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Diagnosis, alteraciones y evaluación de tratamientos en calizas y dolomías
Diagnosis, alteraciones y evaluación de tratamientos en calizas y
areniscas
J.V. Navarro Gascón
Laboratorio de análisis de materiales
Instituto del Patrimonio Cultural de España
1
Introducción
El estudio de los materiales pétreos de un
monumento debe abordarse bajo tres puntos de vista
necesariamente complementarios:

Caracterización petrográfica y petrofísica de la
roca y su sistema poroso. Puede tener interés
localizar la situación de las canteras de
procedencia original.

Estudio del estado de conservación: análisis e
identificación de los distintos indicadores de
deterioro y elaboración de mapas temáticos de
daños. Identificación de los procesos de deterioro
estableciendo relaciones entre materiales,
ubicación y patología desarrollada.

Viabilidad y efectos sobre la piedra de labores de
restauración:
limpiezas,
protecciones,
tratamientos de consolidación, etc.
Las técnicas que se describen a continuación
pueden considerarse rutinarias y cubren la mayor parte
de las necesidades analíticas de la piedra monumental
y materiales asociados. En ningún caso deben ser
consideradas como técnicas excluyentes, debiendo
remarcarse su complementariedad.
2
Técnicas de estudio
2.1 Microscopía petrográfica
El instrumento básico para el estudio e
identificación de las rocas es el microscopio de luz
polarizada y transmitida (microscopio petrográfico).
Frente a los microscopios ópticos convencionales, este
microscopio incorpora una serie de elementos
destinados al estudio de las propiedades ópticas de los
minerales integrantes de las rocas: platina giratoria y
centrable, polarizadores, conoscopio, hendiduras para
láminas compensadoras y lente de Bertrand.
Las muestras pétreas requieren una preparación
especial para hacerlas transparentes a la luz y
posibilitar su examen mediante microscopía óptica
(figura 1). La sección a estudiar debe poseer un espesor
del orden de 30 µm. Para ello se pule el espécimen
hasta obtener una superficie plana, pegándose sobre
un soporte de vidrio mediante una resina de índice de
refracción conocido. Una vez montada la muestra se
somete a diversas fases de rebajado y pulido hasta
obtener
el
espesor
deseado,
cubriéndose
posteriormente con un cubreobjetos de vidrio (la
protección final no debe realizarse si se desea utilizar la
lámina para estudio mediante microscopía electrónica
de barrido). La muestra puede requerir una
consolidación previa a la preparación de la lámina
delgada.
El tamaño de la muestra a utilizar para preparar
una lámina delgada debe ser acorde con la
homogeneidad y tamaño de grano de la roca a
estudiar, de forma que el volumen de muestra utilizado
sea representativo. Las dimensiones habituales (2x3
cm) pueden ser excesivas para la normal disponibilidad
de piedra en un monumento por lo que, obviamente,
pueden emplearse fragmentos menores e incluso
partículas incluidas en resina para su pulido y
manipulación
De forma habitual se suele recurrir a tinciones
selectivas que afectan a determinados cristales. Así, la
tinción mediante rojo de alizarina y ferricianuro
potásico nos permite diferenciar calcita de dolomita
en calizas, dolomías y areniscas con cemento
carbonatado.
En el examen de una lámina delgada se opera
combinando la observación mediante luz normal y luz
polarizada, al tiempo que se rota la muestra para
observar la interacción de la luz con la estructura
cristalina de los minerales, realizándose las siguientes
determinaciones:

Propiedades ópticas: Color, relieve, índice de
refracción relativo, pleocroísmo, ángulos de
extinción, maclado, birrefringencia, figuras de
interferencia, signos ópticos, etc.

Texturas: Formas y hábitos cristalinos,
dimensiones, relaciones mutuas entre granos o
cristales, distribución de cemento y matriz, etc.

Determinaciones mineralógicas, a partir del
estudio de las propiedades ópticas.

Caracterización de la roca a partir de la
mineralogía y del examen textural.

Microfisuración y alteraciones.

Estudio del sistema poroso (macroporoso).
es constructiva (igual a un nº entero de longitudes de
onda) teniendo lugar el fenómeno de la difracción.
El proceso no es aleatorio y los resultados están
condicionados por los siguientes parámetros:
-
La estructura cristalina del material irradiado.
-
La longitud de onda de los rayos X utilizados.
-
El ángulo de incidencia de la radiación sobre la
estructura cristalina
Este fenómeno se rige por la Ley de Bragg: La
condición para que un haz de rayos X sea difractado
por una familia de planos reticulares de un cristal es:
n λ = 2 d sen θ
donde:
n = 1, 2, 3, ...
λ = Longitud de onda de la radiación característica
empleada
d = Espaciado reticular
θ = Angulo del haz incidente sobre la muestra
Figura 1. Detalle del cemento calcítico en la
sección petrográfica de una caliza ooesparitica
2.2
Difracción de rayos X
La difracción de rayos X (DRX) constituye una de
las técnicas instrumentales de análisis más versátiles
por cuanto permite obtener información cualitativa,
cuantitativa y estructural (cristalográfica) de las fases
cristalinas presentes en la muestra analizada.
Es una técnica apta en nuestro campo para la
identificación de los minerales presentes en una roca,
análisis de morteros, pátinas, costras y eflorescencias,
entre otros. No es aplicable en materiales amorfos
(ceras, barnices, resinas, etc).
Fundamentos de la técnica
Los rayos X, por tener una longitud de onda del
mismo orden de magnitud que los espaciados de las
redes cristalinas, experimentan fenómenos de
difracción al incidir sobre un cristal. Cuando se hace
incidir un haz de R-X sobre un cristal, la estructura de
este hace que los rayos se reflejen en cada uno de los
planos de la red cristalina, produciéndose un
fenómeno de difusión. Los rayos difundidos dan lugar
a fenómenos de interferencia de ondas que en su
mayor parte son destructivas, excepto en
determinadas direcciones en las que esta interferencia
Las posibilidades para que las distintas familias de
planos reticulares de un cristal difracten la radiación se
favorecen
variando
independientemente
los
parámetros λ y θ. La variabilidad de λ se obtiene
utilizando radiación policromática; la de θ se obtiene
sometiendo el cristal a un movimiento giratorio o
pulverizándolo. Las técnicas de monocristal son
valiosas para la resolución de estructuras cristalinas;
las de polvo cristalino son las de mayor utilidad por la
variedad de información que suministran.
Los difractómetros más utilizados se basan en el
método del polvo policristalino, donde la muestra es
molturada finamente permitiendo que los diminutos
cristalitos presenten todas las orientaciones posibles
teniendo lugar las reflexiones que cumplen la ley de
Bragg.
La radiación parte del tubo de rayos X, siendo
monocromada (habitualmente se emplea KαCu: 1,542
Å) y colimada antes de incidir sobre la muestra, donde
es difractada por la muestra y registrada por un
detector (figura 2). La muestra gira con una velocidad
angular constante de forma que el ángulo de incidencia
del haz primario cambia mientras que el detector gira
con una velocidad angular doble alrededor de la
muestra. El ángulo de difracción (2θ) es entonces igual
al doble del ángulo incidente (θ). Cada vez que la
condición de la ley de Bragg es cumplida se registra una
señal en el detector. Como sistema de detección se
utiliza una cámara de ionización a la que se acopla un
sistema de registro y, en los modernos equipos
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automáticos, un microprocesador que interpreta los
datos.
coexisten fases amorfas y cristalinas (materiales
cerámicos, por ejemplo).
En algunos casos puede recurrirse a la
concentración de determinados componentes
minoritarios presentes en la muestra:

Extracción, mediante disolución y recristalización,
de las sales solubles ocluidas en el sistema poroso
de la piedra, analizando mediante DRX el
precipitado obtenido.

