NUEVAS TENDENCIAS EN MATERIALES CEMENTANTES EN CONSTRUCCIÓN

Dr. Eduardo M. Sebastián Pardo

Dpto. Mineralogía y Petrología

Universidad de Granada

Aglomerantes y morteros históricos: Caracterización y conservación

Universidad de Córdoba. Septiembre, 2010

TERMINOLOGÍA

Mortero: aglomerante, agua y árido (arena)

Hormigón: aglomerante, agua, arena y grava (distintos tamaños de árido)

Pasta: aglomerante sólo, mezclado con agua para ser amasado

Lechada: aglomerante sólo, con exceso de agua

Morteros

Morteros

FUNCIÓN CONSTRUCTIVA

a) Morteros de fábrica.

b) Morteros de revestimiento.

c) Morteros de decoración (estucos).

NATURALEZA DEL AGLOMERANTE

(Aglomerante: partículas muy finas y muy reactivas químicamente).

1.- Mortero de barro. “Tierra arcillosa”.

2.- Mortero de yeso.

3.- Mortero de cal (material histórico tradicional): composicionalmente “grasa” o “magra”.

4.- Mortero de cemento.

5.- Mortero con ligantes orgánicos.

6.- Morteros bastardo (cal y yeso o cal y cemento).

Históricamente: Mortero Tradicional

• Cuidadosa selección de materias primas

• Compatible con los demás elementos de fábrica

• Comportamiento activo

Actualmente: Mortero de cemento

• Incompatibles con los demás elementos de fábrica a

causa de su excesiva resistencia, adherencia y

microporosidad, así como sus elevados coeficiente

de dilatación térmica, conductividad térmica y

contenido en sales

SalesImpacto visual

Consecuencia:

Deterioro del Patrimonio Arquitectónico

Características y propiedades mortero de calmortero de cemento

Portland

Temp. de calcinación de la materia prima (ºC)

850-1100 >1400

Fraguado lento rápido

Retracción medio-alta elevada

Permeabilidad alta baja/nula

Porosidad medio-alta muy baja

Color blanco gris acerado/oscuro

Rigidez baja/nula Elevada

Sales solubles ningunaalcalis, ettringita,

thaumasita

Reversibilidad si no

Conductividad térmica(W/mºC)

<1 >1

ANÁLISIS COMPARADO ENTRE MORTEROS

DE CAL Y MORTEROS DE CEMENTO GRIS

MORTERO (UNE 83-800-94)

AGLOMERANTE + ÁRIDO + AGUA + (ADITIVO)

- PROPORCIÓN DE LA MEZCLA:

DOSIFICACIÓN AGLOMERANTE/ARIDO

DOSIFICACIÓN AGUA/AGLOMERANTE

Proporciones que permitan que la mezcla (fresca) sea fácil de

trabajar, con propiedades físico-mecánicas (adherencia,

resistencia, porosidad, permeabilidad) aceptables y adquirir

cierta durabilidad, al endurecer.

Morteros de restauración con aireantes

(ADITIVOS. UNE 83-200-84)

Sustancias incorporadas al hormigón o mortero en

proporciones no superiores al 5% del peso del aglomerante.

No deben aminorar la calidad, la durabilidad ni la resistencia

del mortero frente a los agentes atmosféricos.

Material añadido al aglomerante con el cometido de

estabilizar el volumen, hacer de relleno y disminuir la

retracción durante el secado del mortero. Proporcionan color

y textura. Deben ser químicamente inertes con el resto de

componentes.

AGLOMERANTE + ÁRIDO + AGUA + (ADITIVO)

MORTERO

SILÍCEO

CARBONATADO

FRAGMENTOS DE MORTERO REUTILIZADOS

AGLOMERANTE + ÁRIDO + AGUA + (ADITIVO)

1.- Descripción del tipo de árido

(naturales, de machaqueo, árido ligeros)

2.- Características físicas (morfología,

granulometría, friabilidad, etc.).

