Tema 7: ALTERACION MECANICA
Los procesos de alteración mecánica suponen la modificación de las propiedades mecánicas de los materiales sin producir cambios en su composición química y/o en su composición mineral. La mayor parte de estos procesos se deben a la acción de esfuerzos sobre el material, que pueden generar deformaciones internas en forma, generalmente, de micro- y macrofracturas, por lo que su resultado más común es una pérdida de cohesión del material y su rotura.
El origen de los esfuerzos puede ser tanto interno, esto es, generado en el interior del material como resultado de los efectos de los factores y agentes degradantes (e.g., cambios de volumen debidos a incrementos térmicos, cristalización de hielo, cristalización e hidratación de sales, etc), como externo (i.e., estructurales), generado por el peso de los materiales que soporta en la obra arquitectónica o por factores externos particulares (e.g., subsidencia del terreno, terremotos, frecuentes vibraciones, etc.). Otros procesos mecánicos son erosivos, esto es, producen pérdida de materia por abrasión o impacto( e.g., abrasión eólica). De entre entre estos procesos de deterioro excluiremos en este tema los generados por cristalización e hidratación de sales, que serán tratados en un tema específico dedicado al efecto de las sales solubles.
Es conocido que el incremento de la temperatura de cualquier material conlleva, por lo general, un aumento de su volumen (Figura 1), fenómeno que se define como expansión volumétrica de origen térmico a presión constante, o simplemente expansión térmica, y su medida se realiza en términos del coeficiente de expansión térmica (a). Este comportamiento de la materia tiene como resultado la frecuente degradación mecánica de los materiales pétreos cuando son sometidos a ciclos de calentamiento y enfriamiento continuados, ya que las consiguientes expansiones y contracciones volumétricas generan esfuerzos que pueden llegar producir la fracturación de estos materiales por fatiga, y eventualmente llegar a su disgregación granular.
Figura 1.- Expansión térmica volumétrica de cuarzo, calcita, aragonito feldespatos y hornblenda (tomado de Winkler, 1973).
Puesto que la mayoría de los minerales que forman los materiales pétreos son anisótropos respecto de la expansión térmica, sufren cambios de dimensiones distintos según las distintas direcciones cristalinas para un incremento de temperatura dado (Figura 2). Es el caso del cuarzo-a, se expande más perpendicularmente a su eje c que paralelamente a él. Este comportamiento, denominado expansión térmica diferencial, generara una distribución de esfuerzos heterogénea en los agregados poligranulares de rocas a escala de los contactos de grano, de forma que los mayores esfuerzos se concentran en aquellos contactos cuya traza sea aproximadamente perpendicular a direcciones cristalográficas con máximo coeficiente de expansión térmica lineal. (e.g., un contacto entre dos granos de cuarzo cuyos ejes c se dispongan aproximadamente paralelos al mismo, Figura 3). Estos contactos de grano degenerarán en microfracturas preferentemente respecto de otros contactos de grano en los que las orientaciones de los minerales sea más favorables (e.g., un contacto entre dos granos de cuarzo cuyos ejes c se dispongan aproximadamente perpendicularmente al mismo, Figura 3).
Si consideramos elementos constructivos discretos (i.e., un sillar), cuyos granos constituyentes están distribuidos al azar, la situación global de esfuerzo tendrá un carácter isótropo a esa escala, esto es, no habrá direcciones preferentes de rotura. En estas situaciones se generan sistemas de microfraccturas irregulares que se distribuyen entre granos con coeficientes de expansión elevados. Las microfracturas se desarrollarán, preferentemente, durante los procesos de contracción de volumen (en general, enfriamiento), ya que la resistencia a la tensión de las rocas es, aproximadamente, un orden de magnitud menor que su resistencia a la compresión.
Figura 2.- Expansión térmica lineal de cuarzo, calcita y feldespatos (tomado de Winkler, 1973).
Figura 3.- Distribución de esfuerzos sobre los contactos de grano en un agregado poligranular de cuarzo (e.g., cuarcita).