Ataque ácido de rocas carbonatadas para analizar
el residuo insoluble obtenido (figuras 3 y 4). La
presencia de pequeñas proporciones de arcillas
expansivas, de naturaleza esmectítica, en dicho
residuo puede explicar algunas formas de
deterioro.
Figura 2. Detalle del goniómetro de un difractómetro
de polvo policristalino. a) tubo de rayos X, b)
monocromador, c) portamuestras, d) sistema de
rendijas y detector.
Cc
La interpretación de los registros se realiza
mediante interacción con una base de datos donde los
distintos patrones se encuentra agrupados en
diferentes subbases (inorgánicos, orgánicos, minerales,
cementos, etc).
Cada especie cristalina contiene un conjunto de
planos reticulares característico que permite su
identificación y distinción de otras fases similares. En
suma, un difractograma no es sino un listado de los
espaciados de los distintos planos reticulares existentes
en la muestra estudiada. Su interpretación es muy
sencilla en el caso de sustancias puras o de mezclas
simples, complicándose a medida que aumenta el
número de sustancias presentes y, especialmente, el
porcentaje en que aparecen.
A título de ejemplo, y dentro de los casos de
estudio cotidiano, no existen problemas de
identificación entre las distintas fases que aparecen en
el proceso de carbonatación de una cal (cal,
portlandita, calcita) –indicadoras del estado de
maduración de un mortero– o la coexistencia de fases
polimorfas del carbonato cálcico (calcita, vaterita,
aragonito) o la distinción entre fases con distinto
estado de hidratación (yeso, basanita, anhidrita), etc.
Sin embargo, en la práctica puede ser muy difícil
identificar minerales que aparezcan a nivel de trazas en
una roca al quedar sus reflexiones –de muy baja
intensidad– reducidas en número o mezcladas con el
ruido de fondo de los difractogramas. Los problemas
generados por el ruido se complican aún más cuando
P
Q
P
P
Cc
Fk
-B-A5
10
20
30
2 theta
Figura 3. Detalle de los difractogramas de la muestra
total (A) y residuo insoluble (B) en una caliza. En A)
sólo se identifica calcita (Cc) mientras que en el
residuo se identifican paligorskita (P), Cuarzo (Q) y
feldespato potásico (Fk)
La cantidad de muestra necesaria para la
realización de un difractograma de polvo en
condiciones standard es del orden de 0,5 gramos; no
obstante, el empleo de un portamuestras de
monocristal de silicio sobre el que se depositan
partículas del material a analizar reduce estas
cantidades significativamente (< 1 mg).
La correcta determinación de los minerales de la
arcilla exige técnicas especiales de preparación de
muestras, variantes de la del polvo, basadas en la
obtención de suspensiones de arcilla en agua que se
dejan evaporar sobre un portamuestras para obtener
agregados orientados en los que se potencian las
reflexiones basales de los minerales laminares (figura
4):



Agregados orientados.
Agregados orientados solvatados con etilén-glicol.
o
Agregados orientados calentados a 550 C.
en función del estado de disgregación del material a
analizar.
El estudio mediante microscopía de luz reflejada
permite realizar las siguientes determinaciones
texturales:




Naturaleza, color, forma y extensión de las capas.
Espesor y superposiciones.
Interacción con el sustrato.
Presencia de inclusiones.
Esmectita
Figura 5. Sección transversal de una pátina, con
estructura multicapa, de yeso y oxalato cálcico sobre
caliza.
Illita/Moscovita
1000
Lin (Counts)
2.4 Microscopía electrónica de barrido
A.O. + 550 ºC
Caolinita
500
A.O. + E.G.
De los distintos tipos de microscopios
electrónicos existentes el de mayor interés para el
estudio de materiales pétreos es el microscopio
electrónico de barrido (SEM), acoplado habitualmente
con un sistema de microanálisis mediante
espectrometría de dispersión de energías de rayos X
(EDX).
En el SEM, un haz de electrones, bajo condiciones
de alto vacío y sometido a un voltaje de aceleración de
Interestr. Cl-Esm
200 V a 30 kV, se hace incidir sobre una muestra
Calcita
gruesa, opaca a los electrones, focalizándose sobre su
Cuarzo
superficie y barriéndola según líneas paralelas. Como
A.O.
consecuencia de la interacción de los electrones con la
muestra tienen lugar una serie de emisiones,
empleándose algunas de ellas para la obtención de
2-Theta - Scale
imágenes y otras para obtener información
complementaria: electrones secundarios, electrones
Figura 4. Secuencia de difractogramas de agregados
retrodispersados, electrones Auger, rayos X,
orientados utilizados para la identificación de los
catodoluminiscencia, ... El estudio y utilización de cada
minerales de la arcilla en el residuo insoluble de una
una de estas señales requiere que el microscopio esté
caliza.
dotado con los detectores apropiados.
Esmectita
0
2
10
20
30
File: Medico-2a.RAW
File: Medico-2a-AO.RAW
File: Medico-2a-EG.RAW
File: Medico-2a-Q.RAW
Calcite, syn - CaCO3
Quartz, syn - SiO2
Albite, ordered - NaAlSi3O8
2.3 Microscopía óptica de luz reflejada
Utilizaremos esta técnica para el estudio de capas
y superposiciones sobre la superficie de la piedra:
pátinas, policromía, revestimientos, costras, etc. (figura
5). Para su examen las muestras son incluidas en
probetas de resina, que son cortadas transversalmente
a la estructura de capas presente y, posteriormente,
pulidas. En muchos casos puede ser necesaria que la
inclusión en resina se realice bajo condiciones de vacío,
En su configuración más habitual los SEM
utilizados en estudio de materiales suelen estar
dotados con los siguientes detectores:

Electrones secundarios, utilizados para la
obtención de imágenes topográficas (imágenes
SE)..

Electrones retrodispersados, utilizados para la
obtención
de
imágenes
de
contraste
composicional (imágenes BSE).
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
Espectrómetro de rayos X: Los más utilizados´,
porsu versatilidad y rapidez, son los
espectrómetros de dispersión de energías.
Analizan la radiación X emitida por la muestra,
permitiendo conocer la composición elemental,
obtención de perfiles y mapas de distribución de
elementos. El umbral de detección de elementos
varía en función de los espectrómetros utilizados
(desde Z=5 -boro- en adelante).
esencialmente, de la información que se pretenda
obtener en el estudio:

La metalización con oro (u otros metales nobles
o sus aleaciones) es la más empleada cuando
prima el estudio textural de la muestra y se va a
trabajar, esencialmente, con imágenes obtenidas
con electrones secundarios, ya que la
metalización con este elemento facilita la
obtención de imágenes topográficas de alta
calidad y gran resolución. Deben tenerse en
cuenta, en este caso, las incidencias que la
película de oro puede generar sobre los
resultados de microanálisis ya que las líneas
espectrales de este elemento se incorporarán a
los espectros obtenidos pudiendo producirse
solapes de las líneas de algunos elementos
presentes en las muestras con las del oro.

El recubrimiento mediante evaporación con
carbono es el más indicado cuando en el trabajo
a realizar prima el microanálisis ya que su bajo
número atómico lo hace prácticamente
transparente a los rayos X emitidos por la
muestra. No presenta, además, solapes con otras
líneas espectrales. Como contrapartida la calidad
de las imágenes obtenidas es sensiblemente
inferior a las que proporciona el metalizado con
oro. Este tipo de recubrimiento conductor es el
que se utiliza cuando operamos sobre superficies
planas sobre las que trabajaremos aprovechando
las imágenes obtenidas con la señal de
electrones retrodispersados.
Preparación de muestras
Aunque las cámaras de los SEM más modernos
están preparadas para poder recibir muestras de
tamaño grande, no debe olvidarse que este tipo de
instrumentos está concebido para el estudio de
volúmenes pequeños de muestra, de los que se
extrae una considerable cantidad de información muy
detallada. El tamaño de la muestra seleccionada
debe, en consecuencia, ser acorde con esta
concepción, buscando la adecuada relación entre
dicho tamaño y el material objeto de estudio.
Las muestras a examinar pueden, básicamente,
subdividirse en dos grandes grupos:

Muestras “rugosas”, sobre las que estudiaremos
superficies de corte fresco (superficies de
fractura), superficies alteradas, productos de
alteración, etc.

