ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS APLICADOS A LA CONSERVACIÓN DEL PATRIMONIO HISTÓRICO ARQUITECTÓNICO(Blanca Narbona Villate, Basilio Fernandez Rodriguez - Laboratorio General-Diputación Foral de

Álava- bnarbona@araba.eus bfernandez@araba.eus)

ResumenLa conservación del patrimonio en obras monumentales exige la caracterización de los litotipos existentes en la obra. En la mayoría de los casos se manifiesta la prohibición expresa de extraer probetas testigo para la caracterización de estos, surgiendo la necesidad del empleo de técnicas no destructivas que solvente de alguna manera esta dificultad.El estudio para la caracterización de la piedra natural utilizada, y realizado mediante ejecución conjunta de ensayos destructivos y no destructivos (END), permitirá establecer correlaciones entre las variables estudiadas, de forma que la aplicación de los END proporcionará información suficiente del estado de conservación y deterioro de la obra.

a) Antecedentes, motivación y objetivoEn la conservación del patrimonio cultural, la norma UNE-EN 16515 define las líneas directrices para caracterizar la piedra natural utilizada, especificándose una metodología para el estudio de piedras sanas o deterioradas mediante el uso de las técnicas analíticas más apropiadas. Esta información se utilizará para determinar la naturaleza (petrografía, o mineralogía y textura) y propiedades (químicas, físicas y mecánicas) de la roca, evaluándose el estado de la piedra respecto a su conservación, así como para comprender los procesos de deterioro de la piedra natural. Los métodos descritos son generalmente destructivos y la correspondiente norma UNE-EN 16085, establece la metodología para la toma de muestras.Cuando estos métodos se aplican a rocas utilizando muestras de cantera, este carácter destructivo, no tiene especial relevancia; ya que normalmente se dispone del volumen suficiente de material y las probetas de ensayo que se utilizarán no tienen más interés que el de servir para la determinación de la propiedad buscada (2).Pero en la Conservación del Patrimonio no son del todo aceptables los ensayos destructivos; siendo imperativa la utilización “in situ” de los procedimientos no destructivos END.

Los métodos no destructivos son siempre preferibles a los métodos con un mínimo de destrucción, y estos últimos preferibles a los destructivos.

En esencia un procedimiento no destructivo se basa en el análisis del comportamiento de una determinada propiedad física en el seno o en la superficie de un material, por ejemplo velocidad de transmisión de ultrasonidos, conductividad de una corriente eléctrica, etc.Con la aplicación de END al Patrimonio, se pretende interrelacionar el comportamiento de la propiedad física utilizada (ultrasonidos…) con alguna de las características del litotipo: presencia de discontinuidades internas (fisuración), incremento de la porosidad, degradación de las propiedades elásticas, etc.Nos encontramos entonces con dos líneas de caracterización del material:

Actuación sobre el material inalterado procedente de piedra en rama recogida en cantera o, el extraído de sillares o sillarejos no catalogados (sin valor Patrimonial) de la misma o distintas obras realizándose las correspondientes ensayos destructivos y no destructivos.

Actuación sobre el material de obra que haya sufrido en mayor o menor intensidad interacciones medioambientales durante grandes periodos de tiempo e incluso, actuaciones de conservación no documentadas capaces de aportar al material propiedades distintas con resultados imprevistos, sobre el que se realizarán mayoritariamente los ensayos no destructivos.

Aplicando la normativa existente, caracterizaremos las propiedades del material inalterado, y conocidas éstas, aplicaremos técnicas no destructivas sobre las mismas probetas extraídas , de forma que podamos correlacionar los parámetros medidos por ambas técnicas.Estos estudios permitirán obtener información valiosísima sobre las características del material existente en obra, además de facilitar el seguimiento de la evolución de los procesos de conservación (consolidación y/o protección) ejecutados sobre los materiales pétreos de las obras monumentales, (UNE-EN 16581, conservación del patrimonio cultural. Protección superficial para materiales inorgánicos porosos).En la Norma UNE-EN 16515 aparecen citados tanto los ensayos destructivos como los no destructivos, indispensables para la caracterización de la piedra natural.Por supuesto que estas técnicas tienen sus dificultades a la hora de realizar una correcta interpretación en términos de deterioro. Las rocas son materiales no homogéneos, polifásicos, con discontinuidades internas y anisotropías, aspectos éstos que dificultan la aplicación de los principios básicos de la física teórica que parte de situaciones basadas en el comportamiento de materiales homogéneos, isótropos sin discontinuidades.