3.- Descripción petrográfica (UNE 83-

109-85)

MORTERO DE CAL

AGLOMERANTE + ÁRIDO + AGUA + (ADITIVO)

Cal viva (CaO)

Periclasa (MgO)

CARBONATACIÓN

CanteraCaliza (CaCO3)

Dolomía (CaMg)(CO3)2

Portlandita Ca(OH)2

Brucita Mg(OH)2

APAGADO O

HIDRATACIÓN• En polvo

• En pasta

+ H2O

+ CO2

CALCINACIÓN (800-1200 ºC)

METODOLOGÍA ANALÍTICA

1.- Granulometría.

2.- Aspectos composicionales (FRX, DRX, MO, SEM/EDX,

ATD-TG).

3.- Textura y estructura (MO, SEM, PIM, BET).

4.- Propiedades Físicas/Mecánicas.

ESTUDIO DE LAS MATERIAS PRIMAS

MATERIAS PRIMAS SELECCIONADAS

- Cales calcítica y dolomítica-Áridos calcítico y silíceo-Cemento Portland-Metakaolín

TÉCNICAS ANALÍTICAS

- Análisis Granulométrico-DRX-FRX-TG-Adsorción de N2

ELABORACIÓN DE LOS MORTEROS

ETAPAS DE LA ELABORACIÓN

1 Mezcla de componentes2 Amasado3 Enmoldado4 Desmoldado5 Conservación y curado (28dias)

ESTUDIO DE LOS MORTEROS

FASES DE ESTUDIO

1 En estado fresco y en proceso de endurecimiento

2 En proceso de carbonatación (28 días; 2 y 6-7 meses)

-Ensayos de consistencia y retracción-DRX-TG-MO; SEM-PIM; Adsorción de N2

-Ultrasonidos-Ensayos hídricos-Ensayos mecánicos

LAS CALES

Cal calcítica en polvo

Cal calcítica en pasta

(14 años)

P(0001)

P(1011)-

P(0001)

P(1011)-

Cc

MICROSCOPIA PETROGRÁFICA

Mortero árabe de cal

(la Alhambra)

Mortero “pret a porter”

de restauración

MORTEROS DE CALES CALCÍTICAS

porosidad

zonas de despeguecomposición mineralógicagrietas de retracción

tamaño de cristal

Cal en polvo

Cal en pasta

CARBONATACIÓN DE LOS MORTEROS

FENOLFTALEINA

10 días 28 días

CUALITATIVO

Predominio

de portlandita

Corona incolora

de calcita

DRX Y TGCUANTITATIVO

10 días

3 años

CONCLUSIONES

1. La cinética de transformación textural es un proceso

más rápido:

- en zonas externas de los morteros

- en morteros más porosos

- en los morteros elaborados con cales envejecidas

2. La selección de materiales y su correcta

fabricación permite elaborar morteros de mayor calidad

técnica

3. A partir de estos datos se puede confeccionar un

mortero de restauración de cal.

Morteros de Restauración

Similares a los morteros que sustituyen en la Intervención.

Compatibilidad con los demás productos de construcción

del Edificio Histórico.

Fácil trabajabilidad, rapidez y seguridad en su colocación.

Mínimo contenido en sales solubles e iones libres.

Impermeabilidad a los fluidos y permeabilidad al vapor de

agua.

Durabilidad y resistencia a la acción de agentes externos.

MORTEROS DE YESO

CaSO4 · 2H2O

YESO

CaSO4

ANHIDRITA

H2O

H2O

H2O

125 ºC

180 ºC

Fraguado

Calcinación

CaSO4 · 1/2H2OBASANITA

CICLO DEL YESO

Fabricación del yeso por cocción

Deshidratación del aljez (S04Ca. 2 H2O)

Temperatura (ºC) Fases

130-150 Semihidrato(S04Ca.1/2 H2O)

180-200 Anhidrita III (S04Ca)

300-700 Anhidrita II (S04Ca)

1200- Anhidrita I (S04Ca)

El yeso como fase

mineral

“Espejuelo”

Atmósfera contaminada por SO2

3 m

5 m 10 m

5 m

Santa María de los Angeles. Castril. Granada

Palacio de la Madraza (Granada)

DRX

Alabastro

ALBARRACIN. TERUEL

Técnicas de estudio

Difracción de rayos X (DRX)