Muestras con superficies pulidas (probetas
pulidas, láminas delgadas).
En el primero de los casos la preparación de las
muestras es mínima, recurriéndose a su fijación sobre
el portamuestras mediante un adhesivo conductor
que facilitará un buen contacto eléctrico a tierra y
evitará perturbaciones en la formación de la imagen
(movimientos de las muestras sobre el
portamuestras, pérdida de partículas,...). Los
adhesivos más utilizados son pinturas de carbono o
plata coloidal.
En las muestras no conductoras es preciso
proceder a la “metalización” de la superficie objeto
de estudio recubriéndola con una fina película
conductora de 10 a 25 nanómetros de espesor. Esta
operación tiene como objeto primordial evitar la
acumulación de cargas eléctricas durante el proceso
de irradiación con el haz de electrones, fenómeno
que dificulta notablemente la obtención de imágenes.
Las técnicas de metalización empleadas
habitualmente en el SEM son el “sputtering” con oro
o la evaporación con carbono. En ambos casos se
trata de operaciones sencillas y rápidas; la elección de
uno u otro sistema de metalizado depende,
Muchos de los problemas de preparación de
muestras aparecen solucionados en los microscopios
denominados ‘ambientales’ (ESEM) donde se puede
operar bajo condiciones de presión variable en la
cámara del microscopio, sin necesidad de aplicar
ningún sombreado conductor.
Imágenes de electrones secundarios (SE)
Las imágenes de electrones secundarios, aunque
no son las que aportan más variedad de información,
son las más ampliamente divulgadas, caracterizándose
por su alta resolución, gran magnificación (x30x300.000) y una gran profundidad de campo
(dependiente del grado de magnificación) (figura 6).
Las imágenes SE son las utilizadas habitualmente
en la obtención de imágenes de muestras con relieve o
rugosas, en el estudio de superficies de corte fresco,
fracturas, análisis textural, estudios de porosidad,
estados de superficie, seguimiento de tratamientos,
etc.
puede realizarse de diferentes formas: análisis
puntuales, análisis en línea, análisis secuenciales
siguiendo un programa de puntos preestablecidos o
análisis en áreas para caracterizar globalmente
determinadas zonas de la muestra.
Figura 6. Imagen d de cristales de yeso extraídos,
mediante lixiviado y recristalizado, de una roca
alterada.
Imágenes de electrones retrodispersados (BSE)
En las imágenes obtenidas con este tipo de
electrones aparecerán
con distinta intensidad
(distintos tonos de grises) las diferentes fases
presentes, conteniendo información acerca del nº
atómico de las distintas fases que componen la
muestra (contraste composicional), de su relieve
(contraste topográfico), cristalografía, ... Son
especialmente útiles cuando se trabaja con muestras
planas, superficies pulidas o cortes estratigráficos
(pátinas, costras,...) (figuras 8 y 11).
Figura 7. Microanálisis de una costra negra, donde se
identifican los elementos correspondientes al yeso (S,
O, Ca) y al material terrígeno retenido en la misma (Si,
O, Al, K, Mg, Fe). El Au detectado corresponde al
metalizado conductor aplicado.
Microanálisis de rayos X e imágenes X
Los rayos X son ondas electromagnéticas cuyos
valores de energía y de longitudes de onda son
característicos de los átomos que los han producido. El
análisis de esta emisión constituye un método seguro y
fiable de caracterizar los elementos presentes en una
muestra ya que se conoce la región de la que
proceden. Su detección es la base del microanálisis
(figura 7).
La profundidad de generación de los rayos X está
relacionada con la profundidad de penetración del haz
de electrones en la muestra. Esta penetración depende
de la energía del haz y del número atómico de los
elementos de la muestra (Z), decreciendo al aumentar
Z y aumentando al aumentar la energía del haz. La
determinación de la profundidad de penetración es
importante para estimar el volumen de muestra del
que procede la información que se analiza ya que en el
análisis de partículas muy pequeñas o capas muy
delgadas se puede producir excitación de los rayos X de
1
las zonas adyacentes o subyacentes . El microanálisis
1
El volumen efectivo de emisión de rayos X suele
3
oscilar entre 1-3 μm .
Figura 8. Imagen BSE y mapa de distribución de
elementos (Si, Al, S, Ca, Mg y K) en una arenisca con
un proceso incipiente de yesificación.
Diagnosis, alteraciones y evaluación de tratamientos en calizas y dolomías
La información que se obtiene puede ser utilizada
en varias formas: análisis cualitativo, perfiles de
distribución de elementos, análisis cuantitativo, e
imágenes X.
En las imágenes X se obtienen mapas de
distribución de los elementos que componen la
muestra (figura 8); se aprovecha para ello el propio
barrido de la sonda de electrones, seleccionando la
señal de rayos X correspondiente a la línea espectral
principal del elemento o conjunto de elementos que
queremos delimitar. Al igual que las imágenes de
electrones retrodispersados, las imágenes X tienen
especial interés en muestras en las que coexisten
diferentes fases, muestras pulidas, secciones
petrográficas o preparaciones.
Aplicaciones del SEM
En muchos aspectos podemos considerar el SEM
como una extensión del microscopio petrográfico que
nos va a permitir obtener información muy detallada
de la textura y composición de las partículas y granos
integrantes de una muestra y/o sus productos de
alteración, aunque sin las limitaciones en la
magnificación de las imágenes inherentes a la
microscopía óptica.
En el caso concreto de los materiales pétreos se
requiere, habitualmente, una caracterización básica,
textural y composicional, que se resuelve a través del
estudio petrográfico mediante microscopía óptica,
difracción de rayos X y estudios porosimétricos.
ejemplo), análisis de minerales traza, minerales
opacos, fábrica de partículas de arcilla (figura 9),
examen
de
contactos
intergranulares
o
intercristalinos o para obtener información de detalle
de los procesos de deterioro (alteraciones incipientes,
modificaciones texturales, caracterización de
partículas neoformadas, estudios fractográficos, ...),
etc.
Las sales solubles, responsables en muchos
casos de los procesos de deterioro de las rocas,
pueden presentarse en forma de criptoeflorescencias
no aflorantes que ocluyen el sistema poroso de las
rocas. Su detección, realizada habitualmente
mediante difracción de rayos X, puede ser
problemática por su baja concentración. Se suele
recurrir en estos casos a la obtención de un lixiviado
que se analiza mediante cromatografía, mediante
métodos conductivimétricos o se recristaliza y analiza
nuevamente mediante DRX. Se pierde, en cualquiera
de los casos, toda la información textural relativa al
material analizado (tamaños, formas y hábitos
cristalinos) y relaciones con el sistema poroso de la
roca, información fácilmente obtenible a través del
examen mediante SEM y de la que pueden extraerse
conclusiones de interés sobre los procesos de
deterioro (figura 10).
Figura 10. Imagen SE de una costra salina, muy
evolucionada, constituida por cloruro sódico y
potásico.
Figura 9. Detalle de envueltas filosilicatadas en los
cristales de dolomita en una dolomía.
En este contexto, el estudio petrográfico
convencional realizado sobre lámina delgada (aporta
una información bidimensional) puede completarse
mediante SEM para caracterizar rocas de grano muy
fino, micro o criptocristalinas (calizas micríticas, por
La porosidad constituye un componente
petrográfico esencial de las calizas y areniscas,
jugando un papel fundamental en la mayor parte de
los procesos de deterioro. Dentro de la configuración
de un sistema poroso es importante conocer no sólo
el volumen de poros sino su distribución porométrica
y el grado de interconexión entre los mismos,
características que condicionan en buena medida su
durabilidad. Su conocimiento permite predecir la
viabilidad de un posible tratamiento de
consolidación.
Una de las técnicas indirectas más empleadas en
la caracterización del sistema poroso es la
porosimetría de intrusión de mercurio, la cual ofrece
un amplio espectro de información al respecto
(volumen de poros, porometría, superficie específica)
obtenido sobre un volumen representativo de
muestra. Presenta, sin embargo, una serie de
limitaciones: una de ellas es la dificultad para
caracterizar los poros en "cuello de botella" (poros a
los que se accede a través de microporos); la
segunda limitación deriva de asumir, en los modelos
teóricos empleados para los cálculos, una forma de
poro cilíndrico, muy distante de la realidad ya que el
sistema poroso se configura habitualmente como un
sistema tridimensional extremadamente complejo.
Ambos problemas son resueltos mediante
observación directa en el SEM, el cual permite
caracterizar tamaños, formas e interconexiones en el
sistema poroso (figura 10); al mismo tiempo, si se
utiliza un programa de tratamiento de imágenes, es
posible su cuantificación.
El estudio de las patinas, naturales o artificiales,
costras y policromía se aborda en SEM mediante
examen de secciones transversales de la superficie de
la roca, previamente incluidas en resina y pulidas,
siendo especialmente interesante operar con
imágenes composicionales obtenidas a partir de la
señal de electrones retrodispersados que pondrán de
manifiesto la diferente composición de las capas
presentes (figura 10). Es igualmente interesante la
posibilidad de realizar mapas X con la distribución de
los elementos más significativos.
Figura 11 Imagen BSE de una sección estratigráfica en
la que se observa el soporte pétreo (arenisca) y una
capa de acabado superficial de yeso y albayalde.
En el examen mediante SEM de las costras
negras desarrolladas sobre piedra en aquellas zonas
de los monumentos expuestas a la contaminación
ambiental y protegidas del efecto de lavado de la
lluvia suelen aparecer, aglutinadas por un enrejado
de cristales lenticulares de yeso, gran diversidad de
partículas ambientales, responsables en muchos
casos del color de estas costras: material terrígeno,
polen, hifas y esporas de hongos, partículas de
combustión,... El estudio morfoquímico de estas
últimas partículas, procedentes de la combustión de
gasolinas, gas-oil, fuel-oil, carbones, calderas
domésticas,
actividades
industriales,
plantas
incineradoras, centrales térmicas, etc, presenta
especial interés, ya que puede permitir establecer
correlaciones entre las mismas y las fuentes de
emisión y actuar, si es posible, sobre su origen. Son
partículas con morfologías que oscilan desde esferas
perfectas (cenoesferas) a formas subesféricas porosas
o perforadas, con una composición química muy
variable, habitualmente compleja, y dependiente de
la fuente que las origina.
Uno de los campos donde el SEM se revela
especialmente útil es en la evaluación de los
tratamientos de limpieza,
hidrofugación y
consolidación. En el primero de los casos el SEM
permite conocer detalles sobre la naturaleza de la
piedra y del material a eliminar, grado de adhesión
sobre el soporte, interacciones del método de
limpieza con el soporte, formación de subproductos,
grado de limpieza que se desea alcanzar y estado final
de la superficie que ha sido limpiada (figura 12).
Figura 12. Cata de limpieza mediante láser sobre una
costra negra donde se observa el escalón producido
por la fotoablación. a) zona sin limpiar, b) zona
limpia.
En el caso de los tratamientos de hidrofugación
y/o consolidación el estudio mediante SEM de
probetas tratadas aporta información relativa a
Diagnosis, alteraciones y evaluación de tratamientos en calizas y dolomías
algunos parámetros esenciales: profundidad de
penetración, grado de distribución de los productos,
presencia o ausencia de películas o costras
superficiales de producto, interacción productosistema poroso, etc. (figura 13).
Figura 13. Detalle de la deposición de silicato etilo
sobre una caliza tratada con este producto.
2.5 Porosimetría de mercurio
La mayor parte de los procesos de alteración que
tienen lugar en las rocas aparecen vehiculados por el
agua que, introduciéndose en el sistema poroso,
induce por ella misma o a través del aporte de
contaminantes procesos de alteración química,
cristalización de sales, hielo, ... En este sentido es de
vital importancia obtener un conocimiento detallado
de la fábrica porosa y sus interrelaciones con los
procesos de deterioro.
Los porosímetros de mercurio se basan en los
fenómenos de capilaridad que gobiernan la
penetración de los líquidos en los poros pequeños. La
presión necesaria para introducir el mercurio es
inversamente proporcional al diámetro de los poros.
La relación inversa entre el diámetro de poro y la
presión aplicada es llama ecuación de Washburn, la
cual nos permite relacionar el diámetro de poro y
presión, con la tensión superficial y al ángulo de
contacto del mercurio:
D=-(1/P)4γcosφ
donde
D = diámetro de poro
P = presión aplicada
γ = tensión superficial
φ = ángulo de contacto
Los ensayos de porosimetría de mercurio
proporcionan pares de valores de presión de intrusión
y volumen de mercurio intruido que, mediante la
fórmula citada, permiten establecer relaciones entre
diámetro de poros y volumen poroso (figura 15). En
realidad la información que proporciona este ensayo se
refiere al diámetro de acceso a los poros (no siempre
coincidente con el diámetro de poro). Hay, por tanto,
que diferenciar entre el tamaño de los poros y el
tamaño de los accesos a los poros. Dado el control que
ejercen los accesos sobre los poros, el sistema poroso
estará constituido en su conjunto por:

