Cintica de la ascensin del agua por capilaridad en laArenisca de La Marina (Jursico Superior de Asturias)

V. G. Ruiz de Argandoa1, L. Calleja1, L. M. Surez del Ro1, A. Rodrguez-Rey1 y C. Celorio2.

1Dpto. de Geologa (Universidad de Oviedo). Jess Arias de Velasco s/n. 33005-Oviedo (Asturias).2Servicio de Radiologa. Hospital lvarez-Buylla (SESPA). 33616-Mieres (Asturias).

Resumen: Se estudia el movimiento del agua por capilaridad en una arenisca utilizada como rocaornamental y conocida como Arenisca de la Marina (variedad amarilla) del Jursico asturiano. Pa-ra la caracterizacin textural se han realizado distintos ensayos: velocidades de propagacin deondas elsticas, porosimetra por inyeccin de mercurio y tomografa axial computerizada de ra-yos X. Los resultados se han aplicado a la modelizacin e interpretacin de la cintica de absor-cin de agua por capilaridad, utilizndose la tomografa de rayos X para visualizar el fenmeno ycalcular un radio de acceso capilar. Todos los resultados y observaciones realizadas son concor-dantes con su comportamiento anistropo debido a la presencia de anillos de Liesegang perpendi-culares a la estratificacin. Palabras clave: areniscas, Jursico, roca ornamental, capilaridad, ondas elsticas, tomografa derayos X.

Abstract: The water movement by capillarity inside La Marina Sandstone (yellow variety) of theJurassic of Asturias, used as dimension stone, is studied. The rock texture has been characterizedunder different techniques: elastic wave velocity, Hg porosimetry and X-ray computedtomography. Using the obtained results the modelling and interpretation of the water absorptionkinetics due to capillarity have been done. The X-ray tomograhy allows to image the absorptionprocess and to calculate the size of the radius of capillary access. All the results and observationsconfirm the anisotropic behaviour of the capillarity due to the presence of Liesegang ringsperpendicular to the bedding surfaces.Key words: sandstones, Jurassic, dimension stone, capillarity, elastic waves, x-ray computedtomography.

La circulacin de fluidos por capilaridad en las rocas esuno de los principales fenmenos involucrados en losprocesos de deterioro de las mismas cuando se utilizancomo materiales de construccin, ya sea en forma de si-llares o plaquetas de revestimiento.Clsicamente los estudios sobre esta propiedad vienenrealizndose nicamente a partir de los datos obtenidostras la realizacin de ensayos de capilaridad, en los cua-les muestras de forma geomtrica bien definida (cilin-dros o prismas de base cuadrada) se apoyan sobre unmaterial poroso (placa cermica porosa, papel de filtro,etc.) saturado en agua y sumergido en la misma; con larealizacin de sucesivas medidas de la variacin del pe-

so de la muestra por la absorcin del agua desde la baseen contacto con ella, se determina, tanto la cintica delproceso, como la cantidad total de agua absorbida.En este trabajo, adems de los estudios clsicos, se hanutilizado otras tcnicas complementarias con el fin detener una mayor comprensin del proceso. As, con elfin de tener un mejor conocimiento del sistema poroso ytratar de realizar un modelo tridimensional de las carac-tersticas texturales de la roca, se han realizado observa-ciones directas mediante tomografa axial computeriza-da de rayos X durante el ensayo de absorcin, se hanmedido las velocidades de propagacin de ondas ultra-snicas en tres direcciones ortogonales y se han realiza-

Trabajos de Geologa, Univ. de Oviedo, 24 : 177-184 (2004)

do ensayos de porosimetra por inyeccin de mercurio.Todos estos ensayos vienen utilizndose, algunos desdehace ya tiempo, para la caracterizacin de materiales ro-cosos, tal como puede verse, por ejemplo, en: Calleja etal. (1990), Calleja (1991), Ruiz de Argandoa et al.(1999 y 2003), Bernard et al. (2000), Sousa et al. (2002)y Graud et al. (2003). El estudio se ha centrado en unade las dos variedades de la arenisca Jursica de la For-macin Lastres empleada antiguamente como materialde construccin de edificaciones y monumentos asturia-nos (Santa Mara de Valdedis, Palacio de Revillagige-do, Santa Mara de la Oliva, etc.) y comercializada en laactualidad como piedra ornamental.