Esta situación es la encontrada cuando el material es poliminerálico o monominerálico (como cuarcitas), aunque en el caso de mármoles y calizas la situación presenta peculiaridades debido a los signos distintos de los coeficientes de expansión lineales de la calcita perpendicular y paralelamente a su eje c (para incrementos positivos de temperatura, la calcita se expande según su eje c y se contrae perpendicularmente al mismo, aunque en conjunto se produce un incremento de volumen, Figuras 1 y 2). Así, en un proceso de calentamiento se producirán esfuerzos compresivos entre dos granos de calcita con sus ejes c orientados aproximadamente perpendicularmente al contacto entre los granos, mientras que se producirán esfuerzos tensionales entre dos granos de calcita cuyos ejes c estén orientados aproximadamente paralelos a su contacto de grano. En esta situación de calentamiento, tenderán a producirse microfracturas en el último tipo de contacto de grano descrito sometido a tensión, por las razones indicadas más arriba al respecto de las diferencias entre la resistencia a la compresión y tensión de los materiales pétreos. No obstante, en el proceso de enfriamiento subsecuente se producirán los efectos contrarios, tendiendo a abrirse las microfracturas a lo largo de los contactos entre granos cuyos ejes c estén orientados aproximadamente perpendicularmente al contacto entre los mismos. El resultado es que los mármoles calcíticos se deterioran rápidamente por este proceso, tanto durante los ciclos de calentamiento como de enfriamiento, por contraste con otros materiales pétreos comunes que se deterioran preferentemente durante los ciclos de enfriamiento. Este proceso de deterioro se acrecienta si el mármol (o cualquier otro tipo de roca) presenta fábrica cristalográfica, esto es, si existe una orientación preferente de los ejes c de los granos de calcita según una dirección dada. En estas rocas, las microfracturas producidas por los esfuerzos tensionales tenderán a coalescer rápidamente, llegándose a la macrofracturación con más facilidad. De hecho, este proceso de deterioro por decohesión intergranular es muy común en mármoles, ya presenten fábricas cristalográficas o no, pudiéndose constatar por el aspecto poco compacto del material, que tiende a disgregarse dando granos aislados de calcita. Cuando estos mármoles alterados se fracturan, lo hará según discontinuidades que pasan por los límites de grano, no por el interior de los mismos, como sería el caso de un mármol sano (Figura 4). En la terminología italiana este tipo de mármol alterado se denomina "cotto" (i.e., cocido), cuyo deterioro puede haberse producido, al menos en parte, ya en la cantera si los bloques han estado durante un cierto tiempo a la intemperie.
Figura 4. Imagen y esquema de un mármol de Carrara deteriorado en microscopía de luz polarizada (nícoles paralelos). Nótese la fuerte disgregación, motivada por la existencia de microfracturas abiertas entre los granos minerales (tomado de Lazzarii y Laurenzi-Tabasso, 1986).
Los esfuerzos generados en los materiales pétreos debidos a cambios de volumen por causas térmicas pueden evaluarse, bajo una aproximación lineal, teniendo en cuenta las relaciones entre esfuerzo compresivo lineal (sl), deformación lineal (el), incremento de longitud (Dl), incremento de temperatura (DT) y coeficiente de expansión térmica lineal (l). Así, en los tramos donde existe proporcionalidad lineal entre esfuerzo y deformación (tramos elásticos definidos por la ley de Hooke) se verifica la relación:
donde E es la constante de proporcionalidad, o módulo de elasticidad o de Young:
Puesto que la deformación lineal se define como la razón entre el incremento de longitud y la longitud inicial:
tenemos que:
Por otra parte, el coeficiente de expansión térmica lineal representa los incrementos relativos de longitud producidos al aumentar la temperatura en un grado a presión constante:
de donde puede despejarse Dl/lo:
y sustituirse en la expresión anterior que define sl:
sl = E·el = E·(Dl/lo)
= E·(l·DT)
Esta expresión permite calcular el esfuerzo compresivo lineal soportado por un material con módulo de elasticidad E y coeficiente de expansión lineal l para un incremento de temperatura dado, siempre que el material presente un comportamiento mecánico elástico o casi-elástico para la deformación inducida por tal esfuerzo. Este es el caso de una gran parte de los materiales pétreos en condiciones de presión y temperatura atmosféricas, que son además frágiles (los límites de proporcionalidad, de elasticidad y de rotura están muy próximos, Figura 5). Para estos materiales, el conocimiento del módulo de elasticidad y de la resistencia a la compresión permite tener una idea bastante aproximada de las curvas esfuerzo-deformación (Figura 5), lo que permite evaluar la respuesta del material ante la acción de esfuerzos compresivos, como los generados por expansiones volumétricas de origen térmico.
