la petrofísica en la interpretación del deterioro y la...

Cuando se pretende profundizar en el estudio de losdiversos procesos alterológicos que se desarrollansobre los materiales pétreos de edificación, uno de losprimeros aspectos que debe conocerse es la naturale-za petrográfica y las propiedades físicas de dichosmateriales, es decir sus características petrofísicas(Montoto, 1983; Esbert et al., 1997; Montoto y

Esbert, 1999). Las propiedades físicas de los materia-les rocosos son, de este modo, interpretadas en fun-ción de sus componentes petrográficos, pudiéndoseestablecer en los estudios petrofísicos dos ámbitos deactuación o trabajo: la escala de macizo rocoso (rockmass) y la escala de roca matriz (intact rock) (Montoto,2004). La escala de macizo contiene grandes disconti-

Trabajos de Geología, Universidad de Oviedo, 28 : 87-95 (2008)

La petrofísica en la interpretación del deterioro y laconservación de la piedra de edificación

R. M. ESBERT, F. J. ALONSO Y J. ORDAZ

Departamento de Geología, Universidad de Oviedo. c/Jesús Arias de Velasco, s/n. 33005 Oviedo. Españ[email protected]

Resumen: Se resalta la importancia de la petrofísica en la interpretación del deterioro y la conserva-ción de la piedra de edificación. Para ello se revisan las características petrográficas más significativasde las rocas (mineralogía y textura, incluyendo los espacios vacíos), así como las propiedades físicasque contribuyen a explicar su comportamiento respecto a los agentes de alteración. Se aportan datosde uno y otro aspecto referidos a rocas cristalinas y cementadas utilizadas en edificios históricos oactuales españoles. Las formas de alteración más frecuentemente exhibidas por las piedras de los edi-ficios son mencionadas en relación con sus características petrofísicas. Se hace hincapié asimismo enla aportación de los estudios petrofísicos durante las diferentes etapas de intervención de un edificioo monumento. Dichos estudios resultan de gran utilidad especialmente en la fase de aplicación de pro-ductos de tratamiento, en la que las variaciones de algunas propiedades (ángulo de contacto y perme-abilidad al vapor de agua), antes y después de aplicar los tratamientos, resultan determinantes para lavaloración de su eficacia e idoneidad.

Palabras clave: Petrofísica, Piedra de edificación, Propiedades físicas, Deterioro, Conservación.

Abstract: The importance of petrophysics for the interpretation of deterioration and conservation ofbuilding stones is stated. For this purpose, the most significant petrographical characteristics of rocks(mineralogy and texture, including voids), as well as the physical properties that contribute to explaintheir behaviour in relation to weathering agents are revised. Some data about crystalline and cementedrocks used historical and present Spanish buildings are provided. The evidences of alteration most fre-quently shown by building stones are mentioned in relation with its petrophysical characteristics. Thecontribution of the petrophysical studies during the intervention works of a building or monument isalso emphasized. These studies are of great uselfulness especially in the phase of application af treat-ment products, where the variations of some properties (contact angle and water vapour permeabi-lity), before and after the treatments, become essential for evaluating their efficiency and suitability.

Key words: Petrophysics, Building stone, Physical Properties, Deterioration, Conservation.

nuidades: fracturas, diaclasas, planos de estratifica-ción, etc, cuyas características gobiernan, esencial-mente, el comportamiento del macizo. La rocamatriz, en cambio, se halla exenta de estas grandesdiscontinuidades, y hace referencia exclusivamente alas características intrínsecas de la roca. Trasladandoestos conceptos al campo de la conservación y restau-ración de edificios, podría decirse que el macizo roco-so se correspondería con el edificio en su conjunto,mientras que la roca matriz equivaldría a los elemen-tos básicos constructivos (sillar, loseta, ladrillo, etc.).

La interrelación entre componentes petrográficos ypropiedades físicas no debe establecerse sólo basándo-se en criterios cualitativos. Existen ensayos, técnicas yprocedimientos establecidos para la cuantificación degran parte de las características petrográficas y físicaspropias de un material rocoso. Dicha cuantificaciónpermite, por ejemplo, interpretar -frente a igualdad deactuación de los agentes externos- los diferentes gra-dos o intensidades de deterioro exhibidos por las pie-dras empleadas en una determinada edificación.