Material y MtodoHoy en da existen en activo dos pequeas canteras (ElNene y Los Gemelos, en el concejo de Villaviciosa) delas que se extraen materiales de la Formacin Lastres(Jursico superior) que se comercializan con los nom-bres de Arenisca de la Marina, Arenisca Mariana oPiedra arenisca (Surez del Ro et al., 2002a). Existendos variedades, una gris y otra amarilla, centrndose elpresente trabajo en esta ltima variedad.Macroscpicamente destaca la presencia de anillos deLiesegang que, en el bloque estudiado, son perpendicu-lares a la estratificacin y que le confiere un posiblecomportamiento anistropo respecto a algunas propie-dades. Microscpicamente son areniscas de grano me-dio y se clasifican como sublitarenitas (Pettijohn et al.,1972). Una amplia descripcin macro y microscpicapuede verse en Surez del Ro et al. (2002b).Para estudiar si la capilaridad presentaba un comporta-miento anistropo, se han tallado probetas cilndricasde aproximadamente 80 mm de altura y 40 mm de di-metro, orientadas en tres direcciones ortogonales; a lasprobetas extradas perpendicularmente a los anillos deLiesegang (y paralelas a la estratificacin) se les haasignado la letra Z y X e Y a las otras dos direccionesperpendiculares. Previamente a los ensayos de capilaridad, y debido aque las caractersticas de los espacios vacos son las quecondicionan el movimiento del agua en el seno de losmateriales rocosos, se ha determinado la porosidadabierta as como el radio de acceso de poro medianteporosimetra por inyeccin de mercurio.

Para caracterizar las anisotropas presentes en las mues-tras y su posible relacin con el movimiento del aguapor capilaridad, se ha medido la velocidad de propaga-cin de ondas longitudinales y transversales en todas lasprobetas, calculndose tambin el mdulo de Young yla relacin de Poisson dinmicos.Los ensayos de capilaridad se han llevado a cabo si-guiendo la norma UNE-EN-1925 (1999), con algunasvariaciones que se especifican en el apartado corres-pondiente. Durante la realizacin de algunos ensayos de ascensincapilar, se ha hecho un seguimiento mediante tomogra-fa axial computerizada de Rayos-X (TAC), con la fina-lidad de comprobar la viabilidad de la tcnica para vi-sualizar el fenmeno y determinar las posibles relacio-nes que pueda existir entre el movimiento del agua y latextura de la roca.

Caracterizacin petrofsica de la Arenisca de laMarinaPara la determinacin de la densidad y la porosidadabierta se ha seguido la norma UNE-EN-1936 (1999);los resultados obtenidos se expresan en la Tabla I.En cuanto a la porosidad abierta, las variaciones exis-tentes entre las distintas probetas son pequeas y puedenconsiderarse como debidas a las inhomogeneidades pro-pias de los materiales rocosos.En los estudios para la determinacin de los radios deacceso de poro se utiliz un porosmetro de mercurioMicromeritics Auto Pore III, y un tamao de muestra ci-lndrica de aproximadamente 25 mm de altura y 20 mmde dimetro. Los resultados aparecen en la Figura 1, enla que puede verse que la mayor parte de los radios deacceso de poro y el mayor porcentaje de la porosidad dela roca corresponde a los tamaos comprendidos entre 5y 20 m; los datos estadsticos aparecen en la Tabla II.

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Muestra X Y Z

Densidad de la roca (kg/m3) 1950 1900 1910

Porosidad abierta (%) 21,6 23,5 23,7

Tabla I. Densidad y porosidad abierta de los materiales estudiados.

Figura 1. Distribucin de los radios de acceso de poro obtenida porporosimetra de inyeccin de mercurio.