b) Contribución y métodosEnsayos no destructivos:

*UltrasonidosLa medición del pulso ultrasónico resulta el ensayo no destructivo de referencia.Propagación de la velocidad del sonido, la UNE-EN 14579 especifica la metodología para determinar la velocidad de las ondas longitudinales ultrasónicas en la piedra natural, tanto en laboratorio como “in-situ”. Pudiendo calcularse el módulo de elasticidad dinámico.Módulo dinámico de elasticidad, la UNE-EN 14146 especifica un método para determinar el módulo de elasticidad midiendo la frecuencia de resonancia básica. En laboratorio tendremos la temperatura y, sobre todo, la humedad controlada. Aspecto importante cuando se realicen medidas en obra que exigirá, además de las medidas de temperatura ambiente y humedad relativa, la correspondiente temperatura y humedad del litotipo. La velocidad del pulso es una característica de la roca y, por tanto, nos servirá, para averiguar discontinuidades en la misma, así como planos de anisotropía y sus propiedades mecánicas.Un estudio previo de medición del pulso, ejecutado sobre probetas testigo en laboratorio (Figura1), sirve para la caracterización del litotipo empleado en la fábrica, de forma que los ensayos realizados “in-situ” presentan un enorme valor al evaluar las condiciones del material puesto en obra.

Litotipos Catedral Santa María de Vitoria-Gasteiz:

Lumaquela de Ajarte

Roca sedimentaria no detrítica, tipo de piedra caliza que guarda en su interior restos de seres vivos descompuestos (biomicrita).Según Norma UNE-EN 14579, se determina la velocidad de propagación del sonido, sobre probetas cúbicas de 5 cm de lado y prismáticas de 5x5x30 cm. mediante transmisión directa en laboratorio. Relacionando la velocidad de propagación del sonido con otras propiedades del litotipo como su densidad y porosidad, se observa su linealidad.

Figura 1. Medición de ultrasonidos

La variación de la densidad puede deberse a causas mineralógicas y así, por ejemplo, al estudiar la variación de velocidades con el contenido en un mineral se observa como al aumentar el porcentaje de dicho mineral, aumenta la velocidad. Otra causa de esta variación de densidad puede ser una disminución de la porosidad con el consiguiente aumento de velocidades (Tabla 1 y 2).La relación entre porosidad y velocidad, suele ser inversa, ya que la señal emitida suele sufrir elevada atenuación en los poros y fisuras en comparación con la que se transmite por el medio sólido (Tablas 1 y 2).

Tabla 1. Relación velocidad propagación, densidad aparente y porosidad abiertas

A-A' H-H' L-L' Porosidadabierta

DensidadAparente

ProbetaNº

V (km/s)

V (km/s)

V(km/s) (%) (kg/m3)

1 3,33 3,25 3,21 16,82 2.1422 3,05 2,99 3,03 21,42 2.0463 3,18 3,12 3,12 19,12 2.0604 3,27 3,22 3,18 17,49 2.0825 3,22 3,15 3,14 18,71 2.0676 3,26 3,21 3,17 17,75 2.0737 3,23 3,18 3,16 18,20 2.0768 3,26 3,20 3,17 17,77 2.0799 3,20 3,15 3,13 18,91 2.07610 3.19 3,12 3,12 19,08 2.063

Arenisca de Elguea

Es una cuarzoarenita entre ocre (amarillo naranja) y morada, que meteorizada presenta tonos de gris ocre a gris morado.Tabla 2. Relación velocidad propagación, densidad aparente y porosidad abiertas para la arenisca de Elguea

A-A' H-H' L-L'Porosidad

abiertaDensidadAparente

ProbetaNº V (km/s) V (km/s) V (km/s) (%) (kg/m3)