El “Grupo de Petrofísica, Alteración y Conservaciónde Materiales Pétreos”, del Área de Petrología yGeoquímica, del Departamento de Geología de laUniversidad de Oviedo, lleva unos treinta años inves-

tigando en este campo con una metodología de traba-jo basada en los principios de la petrofísica. En el pre-sente artículo se establecen los criterios petrográficosque deben tomarse en consideración para la interpre-tación de las propiedades físicas de las rocas, conespecial mención de las técnicas instrumentales que,para su estudio, suelen utilizarse. También se hace unbreve repaso a aquellas propiedades físicas que demodo más directo condicionan la alteración y la alte-rabilidad de dichas rocas; a la vez que se citan, a modode ejemplo, datos petrofísicos referidos a piedras uti-lizadas en el patrimonio monumental arquitectónico.

Componentes petrográficos de significaciónpetrofísica

Desde el punto de vista estrictamente geológico lasrocas son agregados de materia mineral formadosmediante procesos naturales y que constituyen unaparte apreciable de la corteza terrestre. En arquitectu-ra, el término roca suele restringirse generalmente amateriales geológicos consolidados, firmes y coheren-tes, tales como calizas, areniscas, mármoles, granitos.Algunas de estas rocas se extraen mediante métodosmanuales, aunque en la actualidad la mayoría -grani-tos, mármoles, pizarras- se suelen extraer mediantecorte con hilo diamantado, disco, etc.

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Figura 1. Aspecto macroscópico, al microscopio de polarización y al microscopio electrónico de barrido de las piedras de edificaciónde la catedral de Oviedo. Arriba: dolomía de Laspra. Abajo: caliza de Piedramuelle amarilla.

Desde un punto de vista amplio, los componentespetrográficos que definen las características de lasrocas y permiten interpretar sus propiedades físicasson en esencia la textura y la mineralogía. Dentro delconcepto de textura -organización y relación espacialentre los diversos componentes- deben incluirse eltamaño y forma de los granos, así como los espaciosvacíos, poros y fisuras. Estos últimos componentesson de gran significación en el campo de la alteración,ya que configuran la geometría del sistema poroso y,por tanto, condicionan la captación y movimientos delos fluidos –agua principalmente- por el interior de laroca. En el análisis del sistema poroso interesa cono-cer no sólo el volumen ocupado por los huecos ovacíos interconectados o no, sino también los rasgosgeométricos de éstos: accesos, grado de conexión(conectividad), tortuosidad de los conductos…(Alonso et al., 1987).

Algunos autores resaltan la importancia de los espa-cios vacíos (huecos) de las rocas en el campo de laconstrucción, puesto que, cuando se realiza un estu-dio petrográfico de aplicación ingenieril, debe tenersepresente que poros y fisuras son probablemente los“minerales” más importantes (Franklin, 1974). Porejemplo, en las piedras de edificación (calizas y dolo-

mías) de la catedral de Oviedo (España) se reconoceuna clara relación entre la alteración química de lasmismas, su tamaño de grano y la porosidad asociada.Así, la dolomía micrítica de Laspra, microporosa, conmultitud de pequeños poros, con radios de accesoinferiores a 0,1 μm, tapizando toda la masa rocosa, sealtera, en igualdad de condiciones, mucho más queotra roca carbonatada utilizada también en la catedral(caliza de Piedramuelle), con granos y poros de mayortamaño (radio de acceso alrededor de 0,6 μm) (Fig. 1).

De este modo, los espacios vacíos, poros y fisuras y sugeometría tridimensional, constituyen las característi-cas texturales más significativas para interpretar losaspectos relacionados con el comportamiento altero-lógico y la durabilidad de los materiales pétreos. Estocondiciona toda una serie de propiedades hídricas,relacionadas con el comportamiento de las rocasfrente al agua: absorción y desorción, succión capilar,permeabilidad al vapor de agua, expansión hídrica,etc.; propiedades todas ellas que, a su vez, influyen enlos procesos de alteración y de degradación física yquímica de las rocas.