Para el estudio de las anisotropas mediante las veloci-dades de propagacin de ondas ultrasnicas, se ha usa-do un equipo OYO SONICVIEWER, utilizndose dosparejas de transductores de titanato de bario (uno paralas ondas longitudinales y otra para las transversales),con una frecuencia de resonancia nominal de 200 y100 kHz respectivamente; los resultados aparecen en laTabla III.La existencia de variaciones texturales quedan puestasclaramente de manifiesto en los valores obtenidos, pu-dindose confeccionar un modelo de propagacin deondas acorde con la realidad de las variedades rocosasestudiadas.As, no existe una marcada anisotropa en la velocidad,pero si una aparente contradiccin entre estos valores ylos datos de la porosidad obtenidos en cada muestra. Alvalor de mnimo de porosidad (muestra X), le corres-ponden las ms bajas velocidades, tanto de ondas longi-tudinales como transversales; esto, que parece ser unacontradiccin evidente, se justifica por la presencia delos anillos de Liesegang y la significacin de su gnesisy su orientacin respecto a la estratificacin.

El modelo que se propone para la velocidad de propaga-cin de ondas (Fig. 2), pone en evidencia que la contra-diccin es slo aparente: la velocidad en la direccin Yes la ms alta puesto que las ondas avanzan ms rpida-mente por los anillos de Liesegang, ms enriquecidos enxidos de hierro (que tienen una mayor velocidad depropagacin de ondas que el cuarzo, los feldespatos o lacalcita de las zonas interanulares) y no se ven frenadaspor la estratificacin.En la direccin de avance perpendicular a X, las ondasviajan por los anillos, lo que hara que su velocidadfuese alta, pero al tener que atravesar los planos de es-tratificacin se retardan, dando la velocidad mnima;

en la direccin perpendicular a Z, la velocidad es inter-media entre las otras dos: se ve favorecida al viajar lasondas paralelas a la estratificacin y apenas se ven in-fluenciadas por la disposicin de los anillos de Liese-gang, ya que, si bien el trnsito por los mismos signifi-cara un aumento de la velocidad, esto se ve contra-rrestado por el paso por las zonas descalcificadas quebordean estos anillos. Estos resultados y modelo decomportamiento son, como se ver ms adelante, coin-cidentes tambin con la cintica de ascensin de aguapor capilaridad.

Capilaridad

Metodologa experimentalEl ensayo de capilaridad se ha llevado a cabo siguiendola Norma Europea UNE-EN 1925 (1999), con un dispo-sitivo que mantena constante el nivel de agua en el reci-piente donde se realiz el ensayo; adems, para no tenerque mover la probeta al realizar las sucesivas pesadas,se dise y construy un dispositivo que permita pesar-las durante el ensayo sin manipularlas, mejorando consi-derablemente la fiabilidad del mismo. En las Figs. 3 y 4pueden verse tanto el sistema para mantener el aguaconstante, como el dispositivo de pesada creado para losensayos de capilaridad.La utilizacin de este dispositivo ha hecho que la probe-ta estuviera suspendida y en contacto con el agua, envez de apoyada sobre un material poroso, tal como indi-caba la norma de ensayo.Los estudios realizados mediante tomografa axial com-puterizada de rayos-X se han realizado con un scannerhelicoidal General Electric HiSpeed QX/i con una reso-lucin espacial de 450 m y a 120 kV y 120 mA.

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Muestra X Y Z

VL (m/s) 1983 2190 2097

VT (m/s) 1309 1375 1355

Edin (GPa) 32,7 24,1 28,3

din (-) 0,11 0,18 0,14

Tabla III. Velocidad de ondas longitudinales (VL), transversales (VT),mdulo de Young (Edin) y relacin de Poisson dinmicos (din).

Superficie especfica (m2/g) 1,28

Radio de acceso de poro (media, m) 0,23

Radio de acceso de poro (mediana, m) 12,75

Tabla II. Datos estadsticos obtenidos de la porosimetra de mercurio.

Figura 2. Modelo para las velocidades de propagacin de ondas els-ticas. En trazo continuo se representa la estratificacin y en trazo conpuntos los anillos de Liesegang.

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Figura 3. Equipamiento para larealizacin del ensayo de capilari-dad en probetas de rocas.

Figura 4. Detalle del sistema de fi-jacin de las muestras para la me-dida de la variacin del peso du-rante el ensayo de capilaridad.

Con el fin de mejorar la visin de la ascensin capilar,en lugar de utilizar agua, se ha utilizado un contrasteusado habitualmente en la prctica mdica (Optiray 240) disuelto al 10% en agua.

