido. Adems de observar el comportamiento del material, se pueden obtener el coeficiente de absorcin capilar (con dimensiones kg/m2s0.5) y el coeficiente de penetracin capilar (con dimensiones m/s0.5) obtenidos mediante clculos de regresin en los tramo rectilneos de las curvas.

Propiedades Mecanicas

Las propiedades mecnicas definen la capacidad del material para resistir acciones externas o internas que implican la aplicacin de fuerzas sobre el mismo. Esencialmente, estas fuerzas son de compresin, tensin (o extensin), flexin y de impacto.

Resistencia a la Compresion

La resistencia a la compresin es la carga (o peso) por unidad de rea a la que el material falla (se rompe) por fracturacin por cizalla o extensional (Figura 6). Esta propiedad es muy importante en la mecnica de materiales, tanto en situacin no confinada (i.e., uniaxial) como confinada (i.e., triaxial). Dado que los materiales cerca de la superficie terrestre, incluyendo los edificios, suelen estar sometidos a condiciones no confinadas, consideraremos exclusivamente esta situacin. En este caso, la resistencia a la compresin uniaxial (i.e., longitudinal) se mide en una prensa hidrulica que registra el esfuerzo compresor ((l) aplicado sobre una probeta de material en una direccin del espacio, y la deformacin lineal ((l) inducida en esa misma direccin.

Figura 6. Desarrollo de fracturas extensionales y de cizalla como resultado de compresin.

Es importante indicar que los resultados obtenidos en los experimentos de resistencia a la compresin para un mismo material depende de la forma y tamao de la probeta. As, los prismas y cilindros largos presentan menores resistencias a la compresin que los cubos con la misma rea de seccin, y estos a su vez menores que los prismas y cilindros cortos (con alturas menores que sus lados o radios). Igualmente, la resistencia a la compresin depende de la tasa de aplicacin de la carga, de forma que a mayores velocidades de compresin mayor es el valor de la resistencia. La metodologa experimental puede seguir la norma ASTM D3148-86, segn la cual las probetas de muestra sern cilndricas, con una relacin altura/dimetro comprendida entre 2.5 y 3 (e.g., 10 cm de altura por 4 cm de dimetro). Deben ensayarse al menos 5 probetas por cada tipo de material, manteniendo la tasa de aplicacin de la carga constante (entre 0.5 y 1 MPa/s). Por otra parte, hay que evitar una mala colocacin de la probeta en la prensa, para asegurar una distribucin homognea del esfuerzo compresor.

El esfuerzo es igual a la fuerza aplicada por seccin o superficie:

donde: Fl es la fuerza aplicada longitudinalmente, expresada en newtons en el sistema mks (N=kgms-2), dinas en el sistema cgs o kilogramos-fuerza en el sistema tcnico

S es la seccin de la probeta (m2) y

(l es el esfuerzo lineal expresado en Pa (N/m2), dinas/cm2 o kg/m2 (las dimensiones del esfuerzo son las mismas que las de presin).

Dado que la fuerza es un vector, tambin lo es el esfuerzo. As, dado que el signo de la fuerza se toma negativo por convenio cuando es compresiva, y positivo cuando es tensional, el esfuerzo compresor es negativo y el tensor es positivo.

La deformacin lineal es igual al cambio de longitud experimentado por la longitud original de la probeta:

donde: l0 (m) es la longitud original

l1 (m) es la longitud final

(l (m) es el incremento de longitud de la probeta.Puesto que al comprimir l0 es siempre mayor que l1, l y l son negativos (positivos para el caso de tensin). El valor de (l (que es adimensional) es generalmente muy pequeo para materiales ptreos (del orden de 0.01 y menores).

La deformacin inducida sobre un cuerpo debida a la accin de un campo de fuerzas exteriores puede ser elstica o plstica. La deformacin es elstica cuando el cuerpo recupera su forma y volumen iniciales una vez cesada la accin de las fuerzas externas. En caso contrario, la deformacin es plstica (esto es, si la deformacin persiste en parte). El que la deformacin sea elstica o plstica depende de la naturaleza del cuerpo, de la temperatura, y del grado y tasa (velocidad) de deformacin al que ha sido sometido. A temperatura constante, los materiales se comportan normalmente como elsticos cuando los esfuerzos aplicados son pequeos, si bien se tornan plsticos cuando los esfuerzos superan un cierto lmite.