Microscopía óptica de polarización

Microscopía electrónica de barrido (SEM)

Microscopía electrónica de transmisión (TEM)

Microsonda electrónica (EMPA)

Fluorescencia de rayos X (FRX)

Termogravimetría

Porosimetría

TÉCNICAS

ANALÍTICAS

Pátina de Oro encima de Bol

(“Pan de Oro”)

LA TIERRA COMO MATERIAL DE

CONSTRUCCIÓN

Tipos/Tecnologías:

Adobe

Tapial

Cerámicas

Ladrillos

CONSERVACIÓN Y RESTAURACIÓN DE

CONSTRUCCIONES DE TAPIAL

ANTECEDENTES EN LA INVESTIGACIÓN

SOBRE TAPIALES

Introducción

IMPORTANCIA HISTÓRICO ARTÍSTICA Estudios detallados de carácter histórico-artístico

y documental

Falta de experiencia en investigación científico-

técnica

Encofrado utilizado en el tapialProceso de compactación de

las “tongadas” de tierra

Pisones de madera empleados

en la compactación

PUESTA EN OBRA

Tapial de tierra

Tapial de piedras

Tapial de cal

Tapiales Árabes

TIPOS DE TAPIALES

Tapia Real

Siglos XII a XIII

Hormigón de cal

Siglo XI

Hormigón de cal

Siglo XI En cimentaciones de construcciones defensivas

TIPOS DE TAPIALES

Tapial de tierra

Tapial de piedras

Tapial de cal

Tapiales Árabes

Tapia Real

Siglos XII a XIII

Hormigón de cal

Siglo XI

TIPOS DE TAPIALES

Tapial Calicostrado

Siglo XIV

Tapial de tierra

Tapial de piedras

Tapial de cal

Tapiales Árabes

Tapia Real

Siglos XII a XIII

Hormigón de cal

Siglo XI

El tapial como sujeto de conservación

Su fragilidad reside en sus propios constituyentes

- naturaleza del aglomerante y dosificación

Restauración de tapiales mediante la intervención

con reposición de material

OBJETIVOS:

Investigación con productos de consolidación

y protección compatibles con los tapiales.

Técnicas de aplicación.

CONSTRUCCIONES:

Palacio de los Abencerrajes y Silla del Moro.

Fecha de edificación siglo XIII (Malpica, 1992)

Palacio de la primera época Nazarí

Actualmente son restos arqueológicos

PALACIO DE LOS ABENCERRAJES

Construcciones estudiadas

Fecha de edificación: época Nazarí

Construido con muros de tapial calicostrado

Intervenciones siglo XX (Torres Balbas, Prieto Moreno)

Fortín de vigilancia

Construcciones estudiadas

SILLA DE MORO O CASTILLO DE SANTA ELENA

Materiales y métodos de estudio

Palacio de los Abencerrajes: ABEN

Análisis granulométrico

Caracterización composicional y textural: DRX, MO, SEM

Parámetros físicos y mecánicos: Colorimetría, PIM,

Ensayos hídricos, Ensayos mecánicos

Ensayos de Envejecimiento Acelerado en laboratorio

Silla del Moro (Castillo de Santa Elena): SMO

MUESTREO

TÉCNICAS Y ENSAYOS

- Tapiales originales

- Hormigones de reconstrucción Formación Alhambra

0

20

40

60

80

100

Qtz Cal Dol Fil Fds GpSMO14 SMO17 SMO19 SMO24 SMO1-1 SMO1-2

TAPIALESPalacio de Abencerrajes Silla del Moro

0

20

40

60

80

100

Qtz Cal Dol Fil Fds GpABEN2 ABEN3 ABEN4 ABEN6 ABEN7

Resultados

COMPOSICIÓN MINERALÓGICA (DRX)

0

20

40

60

80

100

Qtz Cal Dol Fil Fds

SMO18 SMO45 SMO46 SMO47

FORMACIÓN ALHAMBRA

Qtz Cal Dol Fil Fds GpSMO1 SMO2 SMO3 SMO4

SMO7 SMO8 SMO11 SMO13

0

20

40

60

80

100

CementoSMO1 SMO2 SMO3 SMO4 SMO5

SMO7 SMO8 SMO11 SMO13 SMO16

MORTEROS Y HORMIGONES

(“Modernos”)