1 2,63 2,60 2,73 9,44 2.1932 2,70 2,66 2,78 9,21 2.2013 2,90 2,81 2,93 8,62 2.2084 2,66 2,62 2,75 9,34 2.1765 2,62 2,56 2,69 9,53 2.1736 2,75 2,68 2,80 9,15 2.1977 2,93 2,82 2,94 8,59 2-2158 2,79 2,71 2,85 8,98 2.1769 2,74 2,67 2,79 9,15 2.18410 2,81 2,72 2,87 8,91 2.201

2,040 2,060 2,080 2,100 2,120 2,140 2,1602.802.903.003.103.203.303.40

f(x) = 0.00242441460104904 x − 1.81476629802793R² = 0.63722245278486

velocidad / densidad

A-A'Linear (A-A')

15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.002.902.95

3.003.05

3.103.15

3.203.25

f(x) = − 0.0378457255868279 x + 3.84489178455791R² = 0.998252886796666

velocidad / porosidad

L-L'Linear ( L-L')

15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 20.00 21.00 22.002.852.902.953.003.053.103.153.203.253.30

f(x) = − 0.0567281166860019 x + 4.21038401898766R² = 0.991404072302699

velocidad / porosidad

H-H'Linear ( H-H')

Tras medidas realizadas en laboratorio se puede demostrar la vialidad de la caracterización de la porosidad de los materiales mediante inspección ultrasónica (Tabla 2).También se puede obtener una relación entre la velocidad de propagación con la resistencia del material. Esto se realiza mediante probetas talladas, sobre las cuales se realiza la medición de la velocidad ultrasónica y a continuación se rompen para averiguar su resistencia a la compresión uniaxial. De aquí podemos deducir que determinadas velocidades corresponden a determinadas resistencias con lo que, al medir el elemento a inspeccionar podemos deducir resistencias en función de las velocidades de propagación mayores o menores (Tabla 3).

Tabla 3. Relación entre las velocidades de propagación de ultrasonidos y otras propiedades físicas, químicas y mecánicas de los dos litotipos

Litotipo Densidad Aparente(kg/m3)

Porosidad Abierta

(%)

R. compresión(MPa)

Velocidad(km/s)

2,170 2,175 2,180 2,185 2,190 2,195 2,200 2,205 2,210 2,215 2,2202.402.502.602.702.802.903.00

f(x) = 0.0041026676886722 x − 6.18157389740763R² = 0.529040280855755

velocidad / densidad

L-L'Linear ( L-L')

8.40 8.60 8.80 9.00 9.20 9.40 9.602.402.502.602.702.802.903.00

f(x) = − 0.334309812481574 x + 5.79552440412889R² = 0.991951108025315

velocidad / porosidad

A-A'Linear (A-A')

Lumaquela Ajarte

2.076 18,53 23,1 3,17

Arenisca Elguea

2.192 9,09 68,1 2,75

Si lo que se quiere es evaluar la penetración de un consolidante, puede decirse que la velocidad de propagación estará relacionada con el grado de relleno de los espacios vacios, lo que se traduce en un aumento de la velocidad (Tabla 4).

Tabla 4. Relación entre las velocidades de propagación de ultrasonidos en probetas de lumaquela tratadas con consolidante y medidas en transmisión directa e indirecta a diferentes edades

Transmisión Directa

Velocidad ( km/s)T-0 T-1 T-2 T-3 T-4

Probeta (Consolidante1)

2,703 2,869 3,077 3,134 3,091

Transmisión Indirecta

Velocidad ( km/s)T-0 T-1 T-2 T-3 T-4

Probeta (Consolidante 1)

1,653 1,698 1,870 1,668 1,478

T-0 (sin consolidante) T-1(Tras 3 meses de aplicación) T-2(Tras 8 meses de aplicación)T-3 (Tras 12 meses aplicación) T-4(Tras 24 meses de aplicación)

Inicialmente, se pone de manifiesto la presencia del consolidante con un aumento de la velocidad del pulso. La disminución de éste parámetro con el tiempo, indicará la pérdida de eficacia del tratamiento (consolidante)

Figura 2. Medición ultrasonidos transmisión directa e indirecta

Por último se realizarán correlaciones entre las velocidades de propagación “in situ” en zonas donde se han aplicado los tratamientos de consolidación y/o protección(Figura 3).