Macroporosidad:
macroaccesos.

Microporosidad:
Macroporos y microporos
controlados por microaccesos.
Macroporos controlados por
Los ensayos suelen constar de una primera fase
de inyección, una fase de retroceso y una segunda
inyección. La comparación entre la 1ª y 2ª inyección
permite evaluar la porosidad atrapada (volumen de
mercurio intruido que no retorna tras la 1ª inyección).
El porosímetro de mercurio nos permite la
determinación rápida y fiable del volumen poroso total
y la distribución del volumen de poro en relación con el
tamaño, área total y distribución del área de poro.
También nos permite hallar la relación con la masa y la
densidad. El proceso reverso de extrusión permite
obtener
datos
adicionales,
incluyendo
la
caracterización de poros complejos.
Figura 14. Diagrama de distribución de poros en una
roca con una estructura microporosa bien definida en
el rango 0,1-1 μm.
3.
Petrografía de calizas y areniscas
Se entiende por patrón textural el conjunto de
características que, independientemente de la
composición mineralógica, nos permiten distinguir
entre distintos tipos de rocas. El término textura se
aplica a los aspectos geométricos (tamaños, formas)
e interrelaciones de los cristales o clastos y cemento
que forman una roca; dentro de este término
incluiremos la geometría del espacio poroso. Otros
aspectos a tener en cuenta son la estructura, que
describe la distribución y orden de los cristales o
clastos, tanto a nivel macroscópico como
microscópico, dentro de una roca y la fábrica, que
describe la forma en que se orientan espacialmente
los cristales o clastos no equidimensionales.
▪
Micrita: Carbonato microcristalino (< 5 µm)
(figura 15)
▪
Esparita: Cristales de calcita de tamaño superior
a 15 µm, constituyente de cementos y zonas
recristalizadas (figura 16).
▪
▪
Bioclastos: Fósiles, fragmentados o no
▪
Oolitos/Ooides: Partículas carbonatadas con
estructura concéntrica que se desarrolla en
torno a un núcleo central.
▪
Intraclastos: fragmentos de rocas carbonatadas
incorporadas al sedimento tras sufrir un
pequeño transporte dentro de la misma cuenca
de sedimentación.
Los componentes principales de las rocas
sedimentarias, dentro de las cuales se encuentran
tanto las calizas como las areniscas, pueden ser
clasificados en tres tipos:
▪
Terrígenos: Cristales, fragmentos de cristales y
fragmentos de rocas disgregadas preexistentes
▪
Ortoquímicos: formados
química directa.
▪
Aloquímicos: Materiales de origen químico u
órgano-químico, que han sufrido cierto
transporte en la cuenca de sedimentación,
depositándose como clastos
por
Pellets/peloides: Agregados orgánicos,
estructura interna, de origen fecal.
sin
precipitación
3.1 Rocas carbonatadas
Dentro de las rocas carbonatadas encontramos
dos grandes grupos: las calizas, constituidas
mayoritariamente por carbonato cálcico (calcita) y las
dolomías, constituidas mayoritariamente por
carbonato cálcico-magnésico (dolomita). Las dolomías
proceden en su mayor parte de calizas que han
sufrido un proceso de dolomitización.
Entre los distintos sistemas utilizados para la
clasificación de las rocas carbonatadas destacan las
clasificaciones de Dunham (1962) y Folk (1959, 1962)
por su mayor difusión a nivel mundial.
Figura 15. Imagen SE de recristalización esparítica
(e) rodeada por micrita (m).
Utilizando los porcentajes relativos de
ortoquímicos y aloquímicos la clasificación de Folk
establece tres grandes grupos (figura 17):
▪
Calizas micríticas (rocas con <10% de granos
aloquímicos), estableciendo una serie de
subgrupos en función del tipo de aloquímico
presente.
▪
Calizas aloquímicas (aloquímicos >10%),
estableciendo dos grandes subdivisiones en
función del tipo de ortoquímico que ocupa los
espacios intergranulares (calizas micríticas y
calizas esparíticas); estas son a su vez
subdivididas en función del tipo de aloquímico
dominante:
Clasificación de Folk
La clasificación de Folk se basa en las
proporciones relativas de los constituyentes
principales: ortoquímicos (matriz micrita y cemento
esparítico) (figura 15)
y granos aloquímicos
(bioclastos, ooides, peloides e intraclastos) (figura
16):
▪
▫
Intraesparitas, ooesparitas, bioesparitas,
biopelsparitas, pelsparitas.
▫
Intramicritas, oomicritas,
biopelmicritas, pelmicritas.
biomicritas,
Biolititas o rocas con estructuras arrecifales o
biohérmicas.
Diagnosis, alteraciones y evaluación de tratamientos en calizas y dolomías
Clasificación de Dunham
▪
Esta clasificación establece dos grandes grupos
de rocas carbonatadas, aquellas en las que las
texturas deposicionales son reconocibles y las que no
lo son (calizas cristalinas). Dentro del primer grupo se
realizan una serie de subdivisiones en función del
porcentaje relativo de lodo micrítico y de la
estructura granosoportada o granosostenida de los
granos aloquímicos (figura 18):
Mudstone: Matriz micrítica
Porcentaje de aloquímicos <10%.
▪
Wackstone: Matriz micrítica dominante.
Porcentaje de granos aloquímicos <10%
▪
Packstone: Granos aloquímicos con estructura
granosoportada y matriz micrítica intergranular.
▪
Grainstone: Granos aloquímicos con estructura
granosoportada sin matriz.
▪
Boundstone: Término equivalente a las biolititas
de Folk
dominante.
Figura 16. Elementos texturales utilizados en la clasificación de Folk de rocas carbonatadas: a) micrita, b)
microesparita, c) esparita, d) bioclastos, e) ooides, f) peloides, g) intraclastos
Ooesparita
Oomicrita
>3:1
Bioesparita
Biomicrita
3:11:3
Biopelsparita
Biopelmicrita
<1:3
Pelsparita
Pelmicrita
Micrita con
intraclastos
Micrita con
ooides
Micrita con
bioclastos
Micrita con
peloides
Figura 17. Clasificación de rocas carbonatadas (FOLK)
< 1%
Estructura
biohérmica
Intramicrita
1-10%
Biolitita
Micrita>Esparita
Aloquímico dominante
Esparita>Micrita
Intraesparita
Ooides > 25%
Ooides < 5%
< 25% intraclastos
Intraclastos > 25%
Aloquímicos <10%
Micrita - Dismicrita
Aloquímicos > 10%
Componentes originales no aglutinados orgánicamente durante la deposición
Presencia de lodo carbonatado
Sin lodo
Estructura grano-flotante
Estructura grano-soportada
Aloquímicos < 10%
Aloquímicos > 10%
Mudstone
Wackstone
Packstone
Grainstone
Componentes
aglutinados
orgánicamente
Boundstone
Figura 18. Clasificación de rocas carbonatadas (DUNHAM)
3.2 Areniscas
Las areniscas son rocas sedimentarias detríticas
formadas mayoritariamente por clastos de tamaño
arena (2 mm – 1/16 mm).
Grava/
Conglomerados
> 2 mm
Arena muy
gruesa
2-1 mm
Dentro de este intervalo se realizan una serie de
subdivisiones cuyas denominaciones aparecen
reflejadas en la figura 19.
Arena / Areniscas
Arena
Arena
Arena
gruesa
media
fina
0,251-0,5 mm
0,5-0,25
0,125
Arena muy
fina
0,1250,062
Limo /
Limolitas
Arcilla /
Arcillitas
0,0620,004
< 0,004
mm
Figura 19. . Tamaños de grano y clases granulométricas en las rocas detríticas.
El patrón textural en las rocas detríticas, y por tanto
en las areniscas, queda definido por los siguientes
elementos:
▪
▪
▪
▪
▪
Tamaño de grano
Distribución de los tamaños
Forma de los clastos
Madurez textural
Empaquetamiento
La distribución de tamaños refleja las
condiciones de transporte y sedimentación de la roca
y se relaciona con la dispersión de tamaños. La forma
habitual de cuantificarla es mediante un parámetro