Figura 5.- Curvas esfuerzo-deformación para materiales elásticos y frágiles, como una gran parte de los materiales pétreos utilizados en construcción y ornamentación.
Esto se ilustra a continuación con un cálculo
del esfuerzo compresivo lineal generado por un incremento de temperatura (DT) de
sl = E·l·DT = 700000·(8·10-6)·50
= 280 kg/cm2
Este resultado, que es una aproximación ya
que no se considera la expansión volumétrica, sino la lineal, indica que pueden
alcanzarse esfuerzos compresivos significativos, de hasta unos cientos de kg/cm2 en una situación extrema (incrementos de
Figura 6.- Esfuerzos compresivos y
deformaciones lineales generados por incrementos térmicos en un mármol con
módulo de elasticidad de 700000 kg/cm2,
asumiendo coeficientes de expansión térmica lineales de 25.1·10-6 ºC-1 (máximo de calcita, paralelamente al eje c)
y 8.6·10-6 ºC-1 (valor
intermedio). Nótese que los cálculos se han realizado asumiendo un
comportamiento elástico en todo el espectro de incrementos de T, lo cual no es
cierto ya que para incrementos de T inferiores a unos
No obstante, los esfuerzos generados para cambios de temperatura diarios propios de climas templados no son, por lo general, suficientes para superar la resistencia mecánica de las rocas, ya sean mármoles o de cualquier otro tipo, aunque hay que tener en cuanta que éstas se fracturarán preferentemente durante ciclos de contracción, no de expansión, ya que sus resistencias a la tracción son menores (la resistencias a la tracción de calizas y mármoles oscila entre 60-300 kg/cm2).
Evidentemente, si los minerales o componentes de un material sufren expansiones y contracciones de volumen, los propios materiales (i.e., rocas) los sufrirán igualmente. Estos cambios globales tienen un efecto doble.
· Por una parte, las expansiones y contracciones continuadas producen fatiga del material, lo cual conlleva su fracturación con el tiempo. Esto se debe a que, si bien los esfuerzos generados en el interior del material pueden no ser suficientes para superar su resistencia mecánica, su efecto continuado produce cada vez menor resistencia del mismo a la deformación permanente (i.e, fatiga), llegándose finalmente a la rotura.
· Por otra parte, hay que tener en cuenta las condiciones de confinamiento del material. Si el material se encuentra no confinado, esto es, no existe materia que ofrezca resistencia a los cambios de volumen fuera de sus límites, la dilataciones y compresiones no producen tensiones adicionales. Si por el contrario sí se encuentra confinado, como sería el caso del material de muros, columnas, morteros, etc., los cambios de volumen producen tensiones sobre el material adyacente y sobre el propio material. Así, si suponemos bloques de rocas adyacentes en contacto (sillares, tambores,...), pueden desarrollarse fracturas inducidas por las tensiones generadas al aumentar de volumen los bloques. Si suponemos bloques en contacto a través de un mortero, las tensiones generadas por los cambios de volumen serán absorbidas más fácilmente, ya que las deformaciones se concentrarán en el mortero, dadas sus características de mayor plasticidad y, en general, porosidad. En estas condiciones, el mortero será el que ofrezca mayores síntomas de deterioro por pérdida de cohesión.
Si las rocas son porosas, los esfuerzos generados, particularmente los de compresión, son absorbidos, al menos en parte, por deformación interna de los poros. Esto supone que las rocas porosas tenderán a sufrir menos deterioro por causas térmicas que las rocas poco porosas.
Finalmente, hay que tener en cuenta que la intensidad de este proceso de deterioro en las rocas por cambios volumétricos depende no sólo la diferencia de temperatura alcanzada en los ciclos de calentamiento y enfriamiento (que controlan los incrementos volumétricos totales), sino la rapidez y frecuencia de los mismos. Así, un rápido enfriamiento de un material expuesto al sol por una súbita tormenta es más dañino que unos cambios lentos. Es por lo tanto importante controlar las superficies expuestas al sol y al mismo tiempo las que sufren más frecuentemente la caída directa del agua de lluvia, sobre todo en verano.