Figura 3. Medición ultrasonidos “in situ”

Tabla 5. Evolución de las velocidades de propagación de ultrasonidos en lumaquela de Ajarte con aplicación de consolidante, mediante media de transmisión indirecta y a diferentes edades

Transmisión Indirecta

Velocidad ( km/s)T-0 T-1 T-2 T-3 T-4

Probeta (Consolidante 3)

1,966 1,984 2,633 2.365

T-0 (sin consolidante) T-1(Tras 6 meses de aplicación) T-2(Tras 12 meses de aplicación)T-3 (Tras 24 meses aplicación)

C3 C4

P1

P2

C1 C2

Se necesitaría la confirmación de estos resultados (de pérdida de consolidante) con otras técnicas como pudiera ser la resistencia a la microperforación, DRMS.

*DRMS

La resistencia a la microperforación (DRMS) de la roca (Figura 4), resulta un ensayo microdestructivo, al medir la resistencia a la perforación en N que presenta la roca. Para ello se dispone de brocas especiales de 3 ó 5 mm de diámetro que, a velocidad de rotación y velocidad de avance constante, penetran en la roca hasta una profundidad de 10 a 15 mm, registrándose la fuerza en N necesaria durante la penetración. El objeto del estudio radica en encontrar la relación entre la resistencia a la perforación (DR) de una piedra y su porosidad. El valor medio DR de las muestras fue medido utilizando un Sistema de Medida de la Resistencia a la Perforación (DRMS), y la porosidad se determinó mediante la correspondiente norma de ensayo. Pudiendo establecer una relación matemática lineal e inversa entre el DR y la porosidad. Ensayo que realizado “in-situ”, sin toma de muestra, aporta información sobre el material. Ensayo realizado siguiendo el estudio del Departamento de Conservación, Universidad Yarmouk Irbid, Jordan. Autor correspondiente: Al-Naddaf (2).

Figura 4. Equipo DRMSSe ensayan en laboratorio probetas cúbicas sobre las que se medirán densidades y porosidades, relacionándolas con los valores de DRMS (Tabla 6).

Tabla 6. Relación entre porosidad abierta, densidad, resistencia a la penetración y velocidad del pulso sobre probetas cúbicas de arenisca de Elguea.

Probeta Nº Porosidad abierta

%

D. aparente(kg/m3)

DRMS(N)

Velocidad pulso(km/s)

15 18,7 2.157 77,9 2,9916 20,3 2.121 67,0 3,1617 18,8 2.166 78,5 2,8018 16,1 2.219 90,2 2,9119 21,3 2.086 60,0 2,69

DRMS

20 18,5 2.163 82,2 2,9521 15,4 2.253 95,6 3,0022 18,3 2.176 79,7 2,8923 17,9 2.170 84,3 2,7424 15,3 2.250 96,8 3,02

Este ensayo aplicado “in situ” permitirá evaluar el grado de deterioro superficial del litotipo, frente a la roca inalterada. Al tratarse de reacciones que se producen en los primeros centímetros (superficial), este ensayo contribuirá a medir la eficacia de los consolidantes utilizados; de forma que las zonas tratadas presentarán una mayor resistencia a la perforación (Tabla 7).Tabla 7. Evolución de la resistencia a la penetración tras la aplicación de un consolidante.

LitotipoResistencia a la Perforación , DRMS (N)

T-0 T-1 T-2 T-3 T-4

Arenisca de Elguea

(Consolidante)

35,3 43,2 45,9 45,7 50,4

T-0 (sin consolidante) T-1(Tras 2 meses de aplicación) T-2(Tras 6 meses de aplicación)T-3 (Tras 12 meses de aplicación) T-4 (Tras 24 meses de aplicación)

*Absorción de agua

La medición de la absorción de agua medida mediante probetas Karsten o Rilem,UNE-EN 16302 (Figura 5), puede ser usado para determinar “in situ”, sin toma de muestra, el agua absorbida en la masa de piedra a través de un tubo graduado en el tiempo. De igual forma se emplea el método de la esponja de contacto rosa humedecida y tarada. También permite evaluar la eficacia de un protector cuantificando la disminución de absorción de agua en la zona donde se aplica dicho producto (Tabla 8).