Para estudiar el comportamiento mecnico de los materiales, se recurre a la experimentacin sometiendo a los mismos a esfuerzos progresivos y registrando la deformacin resultante. Estos datos se expresan en diagramas (l-(l como los de la Figura 7, donde toma la forma de curvas similares (en forma) a las obtenidas en los ensayos de succin capilar. En la Figura 7 puede apreciarse un tramo de la curva (l-(l donde el esfuerzo es directamente proporcional a la deformacin. Este comportamiento constituye la ley de Hooke, que aplica solo para pequeas deformaciones, hasta un lmite denominado lmite de proporcionalidad, representado en la Figura 7 por el punto a. En este tramo, el comportamiento del material es elstico, esto es, si se disminuye el esfuerzo aplicado lentamente, se recorre el mismo tramo de la curva en sentido contrario, hasta alcanzar el punto de origen donde el esfuerzo y la deformacin son nulos. La proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformacin en el tramo de la ley de Hooke permite definir el mdulo de Young o mdulo de elasticidad (E). Este mdulo es la constante de proporcionalidad, de manera que:

donde el mdulo de elasticidad E es positivo ((l y (l son negativos) y presenta las mismas dimensiones que el esfuerzo ya que (l es adimensional. El valor del mdulo de Young es caracterstico para distintos materiales, por lo que puede utilizarse para comparar las caractersticas mecnicas de los mismos.

Figura 7. Curva esfuerzo-deformacin para compresin, con ilustracin de los tramos elstico y plstico.

Para deformaciones superiores al lmite de proporcionalidad, existe un cierto tramo de la curva (l-(l donde el comportamiento del material es elstico, aunque no existe proporcionalidad entre el esfuerzo y la deformacin. El lmite en el que el comportamiento del material deja de ser elstico se denomina lmite elstico, representado por el punto b de la curva en la Figura 7.

Al aumentar el esfuerzo y superarse el lmite elstico (punto b), la deformacin aumenta rpidamente y es en parte permanente. As, si se disminuye el esfuerzo aplicado lentamente a partir del punto c de la curva, se recorrer el trayecto indicado por una flecha de puntos hasta alcanzar el punto donde el esfuerzo es nulo, pero existe una cierta deformacin permanente (el cuerpo no recupera su longitud original). Al aumentar el esfuerzo se llega finalmente al punto d, denominado punto de ruptura, donde el cuerpo experimenta una fracturacin catastrfica por cizalla o fisuracin extensional. Este punto de ruptura define, en trminos del esfuerzo compresivo, la resistencia a la compresin (R).

La resistencia a la compresin de los materiales de construccin es muy variable, oscilando desde materiales:

muy dbiles (1400 kg/cm2).

Las rocas naturales son relativamente resistentes a la compresin (no tanto a la tensin y flexin), aunque las rocas sedimentarias son las ms dbiles debido sobre todo a su mayor porosidad y variable grado de cementacin, al igual que los hormigones (Tabla 3). Aunque no puede generalizarse el efecto del tamao de grano, puede decirse que, en general, la resistencia a la compresin aumenta a medida que aumenta el tamao de grano de los materiales, a igualdad de otras variables como composicin mineral, estructura, porosidad, cementacin, etc.

Tabla 3. Resistencia a la compresin de algunas rocas y materiales de construccin (modificado de Winkler, 1973).

(Mpa)kg/m2106kg/cm2103Granito9731010321.03.2

Sienita18643419441.94.4

Gabro, diabasa12430313311.33.1

Basalto11033811341.13.4

Caliza142551260.12.6

Arenisca342484250.42.5

Gneiss15224815251.52.5

Cuarcita20762721642.16.4

Mrmol692417250.72.5

Pizarra13820714211.42.1

Hormign5.569170.10.7

La resitencia a la compresin de rocas utilizada en monumentos granadinos son (valores obtenidos en seco por Guardia Olmedo et al., 1986, Arte y Deterioro en los Monumentos Granadinos. Catedral, Chancillera y Palacio de Carlos V. Universidad de Granada, 140 p.)

Tabla 4. Resistencia a la compresin de rocas utilizadas en monumentos granadinos (Guardia Olmedo et al., (1986).

Calcarenita:

75-500 kg/cm2Travertino:

400-700 kg/cm2Conglomerados:

200 kg/cm2Caliza de Sierra Elvira:

600-900 kg/cm2Mrmol de Macael:

680-980 kg/cm2Serpentinita:

400-700 kg/cm2Las relaciones entre esfuerzo y deformacin ilustradas en la Figura 7 son ideales, ya que representan un comportamiento estrictamente elstico para el material en el tramo lineal de la curva correspondiente a la ley de Hooke. No obstante, los materiales reales muestran relaciones esfuerzo-deformacin ms complicadas, no siguindose estrictamente la relacin de linearidad. Esto significa que las curvas esfuerzo-deformacin pueden presentar tramos elsticos, casi-elsticos, semi-elsticos y no-elsticos (o plsticos). Los tipos de curvas para materiales casi-elsticos, semi-elsticos y no-elsticos se representan en la Figura 8.