En cuanto a la mineralogía, es necesario teneren cuenta tanto la naturaleza de las diferentes

DETERIORO Y CONSERVACIÓN DE LA PIEDRA DE EDIFICACIÓN 89

Figura 2. Arriba: Aspecto de tres rocas cristalinas al microscopio de polarización (mármol, granito y gneis). Abajo: Aspecto de lasmicrofisuras presentes en dos rocas cristalinas (mármol y granito) observadas con microscopía óptica de polarización y microscopíaláser confocal (la tercera).

especies minerales como las proporciones rela-tivas (porcentajes) y el grado de alteración delas mismas, puesto que estos aspectos condicio-nan de modo decisivo el comportamiento delmaterial pétreo frente a la acción de los agentesexternos.

Para el análisis de estas características mineralógi-cas y texturales existen hoy en día variadas técnicasde observación y cuantificación: microscopía ópti-ca de polarización con luz transmitida, reflejada yfluorescente; microscopía electrónica de barrido;microscopía láser confocal; microscopía acústica;proceso digital de imágenes, etc. En lo que serefiere al estudio de la composición química, lastécnicas de análisis más utilizadas son: fluorescen-cia de rayos X, cromatografía iónica, espectrome-tría de emisión por plasma de inducción, microa-nálisis por energía dispersiva de rayos X, etc. Elcarácter de las uniones intergranulares es otro delos rasgos estructurales de las rocas que más con-dicionan su aplicabilidad y durabilidad. Por ellotiene sentido petrofísico establecer una clasifica-ción de rocas basada en la naturaleza de tal carac-terística. Se hablaría así de: rocas cristalinas ycementadas (Montoto, 1983).

Las rocas cristalinas son aquellas que presentan suscomponentes minerales cristalizados y en contactodirecto unos con otros, sin ninguna fase aglomerante.Tal es el caso de granitos, mármoles, pizarras, etc. Susespacios vacíos suelen ser de tipo “fisura”, es decir,espacios vacíos con tendencia planar. Las hay masivascomo el mármol, las rocas graníticas, etc., foliadascomo las pizarras y bandeadas como los gneis, mig-matitas, etc. (Fig. 2). En general tienen valores bajosde porosidad abierta (entre el 0,5 y el 5%).

Las rocas cementadas presentan una fase aglomeran-te o de unión entre los granos minerales que lasconstituyen. Dicha fase puede tener diferentecomposición química, grado de cristalinidad otamaño de grano, que los elementos que aglutina.Los espacios vacíos suelen ser de tipo “poro”(huecos con tendencia equidimensional) o conduc-tos (huecos con tendencia cilíndrica), por lo gene-ral interconectados entre sí, con un mayor omenor grado de tortuosidad (Fig. 3). A este grupopertenecen la mayor parte de las rocas sedimenta-rias: areniscas, calizas, etc. En general estas rocassuelen tener valores altos de porosidad abierta(entre el 5 y el 30%) y muy variables. También seincluyen dentro de las rocas cementadas las dolo-


Figura 3. Arriba: Aspecto al microscopio óptico de polarización (la primera) y al electrónico de barrido de una caliza cementada (oolí-tica). Abajo: Aspecto de una arenisca con matriz detrítica al microscopio óptico de polarización y al electrónico de barrido (la tercera).

mías cristalinas, ya que entre sus cristales hay bas-tantes huecos y muestran una alta porosidad (p. ej.dolomía de Boñar) (Fig. 4).

Contrariamente hay calizas sedimentarias quedeben incluirse dentro de las rocas cristalinas. Estoocurre cuando la recristalización genera un notablegrado de cristalinidad en la caliza y, en consecuen-cia, la porosidad disminuye radicalmente (p. ej.caliza nummulítica de Girona). Este tipo de rocasadmite pulido y se consideran comercialmente“mármoles” (Fig. 4).

Uno y otro tipo de rocas, cristalinas y cementa-das, suelen mostrar valores diferentes en sus pro-piedades físicas. Así, debido a sus grandes varia-ciones texturales, las rocas cementadas suelenpresentar gran dispersión en los valores de dichaspropiedades, mientras que en las rocas cristalinas,más uniformes por lo general, la dispersión esmenor. Por otra parte, y frente a los agentes dealteración, las rocas cristalinas suelen ser menosalterables, mostrándose las cementadas más pro-clives al deterioro y, en muchos casos, con unamarcada alterabilidad diferencial de sus compo-nentes petrográficos.