estadístico, el ‘sorting’.
La forma de los clastos, descrita mediante
índices de redondez y esfericidad, refleja, asimismo,
las condiciones y distancia de transporte del
sedimento.
La madurez textural refleja igualmente las
condiciones del transporte del sedimento. Una
arenisca muy madura presenta una granulometría
muy fina y uniforme, alto grado de redondez y
esfericidad y nulo contenido en matriz intergranular.
La mineralogía de los clastos también guarda relación
con la madurez del sedimento, enriqueciéndose en
cuarzo en la medida en que se van eliminando los
minerales más alterables (ferromagnesianos,
plagioclasas, feldespatos, micas).
Los espacios intergranulares pueden ser
reducidos notablemente durante los procesos
diagenéticos posteriores a la sedimentación de las
areniscas, dando lugar a distintos grados de
empaquetamiento de los granos de la roca, desde
estructuras grano-flotantes, donde los granos
aparecen rodeados por matriz más fina, hasta granos
con contactos interpenetrados o suturados.
La presencia de matriz, entendiendo como tal el
material arcilloso sedimentado conjuntamente con
los granos de tamaño arena, condiciona
sustancialmente las características de la arenisca, en
particular su sistema poroso y las propiedades que de
él dependen. La clasificación de areniscas más
utilizada es la de Folk (1974), donde se establecen dos
grandes grupos en función del contenido de matriz:
Diagnosis, alteraciones y evaluación de tratamientos en calizas y dolomías
▪
Arenitas: Areniscas con un contenido de
matriz<15%.
▪
Grauvacas: Areniscas con un contenido >15%.
Dentro de cada grupo se establecen una serie
de
subgrupos (figura 20) en función de la
composición de los granos del esqueleto:
Q: clastos de cuarzo (incluyendo fragmentos de
cuarcitas).
F: clastos de feldespato potásico, plagioclasas y
fragmentos de roca granítica o gnéisica.
FR: fragmentos de roca (excepto los contemplados
en los anteriores apartados), incluyendo los granos de
chert.
En los aspectos relativos a la cementación, se
entiende por cemento el material precipitado
durante los procesos de diagénesis; habitualmente
suele ser carbonatado pero también existen
cementos silíceos, ferruginosos, arcillosos (figura 23),
fosfatados, yesíferos, etc.
Figura 20. Clasificación de arenitas y grauvacas (Folk). Q: clastos de cuarzo y fragmentos de cuarcita. F:
feldespato potásico, plagioclasas y fragmentos de rocas graníticas y gnéisicas. FR: fragmentos de roca y chert.
Arenitas: 1) Cuarzoarenita, 2) Subarcosa, 3) Sublitarenita, 4) Arcosa, 5) Arcosa lítica, 6) Litarenita feldespática, 7)
Litarenita
Grauvacas: 1) Cuarzograuvaca, 2) Grauvaca feldespática, 3) Grauvaca lítica
4
consolidación, productos de metabolismo orgánico,
fugas en redes de saneamiento, etc.
Alteración de calizas y areniscas
La alteración de las rocas es un proceso geológico
natural e irreversible cuyo fin último es recuperar el
equilibrio estas y el medio en que se insertan mediante
un conjunto de procesos de origen físico, químico o
biológico (habitualmente simultáneos) que dan lugar a
cambios en su estructura interna (altarción física) o
cambios en su composición (alteración química).
Desde el punto de vista de conservación de la piedra
monumental es preciso señalar que la alteración no
implica siempre deterioro (desarrollo de pátinas de
envejecimiento, por ejemplo).
Los procesos de alteración van a estar
directamente
condicionados
tanto
por
las
características petrofísicas de la roca como por el
conjunto de parámetros ambientales que caracterizan
el entorno directo del monumento (humedad,
temperatura, viento, seres vivos, contaminación,
incluidos los parámetros de origen antrópico, entre los
que hay que señalar los defectos de mantenimiento,
intervenciones, etc.
La humedad, ya sea en forma de lluvia,
condensación, humedad capilar o humedad
higroscópica, constituye un factor de alteración de
primer orden por estar relacionada con la mayor parte
de los procesos de alteración tanto física como
química, siempre en estrecha relación con las
características del sistema microporoso de la roca:
▪
▪
Erosión mecánica
▪
▪
▪
▪
▪
Congelación
Disolución,
cristalización,
movimiento de sales solubles.
hidratación
y
Dentro de las sales más habituales en la piedra
monumental hay que señalar:
Cloruros: halita [NaCl], silvina *KCl+, …
Sulfatos: yeso [CaSO4.2H2O], epsomita [MgSO4.7H2O],
pentahidrita [MgSO4.5H2O], kieserita [MgSO4.H2O],
mirabilita [Na2SO4.10 H2O],
tenardita [Na2SO4],
glauberita [Na2Ca(SO4)2], singenita [K2Ca(SO4)2H2O],
bloedita [Na2MgSO4.4H2O], ...
Nitratos: nitro [KNO3], nitratina [NaNO3], …
Carbonatos: calcita [CaCO3], natrón [Na2CO3.10H2O],
termonatrita [Na2CO3. H2O], trona [Na3H(CO3)2.H2O],
kalicinita [KHCO3 ], …
Oxalatos: weddellita [Ca(C2O4).H2O],
whewellita
[Ca(C2O4).2H2O].
Las sales se mueven a través del sistema poroso
de las rocas en forma de soluciones salinas que
cristalizarán cuando se alcancen soluciones de
sobresaturación, generalmente mediante evaporación
superficial o subsuperficial. Las tensiones generadas
durante este proceso superan ampliamente la
resistencia a tracción de la mayor parte de las rocas
constituyendo uno de los mecanismos de deterioro
físico más rápidos y efectivos, dando lugar a un elenco
amplio de morfologías: disgregaciones, arenizaciones,
alveolizaciones,exfoliaciones, levantamiento de placas,
etc. (figuras 21 y 22). Las mayores tensiones tienen
lugar en los sistemas microporosos finos (0,1-1 µm). La
actuación de las sales puede ser cíclica, retirándose
hacia zonas interiores de la roca cuando las
condiciones termohigrométricas exteriores las
solubilicen de nuevo.
Expansión hídrica
Aporte de contaminantes.
Desarrollo de seres vivos
Alteración química
4.1 Humedad y sales solubles
De todos estos factores, por sus efectos a corto y
medio sobre rocas porosas, como las calizas y las
areniscas, y por la dificultad para su erradicación, es
necesario prestar una atención especial a las sales
solubles.
Su origen puede ser muy variado: iones lavados
por el agua en rocas meteorizadas y suelos, materiales
de construcción (ladrillos, morteros), contaminantes
atmosféricos, sales utilizadas en deshielo, productos y
subproductos de tratamientos de limpieza y
Figura 21. Detalle del empuje producido por sucesivas
fases de cristalización en una costra salina de cloruro
sódico y potásico.
Diagnosis, alteraciones y evaluación de tratamientos en calizas y dolomías
El efecto de algunas sales, por presentar distintos
estados
de
hidratación
(tenardita/mirabilita,
kieserita/pentahidrita/epsomita) puede ser mucho más
dañino al sumarse las presiones de hidratación a las de
cristalización.
Las sales más higroscópicas generan, por último,
manchas de humedad por retención de agua en los
frentes salinos.
Los daños producidos por las sales, cuando
proceden de humedades de ascenso capilar, suelen
presentar estratificación vertical, según secuencias
acordes a las distintas solubilidades de cada una de las
fases. Las más insolubles precipitarán en la proximidad
de los zocalos, registrándose los mayores daños a
cierta altura del suelo, lugar donde se suceden con
mayor frencuencia los ciclos de disolución y
cristalización de las fases más solubles.