Por otro lado, los materiales pueden clasificarse como frgiles y dctiles (Figura 9). Los materiales frgiles (como el vidrio) se rompen cuando se supera el lmite elstico, (b y d son muy cercanos), mientras que los materiales dctiles (como el acero o el cobre) presentan un tramo de comportamiento plstico amplio.

Los materiales ptreos pueden caracterizarse, en general, como frgiles bajo condiciones de temperatura ambiental (si bien a altas presiones y temperaturas presentan tramos plsticos ms amplios, Figura 9). La deformacin permanente entre el lmite elstico y el punto de ruptura en los materiales heterogneos como los ptreos se verifica a bajas temperaturas mediante una microfracturacin frgil. Esta microfracturacin se produce sobre todo en el interior de los minerales que forman las rocas, a favor de sus sistema de exfoliacin, o entre microporos. El grado de microfracturacin, que es controlado por las caractersticas texturales y estructurales de los materiales (e.g., tamao de grano, porosidad, razn clastos/matriz, cementacin, etc.), define en gran medida la forma de la curva esfuerzo-deformacin. As, puede generalizarse que los materiales ptreos con tamao de grano fino tienden a ser casi-elsticos, mientras que los de grano grueso tienden a ser semi-elsticos, siempre a igualdad de otros factores. Respecto de la porosidad, materiales compactos y poco porosos tendern a un comportamiento casi-elstico o semi-elstico, mientras los materiales muy porosos y poco o moderadamente coherentes (esto es, escasamente cementados, como las calcarenitas bioclsticas utilizadas en la construccin de edificios histricos de Granada o morteros de cal) tienden a un comportamiento semi-elstico o plstico. El comportamiento semi-elastico o plstico indica un rpido aumento de la deformacin en los primeros incrementos de esfuerzo, lo cual se explica por acomodo de la carga por el movimiento relativo de los granos (gruesos) del entramado y/o deformacin de los poros, pasndose a continuacin a una situacin en que la tasa de deformacin es menor, esto es, de recuperacin mecnica, en la que el esfuerzo y la deformacin aumentan ms o menos proporcionalmente una vez el entramado de granos ha adquirido cierta compactacin (Figura 8).

Como puede deducirse de lo anterior, el mdulo de Young slo puede definirse en rigor cuando los materiales elsticos, ya que la proporcionalidad lineal entre esfuerzo y deformacin no se verifica en los materiales casi-elsticos, semi-elsticos y plsticos. A pesar de ello, este mdulo puede calcularse para partes determinadas de las curvas esfuerzo-deformacin, aunque sin el conocimiento de sus formas este dato sirve de poco. No obstante, cuando los materiales son frgiles, y su comportamiento es elstico o casi elstico, el mdulo de Young y la resistencia a la compresin nos permiten tener una idea bastante aproximada de las curvas esfuerzo-deformacin, ya que en estos materiales el lmite de proporcionalidad, el lmite elstico y el punto de ruptura casi son coincidentes. En estos casos, el mdulo de Young ser muy util para evaluar el comportamiento mecnico de los materiales ante la accin de esfuerzos compresivos de tipo uniaxial.

Las anisotropas estructurales de los materiales, tales como superficies de estratificacin o foliacin, introducen lgicamente anisotropas mecnicas. Dado que estas superficies introducen debilidades mecncias (i.e., los materiales se fracturan por extensin y cizalla ms fcilmente a favor de las mismas), la resistencia a la compresin y el mdulo de elasticidad disminuyen si el esfuerzo principal mayor (i.e., compresor, (1) es paralelo u oblicuo (cercano a 45) a tales superficies. La resistencia a la compresin de materiales anistropos es mxima cuando las superficies estn orientadas perpendicularmente al esfuerzo principal mayor. Esto es importante en la estabilidad de las estructuras en los edificios y en los trabajos de restauracin que impliquen sustitucin de piezas por materiales estructuralmente anistropos.

Figura 8. Curvas esquemticas esfuerzo-deformacin para materiales casi-elsticos (e.g., basaltos, granitos de grano fino), semi-elsticos (e.g., calizas, areniscas, mrmoles) y plsticos (morteros de cal, morteros de yeso).