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 10015

16

17

18

19

20

21

22f(x) = − 0.169551671561886 x + 31.8926649140783R² = 0.970311814943684

Series2Linear (Series2)

Porosidad - DRMS

N

%

Figura 5. Absorción de agua “in situ” (Tubo Karsten y esponja)

Tabla 8. Evolución de la absorción de agua tras la aplicación de un protector en la Lumaquela de Ajarte

LitotipoAgua absorbida (ml/cm2)

T-0 T-1 T-2 T-3 T-4

Arenisca de Elguea (Cons.-

Protector)

1,09E-04 8,83E-06 2,66E-05 2,73E-05 --

T-0 (sin protector) T-1(Tras 6 meses de aplicación) T-2(Tras 12 meses de aplicación)T-3 (Tras 24 meses aplicación)

*Ángulo de contacto

La medida del ángulo de contacto estático UNE- EN 15802 (Figura 6), nos permite comprobar la eficacia, en el tiempo, del protector hidrófugo utilizado mediante medidas del ángulo de contacto de la gota de agua depositada en la superficie del litotipo. La progresiva disminución del ángulo indicará la pérdida de eficacia del agente protector empleado.

Protector0.00E+00

2.00E-05

4.00E-05

6.00E-05

8.00E-05

1.00E-04

1.20E-04

Wa T0

Wa T1

Wa T2

Wa T3

Wa (g/cm2 s)

Figura 6. Pérdida de esfericidad en la gota depositada indicando la disminución o desaparición del tratamiento protector aplicado

*Colorimetría

La Norma UNE-EN 15886 especifica un método para la medida del color de la superficie. Esto nos permitirá comprobar si los agentes empleados en la consolidación y/o protección, han provocado alteraciones apreciables en color. (repelentes de humedad, fungicidas, etc.).

Equipo de medición: Espectrofotómetro Ci62L+RTLGeometría de medida: d/8º SPEX Iluminante: D65 Observador: 10º

E* = √ ¿

L* = Ldespues- Lantes

a* = a despues- aantes

b* = b despues- bantes

Producto ΔE* T1-T0 ΔE* T2-T0 ΔE* T3-T0

Protector 5,23 1,57 1,03

Tabla 9. Evolución del color a diferentes edades

Si ΔE < 3 el producto tiene una excelente compatibilidad de colorSi ΔE > 3 el producto determina un cambio cromático visible al ojo humano e incluso no

hay suficiente compatibilidad de colorSi ΔE = 5 es el valor umbral para los tratamientos de conservación de acuerdo con

Garcia et al. Journal of Cultural Heritage , 2012; 13(1): 77-82T-0 (sin consolidante) T-1(Tras 6 meses de aplicación) T-2(Tras 12 meses de aplicación)T-3 (Tras 24 meses aplicación)

c) Resultados, discusión y conclusionesDe lo expuesto, podemos afirmar claramente que los ensayos no destructivos de aplicación en Conservación del Patrimonio Cultural, complementando a los destructivos, nos permitirán:

Obtener información relevante sobre los diferentes materiales empleados en obra de los que resulta dificultosa la extracción de testigos para la realización de los ensayos convencionales.

Definir el grado de alteración en obra con respecto a la piedra inalterada. Comprobar la evolución de los tratamientos de consolidación y/o de protección

sobre los materiales existentes en obra que han sido necesitados.

La eficacia de estos procedimientos no destructivos se viene probando y empleando con asiduidad en proyectos y trabajos cotidianos relacionados con el Patrimonio Histórico Arquitectónico.

Referencias(1) Normas UNE-EN Patrimonio Histórico Arquitectónico.

Protector0.001.002.003.004.005.006.00

ΔE* T1-T0ΔE* T2-T0ΔE* T3-T0

(2) Modesto Montoto San Miguel,“Técnicas no destructivas aplicadas a la Conservación del Patrimonio” Cuadernos. [artículo](3) Al-Naddaf y otros,” Medida de la resistencia a la Micro-Perforación: una nueva técnica para estimar la porosidad del material pétreo monumental”, Estudio del Departamento de Conservación Universidad Yarmouk Irbid Jordan.[artículo](4) Garcia et Al. Journal of Cultural Heritage, 2012;13(1):77-82,Compatibilidad de color[revista]