Resultados y DiscusinPara las rocas porosas, como es este caso, el incremen-to de masa por unidad de rea (Ws) cuando penetra elagua dentro de las muestras por capilaridad sigue apro-ximadamente la siguiente relacin: Ws = C.t1/2, donde Ces el coeficiente relativo a la cintica del proceso antesde llegar al tramo de estabilizacin (coeficiente de as-censin capilar o de capilaridad) y t el tiempo. Las cur-vas de ascensin capilar correspondientes a los tres ti-pos de probetas ortogonales (X, Y y Z) pueden verseen la Fig. 5.En el estudio detallado de las curvas y del coeficiente Cpueden distinguirse generalmente dos etapas caracteri-zadas por presentar distintas pendientes, siendo la pri-mera ms rpida (C1) y la posterior ms lenta (C2); estees el comportamiento que presentan las muestras X e Y,mientras que en la muestra Z aparece adems una terce-ra etapa (C3). Los valores de dichos coeficientes apare-cen en la Tabla IV.A la vista de los resultados se observa que existe unacierta anisotropa en la cintica de la capilaridad. As,en las primeras etapas, la velocidad de ascenso en lasmuestras X es ms lenta que en las otras dos direccio-nes, siendo la direccin Y las ms rpida de las tres;sin embargo a medida que avanza el ensayo, las velo-cidades de las muestras X e Y tienden a igualarse,manteniendo la direccin X una velocidad ms o me-nos constante hasta la finalizacin del ensayo; sinembargo la muestra Z presenta una aceleracin en laltima etapa del mismo. La direccin Y continasiendo la ms rpida durante todo el ensayo hasta sufinalizacin.Se observa cmo las muestras Z e Y, debido a poseeruna mayor porosidad abierta que la muestra X, alcanzanun mayor incremento de masa por unidad de rea; unavez alcanzado casi el estado de equilibrio, todas lasmuestras presentan una tendencia similar.

Como se ha comentado previamente, se ha efectuadoun seguimiento de la ascensin del agua por capilari-dad mediante Tomografa Axial Computerizada de Ra-yos-X. En la Fig. 6, puede verse un mosaico de lasimgenes al comienzo, mitad y final del ensayo, co-rrespondientes a la seccin central longitudinal de lasmuestras cilndricas.Dichas imgenes explican y corroboran muchas delas interpretaciones anteriormente realizadas. As, en

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Muestra X Y Z

C1 (g.cm2.s -1/2) 0,043 0,060 0,053

C2 (g.cm2.s -1/2) 0,022 0,034 0,019

C3 (g.cm2.s -1/2) -- -- 0,024

Tabla IV. Valores de los coeficientes de capilaridad para las muestrasensayadas.

Figura 5. Aspecto de la curva de incremento de masa por unidad derea frente a la raz cuadrada del tiempo. Muestras X, Y y Z.

primer lugar, puede verse que inicialmente (Fig. 6,fila a) la muestra X presenta un cierto retraso en lavelocidad de ascenso capilar con respecto a lasmuestras Y y Z; llegado un cierto momento (Fig. 6,fila b), las velocidades en X y Z se igualan, mientrasque la Y aunque no crece mucho su velocidad, conti-na siendo la ms rpida. Sin embargo, como se pue-de apreciar en la radiografa, en la variedad Z el aguaasciende ms rpidamente por una zona de mayorporosidad (aspecto ms oscuro en la imagen, que porla geometra y la disposicin se interpreta como unburrow).

En la etapa final del ensayo (Fig. 6, fila c), la ascensinms rpida sucede en la muestra Y, a continuacin en laZ y, por ltimo, en la X; es necesario resaltar que en lamuestra Z el frente de avance del agua no es horizontaly por ello, aunque el agua alcance en una parte la super-ficie, contina subiendo por las otras zonas de la mues-tra, llegando a completar el ascenso aproximadamente ala vez que en la variedad X.Por otra parte, resolviendo la ecuacin de Hagen-Poi-seuille, la altura de ascenso (L) en el tiempo (t) del me-

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Figura 7. Evolucin del ascenso del agua por capilaridad respecto altiempo, medida en la izquierda, centro y derecha de la probeta. Mues-tras X, Y y Z.