Figura 9. Deformacin frgil y dctil bajo compresin, torsin y extensin ((1, (2 y (3, son los esfuerzos principales mayor, intermedio y menor, respectivamente). Las flechas marcan las tendencias en el comportamiento de los materiales al variar la presin, la temperatura, la presin de fluidos localizados en los poros y la tasa de deformacin.

Como se ha indicado ms arriba, la presencia de agua en el interior del sistema poroso de un material altera sus propiedades mecnicas. Este efecto se debe dos causas: 1) al desarrollo de presiones hidrulicas en los poros rellenos de agua que afectan a los esfuerzos intergranulares (i.e., contactos de granos), y 2) a la alteracin de las propiedades de superficie de los granos (minerales). Esto puede causar inestabilidad a lo largo de superficies ms dbiles y disminuir la resistencia a la cizalla o friccin, producindose una reduccin ms o menos significativa de su resistencia a la compresin.

La razn entre los coeficientes de resistencia a la compresin del material saturado en agua y seco, denominado coeficiente de ablandamiento, es una medida del efecto del agua sobre la resistencia a la compresin:

donde: Ks es el coeficiente de ablandamiento (adimensional)

Rs (Pa) es la resistencia a la compresin del material saturado en agua y

Rd (Pa) es la resistencia a la compresin del material seco.

Para algunos materiales muy porosos fcilmente empapables, este coeficiente tiende a 0, ya que Rs tiende a 0, mientras que otros materiales poco porosos como vidrios o aceros el coeficiente de ablandamiento tiende a 1, esto es, retienen sus propiedades mecnicas ante la presencia de agua. Los materiales con coefientes de ablandamiento mayores de 0.8 se califican de resistentes mecnicamente respecto de la accin del agua. Los materiales con coeficientes menores de 0.8 nunca deben exponerse a la accin de la humedad (e.g., zcalos de elementos constructivos que sufren infiltracin capilar), y en caso de exponerse, deben aislarse de la humedad con barreras impermeables o tratarse con productos hidrofugantes.

Resistencia a la Tension

La resistencia a la tensin es el esfuerzo tensional por unidad de rea a la que el material falla (se rompe) por fracturacin extensional. Esta propiedad, que es una indicacin del grado de coherencia del material para resistir fuerzas tirantes, depende de la resistencia de los minerales, del rea interfacial entre granos en contacto y del cemento intergranular e intragranular.

Existen distintas tcnicas para medir la resistencia a la tensin, tanto en materiales ptreos como en morteros, cementos y hormigones. En el ensayo de traccin directa, quizs el ms apropiado, se utilizan probetas cilndricas con una razn longitud/dimetro de 2 a 2.5. Los extremos de las probetas se introducen (y pegan con resina epoxi) en unas cpsulas que estn unidas a cadenas que transmiten el esfuerzo tensional sin introducir componentes de torsin. La norma ASTM D2936 regula los mtodos y condiciones experimentales este ensayo.

Los conceptos, definiciones y controles de la deformacin introducidos anteriormente para la resistencia a la compresin pueden ser extendidos sin ms problema a la resistencia a la tensin. Respecto de los materiales ptreos de construccin, puede generalizarse que, para un material dado, la magnitud de la resistencia a la tensin suele ser de un orden de magnitud menor que la resistencia a la compresin. En la Tabla 5 se presentan valores de resistencia a la tensin para algunas rocas medidos con la tcnica de traccin directa.

Tabla 5. Resistencia a la tensin (Mpa) de algunas rocas (de Touloukian y Ho, 1981).

Basalto8.6

Conglomerado29.7

Calizas4.25.8

Arenisca1.11.7

Arenisca calcrea4.3

Esquistos3.1

Resistencia a la Flexion

La resistencia a la flexin, o mdulo de ruptura, es la resistencia de un material a ser doblado (plegado) o flexurado. La medida de esta propiedad se realiza con barras de material asentadas sobre dos pivotes y aplicando carga sobre el centro de la barra (norma ASTM C99-52). La resistencia a la flexin (Sm) viene dada por la expresin:

donde: P (Pa) es la carga aplicada

l (m) es la distancia entre los pivotes y

d3 (m) es el dimetro de la probeta

si la probeta es cilndrica, y por la expresin:

donde: b (m) es el ancho de la seccin de la probeta y

h (m) es el largo de la probeta

si la probeta es prismtica.

Para un material ptreo dado, el valor de resistencia a la flexin es cercano al doble de su resistencia a la tensin medida con el mtodo de traccin directa.