A parte de los cambios de volumen globales de los materiales y entre distintos elementos constructivos (e.g., bloques), hay que considerar los cambios absolutos entre distintas partes de un mismo elemento. Esto se debe a que los materiales pétreos son malos conductores del calor, lo cual genera gradientes térmicos entre la superficie y el interior de un bloque cuando es calentado (Figura 7).
En respuesta de estos gradientes de temperatura, se establecen gradientes en la variación del volumen por expansión térmica, es decir, las partes superficiales se expanden y contraen más que las interiores, lo cual genera tensiones entre las distintas partes del bloque que pueden dar lugar a fracturación. De nuevo, la fracturación es más probable que se produzca durante el enfriamiento, dado que el los esfuerzos son tensionales con la contracción térmica. Casos especialmente agresivos por la velocidad de deterioro serían los producidos por enfriamiento rápido de un superficie caliente al llover.
Figura 7.- Gradiente de temperatura en el interior de un bloque de granito del desierto de Mojave, California (de Roth, 1965, tomado de Winkler, 1973).
Dado que la conductividad térmica del aire y agua son muy bajas, menores en tres órdenes de magnitud respecto de las de las rocas, se podría deducir que este proceso de deterioro debería ser más importante en rocas porosas que en rocas compactas, ya que las primeras presentan conductividad térmica efectiva menor al contener aire y/o agua en los poros. Estas rocas presentarán gradientes de temperatura mayores, y por lo tanto cambios de volúmenes más contrastados. Sin embargo, hay que tener en cuenta que las tensiones generadas pueden absorberse por deformación interna de los poros, por lo que la roca en sí puede no fracturarse y perder cohesión.
Independientemente de los procesos de
disgregación, la formación de microfracturas produce
un aumento de la porosidad, lo que tiene un efecto deteriorante
secundario dada la mayor posibilidad de absorción de agua y por lo tanto de
alteraciones de tipo físico y químico ligadas a la misma. Así, algunos
experimentos de laboratorio confirman una estrecha relación entre la velocidad
de deterioro debida a cambios de temperatura y la presencia de agua. Por
ejemplo, en rocas sometidas a 89.000 incrementos térmicos bruscos de
El efecto del fuego puede considerarse como
un caso extremo de los procesos térmicos naturales. La extensión y el grado del
deterioro son función de la intensidad del fuego, pero en la mayor parte de los
casos son importantes ya que, por una parte las temperaturas alcanzadas son
extremadamente altas, cercanas a los
Figura 8.- Curva de evolución de la temperatura en la superficie de paredes y techos de una habitación cerrada durante un fuego estándar (tomado de Winkler, 1973).
En
Puede observarse como el cuarzo- es
el mineral que presenta mayores expansiones volumétricas, si exceptuamos al aragonito, un mineral no muy común en las rocas utilizadas
como material de construcción. El cuarzo, y consecuentemente las rocas que lo
contienen en cantidades apreciables como cuarcitas y granitos, es considerado
como el mineral más crítico bajo condiciones de calentamiento intenso. En
Figura 9.- Evolución de un fuego y diagrama P-T-r para el cuarzo.
Los esfuerzos generados en rocas calizas
durante un fuego son más que suficientes para superar su resistencia a la
compresión. Por ejemplo, si consideramos la misma expansión térmica lineal y el
mismo módulo de elasticidad que el ejemplo anteriormente presentado (i.e, 8.6·10-6 ºC-1),
un incremento de temperatura de
Independientemente de los efectos debidos a
las expansiones térmicas, procesos de calcinación de los carbonatos pueden
darse en fuegos muy intensos, ya que la calcita comienza a disociarse alrededor
de los
Figura 10.- Diagrama Presión-Temperatura
para la calcinación de calcita. Obsérvese que para presiones mayores de la atmosférica,
la temperatura de calcinación es mucho mayor (para comparar este diagrama con
los presentados en
El resto de los minerales comunes en las rocas presentan expansiones térmicas más moderadas, por lo que las rocas pobres en carbonatos, cuarzo y feldespatos presentarán menos problemas que las anteriormente discutidas. Así, las rocas ígneas máficas y ultramáficas (e.g., gabros, dioritas, peridotitas,...) soportan mejor las condiciones de altas temperaturas. En cualquier caso, todas las rocas presentarían gradientes térmicos entre las superficies expuestas y las partes interiores, lo cual supone el desarrollo de esfuerzos que tenderán fracturar la roca perpendicularmente a la dirección del máximo gradiente (i.e., en general paralelamente a la superficie de exposición) debido a que los esfuerzos son mayores a lo largo de esta dirección.