Movilidad de sales solubles. Las zonas de un
monumento que suelen presentan daños
mayores suelen ser las zonas expuestas a
oscilaciones térmicas, propensas a ciclicidad de
cristalización de sales, mientras que las zonas
umbrías,
menos
insoladas,
mantienen
condiciones mucho más estables, aunque con
mayor desarrollo de biocolonizaciones.
4.3. Humedad – sequedad
Los ciclos de humectación y secado pueden ser
un importante factor de deterioro a medio y largo
plazo, que afectará de forma preferente a la matriz
arcillosa de algunas areniscas, especialmente si en la
misma aparecen concentraciones de arcillas
esmectíticas con carácter expansivo, produciendo
ciclos de expansión-contracción que pueden disgregar
la roca.
En otras ocasiones la presencia de cementos de
arcillas
absorbentes
(sepiolita,
paligorskita)
condicionará el comportamiento hídrico de la roca,
facilitando la absorción de humedad y dificultando los
procesos de secado. Este tipo de arcillas son
relativamente frecuentes en algunos tipos de areniscas
(figura 23), siendo más rara su presencia en rocas
carbonatadas .
Figura 22. Detalle de la zona superior del frente de
cristalización de sales en sillares de arenisca del
Monasterior de Suso (La Rioja).
4.2 Temperatura y deterioro
El papel de la temperatura en los procesos de
deterioro físico de las rocas debe ser abordado tanto
desde el punto de vista de los valores absolutos como
de las oscilaciones térmicas, interviniendo de forma
directa o indirecta en diversos procesos de deterioro:





Fatiga térmica inducida por la baja conductividad
térmica de las rocas.
Crioclastia asociada a períodos de congelación
bajo condiciones de saturación de humedad
Fomento del biodeterioro
Aportes de humedad y contaminantes por
condensación atmosférica.
Dilatación de anclajes metálicos
Figura 23. Detalle del cemento fibroso de paligorskita,
altamente absorbente, en las areniscas de Toro.
4.4. Alteración química en calizas y areniscas
El conjunto de procesos de alteración química en
una roca dará lugar a un residuo formado por
minerales resistentes a la alteración química, minerales
neoformados como consecuencia de la alteración y
fases solubles que serán eliminadas en los sucesivos
procesos de lavado.
Dentro de este tipo de procesos prestaremos
especial atención a la disolución en medio ácido, que
afecta tanto las rocas carbonatadas como a los
elementos carbonatados (granos y/o cementos) en
areniscas).
Hay que recordar que el carbonato cálcico es muy
poco soluble en agua pura (0,0013 g/100 ml),
aumentando exponencialmente su solubilidad con la
acidez, y que el agua de lluvia no es neutra,
presentando un pH<5,6, acidificándose por la
incorporación de ácidos ambientales. En ambientes no
contaminados la acidez es producida por el ácido
carbónico formado a partir de la disolución en el agua
de lluvia del CO2 atmosférico, mientras que en zonas
contaminadas existe una fuente importante de ácido
sulfúrico procudido a patir de la oxidación y posterior
disolución en agua del SO2.
El ácido carbónico, al actuar sobre el carbonato
cálcico, dará lugar a la formación de bicarbonatos
solubles que pueden ser lavados por la lluvia y
reprecipitar posteriormente generando nuevamente
carbonato cálcico, según la reacción:
CO2 + H2O + CaCO3
2+
-
Ca + 2HCO3
La acción del ácido sulfúrico ambiental es mucho
más agresiva generando como subproducto de su
actuación costras de sulfatación, características de
ambientes contaminados, constituidas por enrejados
de yeso neoformado que suelen incorporar en su
estructura diversas partículas ambientales que les
confieren el color negro habitual (figura 24). Estas
costras de yeso no pueden ser catalogadas como
eflorescencias ya que se originan a expensas del
sustrato pétreo, el cual suele aparecer muy disgregado
y ampollado; no obstante, este yeso puede ser
removilizado en solución por el agua de lluvia y
producir, además, daños similares a los de otras sales.
Otras formas de ataque ácido en calizas y
areniscas aparecen en el transcurso de limpiezas con
medios ácidos:




Bifluoruro amónico, dando lugar a la formación
de costras insolubles de fluoruro cálcico.
Ácido fosfórico, dando lugar a costras de fosfato
cálcico.
Ácido oxálico, dando lugar a la formación de
costras de oxalatos de cálcico.
Ácidos acético, fórmico, clorhídrico, …
Figura 24. Detalle de costra negra desarrollada sobre
‘piedra de Hontoria’ (a), sección estratigráfica donde
se observa el ampollamiento de la costra y el estado
de deterioro del sustrato calizo (b) e imagen SE del
enrejado de cristales de yeso neoformado (c).
Otras formas de ataque químico reseñables son
los procesos de oxidación e hidrólisis.
La oxidación afecta, esencialmente a los
minerales ferromagnesianos (olivino, piroxeno,
hornblenda, augita, ...) dando lugar a productos
complejos con alto contenido en hematites y
oxihidróxidos de hierro. Este proceso sólo puede
desarrollarse si hay una fase previa de hidrólisis. Estos
minerales no aparecen en rocas carbonatadas, siendo
muy rara su presencia en areniscas.
La alteración de sulfuros metálicos como la pirita
(presente como mineral accesorio en muchas rocas)
genera óxidos, oxihidróxidos de hierro y ácido sulfúrico
según la reacción:
FeS + O2 + H2O → Fe2O3 + H2SO4
La hidrólisis, por último, es el mecanismo de
alteración que se desarrolla sobre los silicatos más
complejos que, como los feldespatos, se descomponen
Diagnosis, alteraciones y evaluación de tratamientos en calizas y dolomías
+
por reacción (muy lenta) con los iones H del agua
disociada, los cuales se introducen en las complejas
estructuras cristalinas y descomponen el mineral. Es
+
reforzada por la presencia de iones H procedentes de
la disociación del ácido carbónico en el agua.
+
-
2KAlSi3O8 + 2(H +HCO3 ) + H2O →
+
Al2Si2O5(OH)4 + 2K + 2HCO3 + 4SiO2
El efecto final de la hidrólisis es la eliminación de
+
+
2+
2+
cationes Na , K , Mg , Ca y el enriquecimiento del
residuo en sílice, alúmina, óxidos y oxihidróxidos de
hierro. Es un mecanismo de alteración que no tiene
lugar en las rocas carbonatadas, pudiendo afectar,
aunque con una evolución muy lenta, a los granos de
feldespatos y plagioclasas de las areniscas.
5 Evaluación
consolidación
de
tratamientos
de
transformación sustancial, transformación que,
en ocasiones, puede aumentar o potenciar los
riesgos de deterioro existentes.
5.2 Requisitos ideales que debe reunir un
tratamiento de consolidación
Los tratamientos de consolidación deben reunir
una serie de requisitos ideales debiendo señalarse
que la roca a tratar y el producto utilizado
constituyen
un
binomio
que
se
evalúa
conjuntamente; el cumplimiento de algunos de estos
requisitos no depende única y exclusivamente de las
características del producto seleccionado, sino de la
aptitud de la roca que está siendo tratada para recibir
dicho producto y del método y condiciones de
aplicación.

Deben producir una mejora efectiva de las
propiedades mecánicas del material tratado
con respecto al material alterado sin tratar.

El producto debe penetrar en profundidad,
parámetro que podemos considerar de vital
importancia al evaluar un tratamiento. Aunque
podemos encontrar rocas que presentan un
comportamiento excepcional frente a los
tratamientos, lo normal es que la penetración
del producto oscile entre unas micras y unos
milímetros, estando condicionada por la
porometría del material tratado (tamaño y
forma de los poros, grado de interconexión,
tortuosidad, etc.), siendo inversamente
proporcional a la viscosidad del producto
utilizado.