Fatiga

Cuando los materiales sufren esfuerzos de forma cclica sin llegar al punto de ruptura, se observa un debilitamiento mecnico de los mismos con el tiempo. Esto implica una prdida de sus propiedades mecnicas, que puede dar lugar a la fracturacin bajo esfuerzos mucho menores que los apropiados para los materiales frescos que no han sido sometidos a esfuerzos. A esta caracterstica de los materiales se le denomina fatiga.

Se ha encontrado que la causa fundamental del fallo por fatiga de los materiales ptreos es la microfracturacin. Los experimentos llevados a cabo sugieren una evolucin episdica para la fatiga. Inicialmente, se produce una microfracturacin entre los contactos de grano y en el interior de los cristales a favor de los planos de exfoliacin y superficies de particin de los mismos. A continuacin, existe un periodo de aquiescencia, con escasa deformacin adicional. En el ltimo estadio, las microfracturas coalescen, perdindose coherencia e inicindose el fallo (fracturacin) del material. No obstante, tambin parece que la fatiga es un proceso continuo, disipndose la energa en forma de microfracturas hasta el punto en que se supera un nivel crtico en el que ocurre el fallo.

La mayor parte de los procesos de deterioro de tipo mecnico que sufren los materiales ptreos en los edificios se deben al fallo por fatiga, ya que los esfuerzos generados no suelen superar la resistencia a la compresin, tensin o flexin de los materiales frescos. No obstante, tambin hay que tener en cuenta el efecto de otros procesos fsicos y qumicos de alteracin, que modifican las propiedades mecnicas originales de los materiales, generalmente reduciendo sus propiedades mecnicas.

Las rocas son materiales con elevada resistencia a la compresin y en menor medida a la flexin y la tensin. Por esta razn son materiales apropiados para elementos constructivos tales como muros, paramentos, columnas, etc., que sufren importantes cargas compresivas, y no tanto para elementos constructivos que sufren importantes esfuerzos tensionales y de flexin, como los generados en estructuras adinteladas o arquitrabadas. Por esta razn, la luz de los arquitrabes no puede ser elevada.

La resistencia a la tensin es una propiedad particularmente importante desde el punto de vista de los procesos de alteracin de materiales ptreos de construccin. Esto es debido tanto a la existencia de procesos de alteracin cclicos que generan importantes esfuerzos tensionales capaces de producir fallos mecnicos (fracturacin) por fatiga en los materiales, como al hecho de ser la propiedad mecnica cuantitativamente ms deficiente en los mismos. Entre los procesos de deterioro mecnico por generacin de esfuerzos tensionales cabe destacar los cambios volumtricos que sufren los materiales al sufrir variaciones de temperatura, la formacin de hielo y la cristalizacin e hidratacin/deshidratacin de sales solubles en el interior del sistema poroso de los materiales.

Figura 10. Acciones mecnicas en el sistema adintelado (modificado de Ortega Andrade, 1993)

Dureza

La dureza es la resistencia de los materiales para resistir la penetracin de otro cuerpo. Para el caso de minerales, la dureza se ha considerado clsicamente como la resistencia que presenta un mineral a ser rayado por otro mineral o material. F. Mohs dedujo empricamente una escala cualitativa basada en las durezas relativas de distintos minerales que ha sido muy utilizada como criterio de clasificacin y de determinacin. Esta escala es como sigue:

DurezaMineralDurezaMineral

1Talco6Ortosa

2Yeso7Cuarzo

3Calcita8Topacio

4Fluorita9Corindn

5Apatito10Diamante

Cada uno de estos minerales es capaz de rayar a los situados antes que l en la escala, y a su vez es rayado por los que vienen despus. La medida de la dureza suele ser cualitativa (aunque hay mtodos de determinacin precisa) establecindose en una primera aproximacin en base a los siguientes criterios: si la ua raya al mineral la dureza es menor de 2.5; si una navaja raya al mineral la dureza es menor de 5.5; si el mineral raya al vidrio la dureza es igual o mayor de 7. As, el cuarzo se diferencia de la calcita en que aquel raya al vidrio y sta no.