En el apartado anterior se indicó el efecto
acelerador del deterioro de origen térmico por efecto de la presencia de agua.
Se indicó que este efecto era de origen físico, aunque no pueden descartarse
procesos químicos. En este apartado consideraremos el efecto de la expansión
térmica del agua localizada en poros o microporos de
las rocas al sufrir incrementos térmicos. En
Ciclos de mojado y secado continuados de las rocas pueden ser un proceso importante de deterioro. Los experimentos de llevados a cabo indican que las rocas más suceptibles de alterarse son las que presentan tamaños de grano menores, mostrando deslaminaciones superficiales y fracturación. Por otra parte, los efectos más importantes parecen darse durante los ciclos de secado.
Aunque el proceso no se conoce con exactitud, parece que el efecto del agua es doble. Por un lado, el agua localizada en los poros de los materiales induce cambios de volumen que, según algunos datos experimentales, pueden llegar a ser similares a los producidos por expansión térmica. Los datos disponibles indican que los cambios de volumen más importantes se producen bajo condiciones de humedad relativa del 90-100 %. Es muy probable que algunas formas de alteración física atribuidas a otros mecanismos, como procesos de alteración de tipo térmico, se deban a expansiones por humedecimiento. Por otro lado, la presencia de "agua ordenada" en los sistemas porosos puede inducir, directamente, la generación de esfuerzos. Las moléculas de agua presentan una polaridad electroestática debido a la distribución espacial de los átomos de oxígeno e hidrógeno. La parte de las moléculas cargada positivamente es atraída por la superficie cargada negativamente de una arcilla u otro mineral, formándose una capa de "agua ordenada". Los procesos de secado y mojado continuados permiten la formación de una capa de agua ordenada cada vez más ancha, debido a que las moléculas de agua van uniéndose por sus polos cargados opuestamente. Esta estructuración del agua puede ejercer esfuerzos expansivos sobre las paredes confinantes.
Figura 11.- Diagrama Presión-Temperatura-Volumen para el agua sometida a distintas presiones de confinamiento.
Algunos experimentos refuerzan esta última hipótesis. Así, cuando se usan líquidos fuertemente polares en los ciclos de mojado y secado (e.g. formaldehydo), los efectos son muy evidentes, mientras que cuando los líquidos usados no son polares (e.g., tetracloruro de carbono), no se observan efectos de deterioro evidentes.
La acción del hielo sobre los materiales pétreos rocas es un proceso reconocido desde hace mucho tiempo, sobre todo en climas húmedos y fríos. Esta acción resulta de una combinación de factores, tales como la expansión volumétrica en la transición de fase agua-hielo, el grado de saturación en agua del sistema poroso, el tamaño de los poros y la continuidad del sistema poroso.
Figura 12.- Diagrama P-T que muestra las transiciones de fase agua-hielo, con representación de líneas de isodensidad (tomado de Winkler, 1973)
Puede observarse sin embargo que, si se
produce un proceso de transformación de agua en hielo, a
Figura 13.- Esquema de los esfuerzos producidos durante la cristalización de hielo en el interior del sistema poroso de los materiales pétreos.
Lo más importante del diagrama de
Puede decirse que el deterioro de los materiales porosos debido a los procesos de formación de hielo se deben esencialmente al aumento de volumen de la transición agua-hielo. Sin embargo, los mecanismos concretos por los que la transformación agua-hielo induce daños al material pétreo pueden ser muy variados y complejos, y en parte son mal conocidos. Esto es debido a que variables tales como tamaño de poros, grado de saturación en agua, grado de interconexión de los poros, etc, son factores determinantes que en parte controlan el proceso de helada. Por lo tanto, la suceptibilidad de las rocas a deteriorarse debido a procesos de gelifracción (denominada heladicidad) no presenta una relación lineal con su capacidad de "helarse".