Propiedades físicas que inciden en el deteriorode la piedra

Varias son las propiedades físicas que en mayor omenor medida inciden en la alteración de los materia-les pétreos de edificación y en especial de aquellosexpuestos a la acción de la intemperie (Esbert yOrdaz, 1985; Esbert et al., 1989; Valdeón et al., 1992;Schön, 1996). Tales propiedades físicas pueden agru-parse bajo los siguientes epígrafes:

a) Propiedades básicas que caracterizan el aspecto y laconstitución física de los materiales rocosos: color,densidad, porosidad y distribución porométrica.

b) Propiedades hídricas: son las que caracterizan lacaptación, circulación y pérdida de agua por el inte-rior de la piedra: absorción de agua (velocidad deabsorción), desorción de agua (velocidad de evapora-ción), succión capilar, permeabilidad al vapor de aguay expansión hídrica o hinchamiento.

c) Propiedades mecánicas: son las que caracterizan elcomportamiento mecánico y deformacional: resisten-cia a la compresión, tracción y flexión, módulos deelasticidad y resistencia al choque.


Figura 4. Arriba: Aspecto de una dolomía cristalina al microscopio óptico de polarización (la primera) y al electrónico de barrido.Abajo: Aspecto de una caliza cristalina al microscopio óptico de polarización (la primera) y detalle de las microfisuras detectadas entrelos granos (nummulites) al electrónico de barrido.

d) Propiedades que caracterizan las cualidades de lasuperficie del material: resistencia a la penetración,abrasión y deslizamiento.

e) Propiedades térmicas: dilatación térmica.

f) Propiedades dinámicas: velocidad de propagaciónde ondas y módulo de elasticidad dinámico.

La medida, con normas estandarizadas, de estas pro-piedades en las variedades pétreas presentes en unaedificación y su correlación con las característicaspetrográficas resulta imprescindible para interpretarlas lesiones alterológicas. Las normas y recomenda-ciones frecuentemente utilizadas han sido: ASTM(American Standard for Testing Materials), RILEM(Reunión Internacional de Laboratorios de Ensayo deMateriales), CNR-ICR NORMAL (Centro Nazionaledella Ricerca - Istituto Centrale del Restauro), UNE(Una Norma Española), etc. En la actualidad, deacuerdo con el Comité Europeo de Normalización(CEN), se han elaborado un conjunto de normas

europeas agrupadas bajo las siglas EN y en versiónespañola EN-UNE (Obis, 2000). En la Tabla I serecogen las normas utilizadas por el citado Grupo dePetrofísica, Alteración y Conservación en la caracteri-zación petrofísica de las piedras de edificación.

Caracterización petrofísica de distintos tipos depiedra utilizados en edificación

En las Tablas II a V, se citan algunas rocas utilizadasen edificaciones monumentales en España. La TablaII muestra la localización geográfica y geológica de lasmismas; la Tabla III su clasificación petrográfica,junto a la composición mineralógica y el tamaño degrano como parámetro petrográfico más relevante; laTabla IV las propiedades físicas básicas mencionadas(color, densidad y porosidad); y la Tabla V las princi-pales propiedades relacionadas con el comportamien-to de dichas rocas frente al agua (propiedades hídri-cas).

En el conjunto de rocas de la Tabla IV se pone demanifiesto que la porosidad abierta es mucho máselevada en las rocas cementadas (Villaviciosa,Quintanar, Igueldo, Piedramuelle Amarilla,Sepúlveda, Páramo y Laspra), que en las cristalinas(Macael, Rosa Porriño y Fraguas). El tamaño mediode poro es variable y en cada roca puede relacionarsecon la proclividad al deterioro que presenta.