Esta propiedad es vectorial, es decir, depende de la direccin en que se aplique en un mineral, debido a la diferente distribucin de enlaces cristalinos en las estructuras minerales. As por ejemplo, la distena (Al2SiO5) es un mineral de hbito prismtico que presenta una dureza de 4 a lo largo de su elongacin mayor y de 6.5 perpendicularmente a la misma. En general, los minerales presentan durezas ms bajas en superficies de exfoliacin respecto de otras direcciones. En cualquier caso, la dureza depende del tipo de enlaces atmicos presentes, de la estructura y de la composicin. A igualdad de otros factores, los minerales con estructuras ms densas son ms duros (e.g. el aragonito tiene una dureza de 4 y la calcita de 3), y los que presentan elementos ms pequeos son ms duros (e.g. el corindn (Al2O3) tiene una dureza de 9 y la hematites (Fe2O3) de 6, presentando el Al+3 un radio inico de 0.57 y el Fe+3 de 0.67 ). En general, los minerales que presentan molculas de (OH) o de agua (H2O) tienen durezas bajas, lo cual es debido a que en las estructuras hidratadas existen enlaces dbiles entre estas molculas y el resto de los tomos, como en el caso del yeso (CaSO42H2O) y el talco (Mg3Si4O10(OH)2).

Aplicadas a los materiales ptreos, esta propiedad es importante para evaluar la trabajabilidad, con utensilios de impacto y abrasivos, de los materiales en la cantera y en la obra. Existen muchos mtodos de evaluar la dureza: la resistencia al rayado, a la indentacin, a la abrasin, al rebote y al impacto. La gran complejidad de los materiales ptreos no permite una correlacin clara entre los distintos parmetros de resistencia mecnica y de dureza, aunque en general, la dureza de los materiales aumenta a medida que la resistencia a la compresin aumenta. Dado que las rocas son materiales frgiles, presenta dbil o moderada resistencia al impacto, por lo que son materiales trabajables con herramientas de impacto. Esto permite en la mayor parte de los casos un buen acabado. Lo mismo puede decirse de su buena trabajabilidad por pulido, particularmente en rocas como calizas y mrmoles, aunque existen rocas relativamente duras (i.e., aquellas que presentan abundante cuarzo, como cuarcitas y granitos) que resisten bien la raya y la abrasin.

Expansin trmica

En general, el incremento de la temperatura de cualquier material produce un aumento de su volumen. Esto se debe a que la energa trmica absorbida induce un incremento en las vibraciones de los tomos constitutivos de la materia, agrandando las distancias interatmicas. Este fenmeno se describe como expansin volumtrica de origen trmico a presin constante, o simplemente expansin trmica, y su medida se realiza en trminos del coeficiente de expansin trmica ((). Este coeficiente representa el incremento relativo de volumen producido al aumentar la temperatura en un grado a presin constante, y puede escribirse como:

( = 1/V*((V/(T)

cuando el incremento de volumen no depende de la temperatura a la que se mida. Las dimensiones de ( son C-1, y sus valores son positivos en la mayor parte de los casos ya que, como se ha indicado anteriormente, las sustancias suelen aumentar de volumen al aumentar la temperatura. No obstante, existen algunos sustancias que disminuyen su volumen al aumentar la temperatura en determinados rangos de esta ltima, como es el caso del cuarzo-( (y el agua).

Por lo que se refiere a los minerales cuya estructura cristalina no es cbica, como es el caso de la mayora de los minerales que constituyen las rocas comunes, sus coeficientes de expansin trmica dependen de la direccin cristalina en la que se mida (esto es, los minerales son anistropos respecto de esta propiedad). As, el cuarzo-( se expande ms perpendicularmente a su eje c (eje principal de simetra y de elongacin) que paralelamente a l. Este comportamiento se denomina expansin trmica diferencial, y su medida se realiza en trminos de coeficientes de expansin trmica lineal (l), que representan los incrementos relativos de longitud producidos al aumentar la temperatura en un grado a presin constante:

( = 1/l*((l/(T)

La dimensin de este coeficiente es tambin C-1, y sus valores son positivos en la mayor parte de los casos por la misma causa que se ha indicado ms arriba. No obstante, existen algunas sustancias que disminuyen su longitud en direcciones determinadas al aumentar la temperatura, como en el caso de la calcita, que se expande paralelamente a su eje c y se contrae perpendicularmente a l. No obstante, el coeficiente de expansin trmica de la calcita en trminos de volumen es positivo, ya que la contraccin que sufre perpendicularmente al eje c es proporcionalmente menor a la expansin que sufre paralelamente al mismo. En el caso del cuarzo-(, el incremento de temperatura supone contracciones en todas las direcciones cristalogrficas, por lo que el resultado neto es un descenso de volmen (o aumento de densidad).

Figura 11. Expansin trmica volumtrica y lineal de algunos minerales formadores de rocas (tomado de Winkler, 1973).

Tabla 6. Expansin trmica lineal y volumtrica del cuarzo desde 0 a 1000 C a 1 bar de presin (tomado de Winkler, 1973).