Figura 6. Imgenes de tomografa axial computerizada de rayos-X detres etapas del ensayo de absorcin capilar (a: inicio, b: a los 20 minu-tos y c: al final del ensayo). Muestras X, Y y Z (alto de cada probeta80 mm, ancho 40 mm).

nisco de un fluido por capilaridad a travs de una sec-cin circular es:L = B. t1/2 donde, B = (Rcap.wa .cos /2)1/2B es la pendiente de la curva de L frente a t1/2, Rcap el ra-dio del capilar, wa la tensin superficial de la interfasefluido-aire, el ngulo de contacto y la viscosidad delagua. Determinando experimentalmente el coeficienteB, es posible calcular el radio de poro efectivo del capi-lar a travs de la ecuacin:Rcap = 2 B2/ wa .cos (1)La representacin de las alturas del frente del agua me-didas en la parte izquierda, del centro y derecha de cadaprobeta respecto a la raz cuadrada del tiempo puedenverse en la Fig. 7. En la muestra X el agua alcanza la superficie simultne-amente en las tres zonas, mientras que en la Y puedeverse cmo el agua llega ms rpidamente a la superfi-cie en la parte central y derecha que en la izquierda; enla muestra Z se observa que el frente del agua avanzams rpidamente por el centro y la derecha, debido a lapresencia del burrow anteriormente citado.En la Tabla V, se muestran los coeficientes B y R2 co-rrespondientes a las rectas de regresin de las relacionesque aparecen en la Figura 7, as como los respectivos ra-dios de poro (Rcap) calculados a partir de la frmula (1).Es necesario resaltar que estos valores calculados songeneralmente menores que el radio de poro determinadomediante otras tcnicas; no obstante nos sirven para, deuna manera comparativa, determinar la variabilidadexistente y su relacin con la textura. En este caso losvalores calculados (entre 5,6 y 10,9 mm) estn dentrodel orden de magnitud de los determinados por porosi-metra de inyeccin de mercurio (mediana 12,7 mm).Los radios capilares determinados en las tres zonas estu-diadas son bastante similares en cada una de las mues-

tras, especialmente en las X e Y, dentro de la variabili-dad existente en este tipo de materiales rocosos. Por otraparte, la media de los radios capilares determinados enla direccin Y son mayores que los calculados en lasotras dos direcciones; dentro de los de la direccin Z,los de la zona del centro y la derecha son mayores (de-bido a la presencia del burrow anteriormente mencio-nado), que los de la izquierda.

Conclusiones

Se ha determinado un comportamiento anistropo de lacintica de ascensin por capilaridad del agua en mues-tras de una variedad amarilla de la arenisca jursica dela Formacin Lastres. La anisotropa de esta roca ha si-do tambin puesta de manifiesto mediante la realizacinde estudios con ultrasonidos, obtenindose modelos decomportamiento perfectamente coherentes entre ambaspropiedades.

Por otra parte se han aplicado tcnicas de tomografaaxial computerizada de Rayos-X, mostrndose comomuy adecuadas para visualizar el fenmeno de ascen-sin capilar en materiales rocosos y ha servido para re-lacionar dicho fenmeno con variaciones texturales pre-sentes en las rocas. Mediante las medidas de la altura al-canzada por el agua en su ascenso por capilaridad, obte-nidas a partir de las imgenes de tomografa, se puededeterminar, con gran aproximacin, el radio de poroefectivo capilar.

Agradecimientos

A la Consejera de Educacin y Cultura del Principado de Asturias,por la financiacin de esta investigacin (Proyectos PB-EJS01-24 yPC-CIS01-56). Al Ministerio de Ciencia y Tecnologa, Accin inte-grada Espaa-Francia: MCT-02-ACC-HF2001-0083.

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Muestra XI XC XD YI YC YD ZI ZC ZD

B(mm/s1/2) 1,65 1,72 1,67 1,87 2,08 2,09 1,50 1,79 1,76

R2 (--) 0,98 0,96 0,98 0,98 0,96 0,97 0,98 0,94 0,96

Rcap (m) 6,77 7,38 6,90 8,69 10,91 10,91 5,62 8,00 7,71

Tabla V. Valores para el coeficiente capilar (B); coeficiente de correlacin (R2) y radios de poro (Rcap) de las muestras. XI: parte izquierda de lamuestra, XC: centro y XD: derecha. Lo mismo para las muestras Y y Z.

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