En cuanto a su comportamiento frente al agua (TablaV), las rocas cristalinas (Piedramuelle Roja, Macael yRosa Porriño) son las que tienen menor absorción deagua y menor capilaridad. Este hecho guarda relacióncon su menor porosidad y también con su menortamaño de acceso de poro (Tabla IV). El granito deFraguas está alterado e intensamente fisurado, lo queexplica su relativamente elevada absorción de agua, enespecial cuando tiene lugar por capilaridad. Las rocascementadas tienen mayor absorción libre de agua ymayor capilaridad. Los mayores valores de capilaridadlos presentan las rocas de elevada porosidad que a lavez presentan elevado tamaño de poro (Quintana,Sepúlveda, Igueldo…). Rocas de menor tamaño deporo también pueden presentar valores similares decapilaridad, debido a su mayor porosidad (Laspra).En cuanto a la permeabilidad al vapor de agua, loscoeficientes obtenidos son muy variables, los másbajos y próximos entre sí se detectan en las rocas cris-talinas de baja porosidad (Rosa Porriño y Macael).Los valores más altos los presentan las areniscas(Igueldo, Quintanar, Villaviciosa) y las calizas micríti-cas (Laspra y Páramo).


Tabla I. Normas de ensayo utilizadas

La conservación de la piedra

La agresión a la que se ve expuesta la piedra de losedificios, especialmente los emplazados en áreasurbanas e industriales, induce al deterioro de lamisma. Dicho deterioro se manifiesta por el desarro-llo, en mayor o menor medida, de diversas formas dealteración (Esbert et al., 2005): descohesión, desagre-gación, descamación, desplacación, eflorescenciassalinas, pátinas de diversa índole, costras negras, etc.En ocasiones, la degradación de la piedra resulta tanavanzada que es aconsejable no solo su limpiezasuperficial, sino la aplicación de algún producto detratamiento que mejore su percepción estética, cohe-rencia y durabilidad.

Dentro de los estudios previos de conservación de edi-ficios se incluyen los relativos al diagnóstico del estadode deterioro de la piedra y de otros materiales de cons-trucción (p. ej. ladrillos, morteros, etc.). En dicha faselos estudios petrofísicos proporcionan una herramien-ta fundamental a la hora de establecer el grado de dete-rioro de los distintos materiales, así como para averi-guar las causas y mecanismos que han dado lugar almismo y a las distintas formas de alteración.

Una vez puesta en marcha una obra de intervenciónde un edificio, ésta suele comportar varias etapas a finde mantener la piedra en las mejores condiciones:limpieza, consolidación, protección, reintegración ysustitución. En el desarrollo práctico de estas etapas


Tabla II. Localización geográficay geológica de algunas piedras deedificación

Tabla III. Características petro-gráficas. Q, Cuarzo; Fp,Feldespatos; FR, Fragmentos deroca; Fs, Filosilicatos; C, Calcita;D, Dolomita.

los estudios petrofísicos resultan asimismo imprescin-dibles tanto para seleccionar los métodos, agentes yproductos a utilizar como para valorar su grado deeficacia e idoneidad.

Cuando se aplican productos de tratamiento (con-solidantes o hidrofugantes) es habitual la medida,antes y después de aplicar los productos, de ciertaspropiedades físicas, como las previamente mencio-nadas: color, porosidad, succión capilar, permeabi-lidad al vapor, velocidad de propagación de

ondas…; así como la absorción de gotas y el ángu-lo de contacto (Esbert, 1998; Laurenzi Tabasso ySimon, 2006; Rojo et al., 2008). La determinaciónde estas propiedades suele acompañarse, por logeneral, de los resultados obtenidos en los ensayosde envejecimiento artificial acelerado a los que sesometen las probetas tratadas. En los ciclos deenvejecimiento se simula la actuación de los agen-tes de alteración propios del ambiente donde la pie-dra se ubica, a fin de intentar conocer el comporta-miento futuro de la piedra tratada.


Tabla IV. Propiedades físicas ele-mentales. (1tamaño medio de acce-so de poro obtenido por porosim-tría de inyección de mercurio).

Tabla V. Propiedades hídricas.

AgradecimientosA la CICYT, por la financiación de diversos proyectos deinvestigación a lo largo del tiempo, entre ellos:“Durabilidad de rocas ornamentales cristalinas utilizadasen revestimientos exteriores: Criterios de calidad y suge-

rencias de uso” (MAT2004-06804-C02-01). Al Prof.Modesto Montoto, por facilitarnos algunas de las fotogra-fías que ilustran el trabajo; así como al conjunto de colabo-radores del Grupo de Petrofísica, Alteración yConservación de Materiales Pétreos, del Departamento deGeología de la Universidad de Oviedo.


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