Temperatura ( C)Incremento de l (%)Incremento de volumen (%)

( c// c

500.070.030.17

1000.140.080.36

2000.300.180.78

3000.490.291.27

4000.720.431.87

5001.040.622.70

5701.460.843.76

573Transicin de cuarzo-( a cuarzo-(

5801.761.034.55

6001.761.024.54

7001.751.014.51

8001.730.974.43

9001.710.924.34

10001.690.884.26

Morteros de reintegracion en pilares de travertino de la Colegiata del Salvador (Albaycin)

Los morteros de reintegracin que han sido utilizados en la obra de restauracin realizada en el curso 1993/94 fueron fabricados especficamente para reintegrar las faltas en los pilares de travertino. Los criterios fundamentales para la elaboracin de estos morteros fueron los siguientes:

Que presentasen una elevada porosidad, adems de un tamao de macroporos elevado, similar al del travertino.

Que la proporcin de poros de dimensiones menores de 1 (m no fuese elevada, o en cualquier caso similar a la del travertino, para evitar problemas de infiltracin capilar preferente a travs de los morteros.

Que el aglomerante presentase cierta hidraulicidad, utilizando para ello mezclas de cal area, cal hidrulica y/o cemento portland.

Que contuviesen la menor proporcin posible de cemento portland (que incluye en torno a 2-5% de yeso), para evitar problemas ulteriores como presencia de sales y ataque qumico.

Que presentasen una resistencia mecnica inferior a la del travertino, lo que garantiza su degradacin preferencial respecto a la del mismo.

En total, se disearon 12 mezclas, cuya composicin se expresa en la Tabla 4 en partes de cada componente en volumen. En estas mezclas, el aireante utilizado consisti en poliestireno expandido (poliespn), ya que es soluble en acetona y puede retirarse una vez fraguado el mortero. La proporcin de aireante fue elevada en todos los casos (50% en volumen), para conseguir una porosidad elevada en los morteros, similar o mayor que la del travertino (ver ms adelante). La adicin de tal cantidad de poliestireno expandido confiri unas propiedades mecnicas deficientes en la mayora de los morteros, que resultaron ser demasiado frgiles una vez fraguados y retirado el poliestireno con acetona a pesar de que en algunos morteros se aadi acetato de polivinilo (de accin aglomerante).

Las nicas mezclas que resultaron factibles para su utilizacin como morteros de reintegracin desde el punto de vista mecnico fueron las M3 y M4, ambas a base de cal hidrulica y sin cemento portland. Paralelamente a los trabajos de restauracin, se llev a cabo una serie de trabajos de control sobre las propiedades mecnicas y el comportamiento de los morteros de restauracin M3 y M4 y el travertino. A continuacin se describen los ensayos efectuados y los resultados obtenidos.

Tabla 4. Composicin (partes en volumen) de los morteros de reintegracin diseados para reintegrar los pilares de travertino del patio de la Iglesia del Salvador (Albaycin).

CalCalCementoAridoAireantesAcetato

areahidrulicaPortland

de polivinilo

m11--340.5

m21--230.5

m3-1-34-

m4-1-23-

m512/3-46-

m611/3-45-

m711/15-450.3

m811/30-450.3

m91-2/346-

m101-1/345-

m111-1/15450.3

m121-1/30450.3

Resistencia a la compresin uniaxial

Las probetas utilizadas fueron cilndricas de 4 cm de dimetro por 10 cm de alto. Se ensayaron 4 probetas de travertino y 3 probetas por cada tipo de mortero de restauracin. Los resultados obtenidos se presentan en los diagramas (l-(l de la Figura 12. En esta figura pueden apreciarse los tramos elsticos de las curvas (l-(l donde el esfuerzo es directamente proporcional a la deformacin (i.e., ley de Hooke). Es en estos tramos donde se han medido las constantes de proporcionalidad (i.e., mdulo de Young), que se indican en los diagramas (expresados en Mpa). Puede apreciarse que los valores de los mdulos de Young para los travertinos son bastante mayores que para los morteros de restauracin M3 y M4, lo que garantiza una mayor debilidad mecnica de estos ltimos. Esto es importante ya que cualquier mortero de reintegracin debe responder con menor efectividad que el material ptreo original ante cualquier esfuerzo aplicado, como esfuerzos derivados de cambios volumtricos debidos a cambios de temperatura, de cristalizacin de sales o de la transicin hielo-deshielo en el interior del sistema poroso, etc. No obstante, el mortero M4 es preferible al M3, ya que el primero presenta mayores valores de E y las diferencias respecto de los valores de E del travertino son de un orden de magnitud.