Las modificaciones producidas en el sistema
poroso de la roca garantizarán la continuidad,
aunque reducida, de la transferencia de
humedad hacia el exterior.

No debe generar películas o depósitos
superficiales. La aparición de dichas películas o
depósitos constituye uno de los problemas que
se presentan con más frecuencia en el
tratamiento de las rocas. Dichas películas son
consecuencia de una deficiente penetración
derivada del exceso de viscosidad de los
productos utilizados o, en el polo opuesto, del
arrastre hacia superficie que producen los
disolventes durante su evaporación. Como
consecuencia de este problema, la roca tratada
ve total o parcialmente reducida su capacidad
de transferencia de humedad hacia el exterior
5.1 Introducción
Entendemos por tratamiento de consolidación
el proceso de mejora de las propiedades mecánicas
de una roca alterada mediante la aplicación
superficial de un producto líquido que penetra de
forma natural en su interior, donde polimeriza o
fragua, recuperando la cohesión intergranular al
tiempo que adhiere las zonas alteradas al substrato
inalterado. En esta definición quedan reflejados los
múltiples problemas y parámetros que lleva
aparejado un tratamiento de este tipo:






Es un proceso que se inicia con una etapa de
preparación de la superficie pétrea a tratar,
eliminando la suciedad, desalando, ..., para
recibir un determinado producto.
El producto a emplear debe haber sido
previamente seleccionado mediante ensayos
de laboratorio.
Las condiciones ambientales deben ser
compatibles con el producto a aplicar.
Aunque en casos excepcionales pueden
recurrirse a una consolidación bajo condiciones
de vacío, lo habitual es que el único medio
disponible para introducir el producto
consolidante en el seno de la roca alterada sea
la succión capilar ejercida por su sistema
poroso.
El proceso de fraguado puede ser muy lento,
desde días hasta semanas.
El sistema poroso de la sección de la roca
afectada por el tratamiento sufre una
al tiempo que se potencia, caso de existir
movimiento de sales solubles, un proceso de
sobresaturación bajo la película que
degenerará
en
ampollamientos
y
disgregaciones generalizadas.

La distribución del producto debe ser uniforme,
alcanzando el sustrato inalterado. Se evitará la
formación
de
zonas
subsuperficiales
endurecidas que, como consecuencia de su
comportamiento diferencial frente a las zonas
no tratadas, pueden originar, a corto o medio
plazo, desplacaciones y pérdidas del material
tratado dejando al descubierto nuevas zonas
alteradas.

Se producirá una disminución de alterabilidad
de la roca tratada frente a la roca sin tratar,
puesta de manifiesta mediante una mejora de
la respuesta de la roca ante los ensayos de
alteración acelerada.

El producto aplicado debe ser compatible con
la piedra, tanto desde el punto de vista físico
(con objeto de evitar tensiones derivadas de
diferentes coeficientes dilatométricos, etc...)
como químico, evitándose aquellos productos
que puedan interaccionar con ella.

El proceso de consolidación no debe generar
subproductos indeseables.

Ausencia de alteraciones cromáticas (brillo,
color, ...), debidas a los depósitos superficiales
del producto o a la acción de agentes externos
(radiación ultravioleta, microorganismos, ..).

Reversibilidad del tratamiento, condición difícil
de cumplir una vez que el producto aplicado
haya fraguado o polimerizado en el interior de
la piedra.