Algunos procesos invocados para explicar la acción del hielo sobre las rocas son los siguientes:
· Crecimiento de cristales de hielo. Una vez iniciado el proceso de helada, las moléculas del agua en contacto con el hielo presentan un estado de agitación térmica muy bajo. Sin embargo, el agua más distante presenta un estado de agitación térmica mayor, de manera que tienden a acercarse al hielo formado. De esta manera se produce un proceso doble. Por una parte, se da un mecanismos de succión de agua desde los poros menores hacia los mayores donde se está formando hielo, y por otra, el agua recién llegada puede presionar al hielo.
· Presión hidráulica. La acción disruptiva del hielo no se debe simplemente a la acción expansiva directa por el cambio de volumen que conlleva la transición agua-hielo, sino a las presiones hidráulicas generadas en el proceso de helada, donde el agua en contacto con el hielo es desplazada por el frente de helada. Este mecanismo es operativo si es sistema poroso es defectuoso, esto es, si el agua no puede escapar del mismo, o si se produce la "captura" de una cierta cantidad de agua entre dos frentes de helada (Figura 14).
Figura 14. Fenómeno de atrape de una bolsa de agua por ciclos de hielo-deshielo en el sistema poroso de materiales expuestos a cambios de temperatura durante el día y la noche.
· Cambios de volumen del
agua adsorbida. Se ha observado que el agua
contenida en el sistema poroso no hiela en su totalidad en, o cerca de, el
punto de helada, sino que parte permanece líquida incluso por debajo de
Las rocas con un desarrollo de poros importante presentan generalmente menores grados de deterioro debido a procesos de geligracción que las poco porosas. Esto se debe en primer lugar al tamaño, y en segundo al grado de interconexión, de poros. A medida que el tamaño de poros se hace mayor, el grado de porosidad y permeabilidad (interconexión de los poros) también suele ser mayor. Esto supone que durante los procesos de helada, en rocas muy porosas y permeables el agua no helada puede migrar empujada por el hielo que al no encontrar resistencia se adapta a los límites de los poros sin ejercer sobrepresiones debidas al aumento de temperatura y sin desarrollar presiones hidráulicas. Lo contrario ocurrirá en rocas poco porosas y permeables. Así por ejemplo, las rocas con tamaños de grano más grueso suelen presentar mayor porosidad y permeabilidad, por lo que resisten mejor que rocas de grano fino. Se ha establecido un tamaño crítico de en torno a 5 micras, por encima del cual las rocas suelen resistir mejor.
Por otra parte, los experimentos llevados a cabo, sometiendo a las rocas a ciclos de helada-deshielo en condiciones variables de saturación en agua, sugieren que los mayores efectos se desarrollan en condiciones de saturación. Esto se puede observar en bloques de canteras o monumentos donde las partes superficiales más expuestas a la humedad atmosférica y el agua de lluvia presentan mayor desarrollo de fracturación que las partes interiores donde el grado de saturación en agua es menor. En este caso, el efecto del tamaños de poros es inverso al caso anterior, ya que un aumento en el mismo supone un aumento de la porosidad global y permeabilidad, lo que facilita la entrada de agua y su saturación en el sistema rocoso.
En resumen, puede decirse que las presiones
máximas que pueden desarrollarse en el proceso de conversión agua-hielo en
equilibrio pueden llegar a unas 2000 atm, para
temperaturas del orden de
Las formas de deterioro más comunes son sistemas de fracturas paralelas a la superficie en contacto con el medio ambiente, lo que da a las rocas un aspecto escamado. Como se ha comentado anteriormente, si las rocas presentan alguna anisotropía estructural o composicional (e.g., estratificación, exfoliación, bandeado composicional,...) el desarrollo de las facturas se ve favorecido paralelamente a la estructura, ya sea por debilidad estructural o por procesos particulares como el desarrollo de "agua ordenada" según el bandeado. En estos casos, las fracturas pueden no ser paralelas a la superficie de la roca, sino oblicuas o perpendiculares.
Última modificación: 13 febrero 2020 16:58