Figura 12.- Diagramas esfuerzo-deformacin para las muestras de travertino y morteros M3 y M4. Las cifras que aparecen en los diagramas son los mdulos de Young respectivos calculados mediante regresin lineal sobre los tramos rectos de las curvas.

Por otra parte, el comportamiento mecnico de los morteros de restauracin M3 y M4 es esencialmente plstico, lo cual permite suponer que la deformacin se acomodar por deformaciones permanentes, y no por fracturacin.

Porosidad

La porosidad se ha obtenido con un porosmetro de inyeccin de mercurio sobre pequeas muestras de unos mm de dimetro. Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 13, que permite apreciar la gran heterogeneidad en la distribucin de poros del travertino y la homogeneidad de la porosidad de los morteros. No obstante, los mayores porcentajes de porosidad se localizan en ambos tipos de materiales en el rango de 0.001 y 0.01 milmetros (1-10 micras). En trminos generales, puede concluirse que la porosidad de los morteros no difiere excesivamente de la de los travertinos.

Figura 13.- Distribucin de la porosidad en funcin del tamao de poro en los travertinos y morteros M3 y M4.

Aunque este tipo de ensayo no permite evaluar los porcentajes de radios de poro mayores de 1 mm, no se dispone de informacin sobre la porosidad macroscpica tan elevada que presentan tanto los travertinos como los morteros de restauracin fabricados. No obstante, los ensayos de saturacin libre en agua y desorcin permiten especular con una macroporosidad similar en ambos materiales.

Saturacion y desorcion de agua

Se utilizaron 3 probetas cbicas de dimensiones 3 x 3 x 3 cm por cada tipo de material. El ensayo de desorcin se realiz bajo condiciones de temperatura (ca. 20 C) y humedad relativa (40-50 %) controladas. Las curvas Wt-que caracterizan el comportamiento del material se representan en la Figura 14.

Los resultados obtenidos permiten concluir que los morteros de restauracin absorben mayores cantidades de agua que el travertino. Esta caracterstica no debe ser interpretada necesariamente como negativa, ya que debe tenerse en cuenta que los pilares de travertino rara vez se encontrarn inmersos en agua (slo una gran inundacin dara las condiciones apropiadas). Adems, una mayor absorcin de agua supone que los morteros actuarn como esponjas por comparacin con el travertino, lo que garantiza su alteracin preferente de los morteros. Por otro lado, las curvas de desorcin indican que los morteros expulsan mayores cantidades de agua que el travertino en rangos de tiempo similares, lo cual es claramente una ventaja adicional de estos morteros de restauracin.

Figura 14.- Curvas de saturacin libre (diagramas de la derecha) y desorcin (diagramas de la izquierda) en las muestras de travertino y morteros M3 y M4. C.A y C.S son los coeficientes de absorcin y desorcin, respectivamente. Las curvas se han construido sobre los valores medios respectivos obtenidos para cada tiempo. Se indican adems las barras de error sobre las medias para cada tiempo y el error en las regresiones lineales con las que se han estimado los coeficientes

Capilaridad

Se han utilizado probetas prismticas de dimensiones 3 x 3 x 10 cm (3 probetas por tipo de material). Las curvas de succin y penetracin capilar (Figura 15) muestra que los coeficientes de absorcin y penetracin capilar son algo mayores en los morteros que en el travertino, aunque las diferencias son mnimas y las formas de las curvas son similares para todos los materiales. En consecuencia, la succin capilar en los morteros de restauracin fabricados ser algo mayor que en el travertino. La importancia de esta caracterstica negativa puede minimizarse a nuestro juicio, ya que los arriates que anteriormente existan adyacentes a los pilares, y que eran una fuente importante de agua en el subsuelo que ascenda por capilaridad, han sido eliminados. Aunque el ascenso capilar no debe una fuente importante de degradacin en los pilares, ante la ausencia de un reservorio de agua de riego, se recurri a hidrofugarlos con un protectivo hidrorrepelente.

Figura 15.- Curvas de succin y penetracin capilar en las muestras de travertino y morteros M3 y M4. C.S.C. y C.P.C. son los coeficientes de succin y penetracin capilares, respectivamente. Las curvas se han construido sobre los valores medios obtenidos para cada tiempo. Se indican adems las barras de error sobre las medias para cada tiempo y el error en las regresiones lineales con las que se han estimado los coeficientes.

donde: ( es el peso especfico (N/m3),

( es la densidad (kg/m3) y

g es la aceleracin debida a la gravedad (m/s2).

El peso especfico depende del valor de la gravedad en el punto de medida.