Otras propiedades de interés hacen referencia
a una fácil manipulación, ausencia de toxicidad,
período de caducidad, condiciones de
almacenamiento, etc.
Resulta obvio que no existe ningún tratamiento
que cumple estas condiciones ideales. A estos
requisitos deben sumarse otros, específicos del
producto elegido, que suponen, en general, una
mayor limitación a las posibilidades de aplicación
(ausencia de sales en el soporte pétreo, márgenes de
temperatura y humedad durante la aplicación , ...).
Como apoyo a estas consideraciones reproducimos el
apartado relativo a Consolidación superficial
elaborado durante las Jornadas sobre Criterios de
2
Intervención en Materiales Pétreos (IPHE, 2002) :
Objetivo
Los tratamientos de consolidación superficial de los
materiales pétreos perseguirán la restitución –en la
medida de lo posible- de la cohesión mecánica
superficial perdida, buscando la máxima penetración
del producto, la adhesión entre la zona alterada y
sana de la piedra , evitando la formación de películas
superficiales.
Requisitos previos
La aplicación del consolidante nunca se hará de forma
indiscriminada; deberá ajustarse al principio de
mínima intervención, reduciéndose a aquellos
elementos o zonas que, por su estado de alteración, lo
requieran, y siempre que no suponga un riesgo para
la conservación de los materiales.
Los productos empleados no alterarán en ningún caso
las características estéticas ni cromáticas de la obra
(aspecto, brillo, color).
La consolidación se realizará con productos y métodos
que no alteren las propiedades físico-químicas del
material pétreo; no deberán dejar residuos que
puedan dañar el soporte y no darán lugar a la
formación de productos nocivos al envejecer, deberán
tener, además, un coeficiente de dilatación térmica
similar al del material pétreo.
Para la selección del producto y el sistema de
aplicación se realizarán una serie de ensayos
normalizados que determinen las variaciones de las
propiedades petrofísicas de la piedra tratada con
respecto a la piedra sin tratar (permeabilidad al vapor
de agua, penetrabilidad, absorción, porosimetría de
mercurio y microscopía electrónica de barrido,
propagación
de ultrasonidos,
envejecimiento
acelerado, etc...). El criterio para la selección de
piedra para probetas será el descrito en el apartado 2
“Estudios a realizar”:
En los aspectos relativos a caracterización
petrofísica de la piedra y estudios de viabilidad y
durabilidad de tratamientos, se recomienda el
empleo de piedra procedente del propio
monumento, recurriéndose par ello a sillares
2
El documento íntegro con las conclusiones de
las distintas mesas de especialistas participantes en
dichas Jornadas aparece publicado como anexo del nº
2 de la revista Bienes Culturales (IPHE, 2003).
Diagnosis, alteraciones y evaluación de tratamientos en calizas y dolomías
que, por su estado de deterioro, deban ser
retirados o a materiales de desecho, habituales
en los grandes monumentos. En el caso de que
esto no fuera factible, se utilizará material
pétreo procedente de la misma formación
geológica, preferiblemente de la cantera
histórica que se empleó para levantar el edificio
histórico. ....//....
Se emplearán productos que hayan sido previamente
ensayados en laboratorio en materiales del
monumento. La selección de un determinado
producto deberá realizarse tras la consideración de
varias opciones.
riesgo de formación
superficiales.
de
películas
o
costras
En los casos en que tras un tratamiento de
consolidación se proceda a una hidrofugación es
aconsejable utilizar productos del mismo fabricante.
Considerando la importancia de las condiciones, del
sistema y modo de aplicación en el resultado final del
tratamiento, los productos serán manipulados por
restauradores especializados.
Se efectuarán controles de eficacia del tratamiento
durante el desarrollo de las operaciones.
Se desaconseja el uso de productos con propiedades
mixtas (consolidantes-biocidas) en tanto no se
especifique en el etiquetaje los biocidas empleados.
Productos cuya utilización se recomienda evitar por su
comprobada capacidad de generar nuevas sales o de
formar películas nocivas
En aras del control de calidad de los materiales
empleados, se debe emplear productos con etiqueta
de composición, recomendándose el uso de productos
originales –no modificados por intermediarios- y el
seguimiento de las instrucciones de uso del propio
fabricante-
Aluminato de potasio. El aluminato se hidroliza y
da lugar a la formación de óxido de aluminio con
efecto consolidante. Tiene la desventaja que durante
la hidrólisis se forma también hidróxido de potasio,
que a su vez puede transformarse en carbonato
potásico y en ciertos casos en sulfato potásico, sales
muy dañinas para la piedra.
Los productos consolidantes deberán aplicarse
cuando existan garantías de que los problemas de
humedad, derivados de la ascensión capilar o de un
deficiente funcionamiento de los sistemas de recogida
y evacuación de aguas, así como los movimientos de
sales solubles que puedan afectar a algunas zonas se
hayan erradicado.
De igual forma, deberá tenerse en cuenta que las
condiciones de temperatura y humedad, tanto
ambientales como del soporte, sean las adecuadas
para garantizar una correcta aplicación del producto,
según recomendaciones del fabricante, así como que
se haya procedido previamente a la limpieza y
desalinización del soporte.
Consideraciones y recomendaciones
La superficie del material pétreo no es una superficie
de sacrificio. Todo tratamiento de consolidación
superficial altera esta superficie, con frecuencia de
forma irreversible. La aplicación de un producto
consolidante no puede ser considerada una operación
rutinaria sino excepcional, debiendo tenerse en
cuenta que se actúa con carácter irreversible sobre el
sistema poroso de la roca, modificando su capacidad
de transferencia de humedad y existiendo un alto
Silicatos de sodio y potasio. Forman sales
solubles al precipitar debido a que los catalizadores
que se añadían para la hidrólisis contenían ácido
clorhídrico (HCl). Se ha podido comprobar que la
utilización de estos productos sobre rocas
carbonatadas
da lugar a la precipitación de
carbonato de sodio o potasio.
Fluosilicatos de magnesio, cinc o aluminio, muy
utilizados en los años 60. Reaccionan con los
carbonatos del soporte formando un gel con
propiedades consolidantes e hidrófobas. Como
subproducto de la reacción se forman fluoruros de
calcio y carbonatos de magnesio, cinc o aluminio.
Forman costras muy duras sobre la superficie de la
piedra, de escasa penetración.
5.3 Evaluación de tratamientos
En líneas generales, los ensayos a realizar
tendrán como finalidad la evaluación de las
variaciones habidas en las propiedades petrofísicas
de la roca tras la aplicación de los tratamientos,
repitiéndose los ensayos realizados sobre la roca sin
tratar, siendo necesario valorar, además, el grado de
penetración y forma de deposición de los productos
aplicados.
La evaluación puede realizarse sobre superficies
discretas del propio monumento en los que haya sido
aplicado un tratamiento o sobre probetas que son
sometidas a ensayos en laboratorio.
En el primero de los casos la evaluación debe
realizarse a partir de ensayos no destructivos ya que
es la roca original la que se emplea como superficie
de experimentación. Dichos ensayos quedan
restringidos a estudios colorimétricos, medidas de la
absorción de agua mediante el método de la pipeta o
tubos Karsten o medidas de propagación de
ultrasonidos y, si es posible, un examen del estado
final de las superficies tratadas mediante microscopía
electrónica de barrido.
En los ensayos de tratamientos realizados sobre
probetas es deseable que las pruebas se realicen
sobre superficies de roca alterada, procedente del
propio monumento, con objeto de obtener en
laboratorio una respuesta similar a la que se
produciría in situ. Ello obedece a que pueden existir
diferencias apreciables entre el comportamiento de la
piedra recién extraída de cantera y la del
monumento, por haber experimentado esta última
un proceso de envejecimiento natural, lento y
dilatado en el tiempo, además de los cambios
inducidos por los procesos de deterioro. A pesar de
estas consideraciones es preciso señalar que, en la
práctica, podremos encontrar dificultades para el
desarrollo de ensayos normalizados sobre superficies
alteradas si estas son muy irregulares.
producidas, el grado de homogeneidad alcanzado en
la consolidación, el tipo o tamaño de poros que
facilitan o limitan el avance del consolidante y la
eventual formación de películas o costras
superficiales o subsuperficiales. En el estudio o
revisión del estado de antiguos tratamientos puede
ser interesante evaluar el grado de deterioro
superficial experimentado.
El examen se realizará tanto sobre la propia
superficie de aplicación como sobre secciones
transversales de la misma.
Figura 25. Detalle de la concentración superficial de
producto en un tratamiento con silicato de etilo sobre
piedra de Hontoria.
Por las mismas razones antes expuestas, el
empleo de probetas envejecidas artificialmente en
laboratorio no puede ser considerado como una
alternativa al uso de piedra envejecida y alterada de
forma natural.
Es recomendable que los métodos y condiciones
de aplicación de los productos en laboratorio se
aproximen a las posibilidades que pueda ofrecer su
aplicación in situ, huyendo de sofisticaciones que no
puedan posteriormente ponerse en práctica y
recordando que el control y estabilidad de
parámetros ambientales existente en un espacio
cerrado y controlado como el de un laboratorio no
pueden reproducirse al trabajar al aire libre.
Examen del grado de penetración y distribución de
los productos aplicados
El objetivo de estos exámenes será la
determinación de la profundidad alcanzada por los
productos aplicados, las morfologías de deposición
Figura 26. Tratamiento con silicato de etilo sobre
arenisca donde se han señalado los meniscos de
deposición intergranular del producto.
El instrumento que más información facilita al
respecto es el microscopio electrónico de barrido ya
que las posibilidades de magnificación que ofrece nos
permiten evaluar los efectos producidos a nivel de
microporos, al tiempo que se observa de forma
directa las morfologías de deposición (figuras 25 y
26). El uso combinado del SEM con un sistema de
Diagnosis, alteraciones y evaluación de tratamientos en calizas y dolomías
microanálisis puede facilitar el examen al permitir
identificar composicionalmente algunos de los
tratamientos en base a algún elemento característico
(p. ej.: identificación de silicio en los tratamientos con
silicato de etilo sobre rocas carbonatadas) (figura 27).
No obstante, es preciso señalar que la visualización
de algunos tratamientos puede ser extremadamente
difícil en rocas de grano fino o si la deposición del
producto se ha producido de forma dispersa y/o con
carácter filmógeno, por la dificultad de distinguir
texturalmente los depósitos del producto de las
partículas minerales.
Evaluación de la mejora en las propiedades
mecánicas
La mejora de las propiedades mecánicas puede
ser evaluada mediante ensayos mecánicos
convencionales (compresión simple, tracción,
flexotracción,...) si bien, dada la escasa penetración
que suelen presentar los productos consolidantes
frente al conjunto de la probeta ensayada, este tipo
de ensayos no constituye la mejor vía para reflejar
dichas mejoras.
Como alternativa puede recurrirse a la
realización de ensayos de desgaste superficial por
rozamiento,, a medidas de dureza superficial
(microdureza Knoop, Vickers, ...) o a medidas de
propagación de ultrasonidos o ‘microdrilling’. Esta
última técnica permite, además, si la roca es
homogénea, obtener un perfil del grado de
penetración en profundidad del producto aplicado.
Variación de las propiedades hídricas
Las modificaciones que experimenta el sistema
poroso de una roca que ha sido sometida a un
tratamiento de consolidación (saturación total o
parcial de los poros, modificaciones de los radios de
acceso, oclusión selectiva de los tamaños menores,
...) se traducen, de forma directa, en una variación de
sus propiedades hídricas (absorción, desorción,
succión, ...) por lo que la medida de dichos
parámetros nos proporciona información de dichas
modificaciones.
Figura 27. Mapa de distribución del calcio (roca) y
silicio (silicato de etilo) en el cemento esparítico de
una caliza tratada con este consolidante.
En ocasiones puede ser muy útil, cuando el
producto ha generado un retículo microscópico
continuo, recurrir al ataque ácido de la roca y
examinar el residuo obtenido. Obviamente este
método sólo será válido para rocas carbonatadas.
Por último, la simple humectación de un corte
efectuado transversalmente a la superficie de
tratamiento proporcionará una información visual
rápida, en base a las variaciones de color derivadas de
las modificaciones de la absorción de agua producidas
por el producto aplicado.
Es preciso remarcar que la evaluación de la
idoneidad de un tratamiento no puede ser realizada
únicamente a partir de este tipo de ensayos ya que
pueden conducir a resultados erróneos; una
reducción de los valores obtenidos podría ser debida
exclusivamente a la formación de una película o
costra superficial.
De entre toda la gama de ensayos existentes, los
de succión capilar y permeabilidad al vapor de agua
son los que proporcionan una información más útil
siendo especialmente indicados para evaluar y
comparar los resultados producidos por distintos
tratamientos.
Evaluación de los cambios en el sistema poroso
El examen mediante SEM de pequeñas
secciones de roca tratada proporciona, según se ha
señalado anteriormente, información cualitativa de
los cambios experimentados en el seno del sistema
poroso. Para evaluar cuantitativamente dichos
cambios debe recurrirse a la porosimetría de
mercurio.
Ensayos de durabilidad
La constatación de la mejora de las propiedades
de la roca frente a los procesos de deterioro se
verificará mediante ensayos de alteración acelerada,
seleccionando aquellos que sean acordes a la
problemática
ambiental
del
monumento:
cristalización de sales, hielo-deshielo, ciclos térmicos,
humedad-sequedad, radiación ultravioleta, ... siendo
igualmente intereseante evaluar la morfología de los
daños que se producen en estos ensayos
(disgregaciones, descamaciones, fracturas, pérdidas
masivas de material, …)
Otras determinaciones
La medida de las variaciones de peso sufridas
por las probetas tratadas proporciona información
indirecta del grado de absorción del producto
aplicado. No obstante, es difícil realizar una
evaluación comparativa de los resultados obtenidos
con distintos productos si éstos se basan en distintos
principios activos. Un examen de este tipo debe tener
como punto de partida el análisis de los residuos
sólidos producidos por los distintos tipos de
tratamientos, una vez evaporados los disolventes,
antes de ser aplicados sobre la piedra.