Resultados

COMPOSICIÓN MINERALÓGICA (DRX)

PRODUCTOS APLICADOS:

Consolidante. Tegovakon (Tk), organosilícico tipo alcoxilano

Hidrofugante. Tegosivin (Tg), resina silicónica

METODOLOGIA DE APLICACIÓN: inmersión de las muestras en

los productos de tratamiento disueltos en Tolueno (al 10%)

Tratamientos de consolidación y protección

Sin tratamiento

0

5

10

15

0 2 4 6a*

b*

Sin tratamiento (húmedas)

0

5

10

15

0 2 4 6a*

b*

Tegosivin

0

5

10

15

0 2 4 6a*

b*

a*

Tegovakon

0

5

10

15

0 2 4 6

b*

Resultados

DIAGRAMAS DE CROMATISMO. Estímulos

primarios a* y b*

D

5 m

E

20 m

F

20 m

A

10 m

B

100 m

C

50 m

Resultados

Muestras tratadas con hidrofugante (Tg)

visualizadas en el SEM

10 150 5 10 150 5

ABSORCIÓN

DESORCIÓN

t (h 1/2) t (h 1/2)

-8

-4

0

4

8

12

Wi(t)

ABEN 2 (blanco)

ABEN 7 (blanco)

ABEN 2 TG

ABEN 4 TG

ABEN 7 TG

ABEN 2 TK

ABEN 6 TK

ABEN 7 TK

SMO 19 TG

Resultados

ENSAYOS HÍDRICOS

Resultados

E.E.A.A. Cristalización de sales (Na2SO4.10H2O)

Muestras tratadas con Tegosivin

ABEN 2

ABEN 4

ABEN 7

SMO 14

SMO 19

SMO 1-2

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

0 2 4 6 8 10

Nº ciclos

DM

/M

Resultados

E.E.A.A. Ciclos de hielo-deshielo

Muestras tratadas con Tegovakon

ABEN 2

ABEN 3

ABEN 4

ABEN 6

ABEN 7

SMO 14

SMO 19

SMO 1-1

SMO 1-2

-1

-0,6

-0,2

0 5 10 15 20 25 30

Nº ciclos

DM

/M

1. Diferencias entre los modelos constructivos del tapial árabe y el hormigón actual. Procedencia del árido en el tapial histórico de la Formación Alhambra.

2. Validez de las técnicas geológicas en el estudio de construcciones de tierra.

3. Composición del tapial: mezcla de material detrítico y cal apagada. Proporciones del aglomerante en las construcciones estudiadas entre 15% y 30%

4. Naturaleza de la cal (muy pobre en magnesio) y del árido (silíceo y carbonatado) utilizados en su fabricación.

Conclusiones I

5. Estado de conservación de los tapiales analizados. Morfologías y procesos de alteración por la pérdida del revestimiento.

6. Diferencias frente a los e.e.a.a. de los tapiales: mejor comportamiento los que contienen árido de tamaño de grano menor y los que tienen dosificación de cal más elevada.

7. Modificaciones cromáticas apreciables originadas por los productos de tratamiento.

8. Mejoría acusada con la aplicación de tratamientos de consolidación y protección.

Conclusiones II

Profundizar en el comportamiento químico, físico y

mecánico de la tierra como material de construcción y

su interacción con el ambiente

Analizar y evaluar la degradación originada por el

empleo de materiales incompatibles en intervenciones

de conservación o de restauración

Investigar canteras de árido y evaluar la calidad del

aglomerante previo a una intervención de conservación

en construcciones de tierra

Futuras líneas de investigación

http:/www.ugr.es/~monument

rolando@ugr.es (Prof. Dr. Eduardo

M. Sebastián Pardo)

Agentes de alteración

Cataclismos

Viento

Lluvia

Temperatura

Humedad

Microorganismos, organismos y plantas superiores

Sales

Contaminación

Factores intrínsecos Mineralogía y quimismo

Textura

Propiedades físico-mecánicas

Factores extrínsecos

Cal en polvo Cal en pasta

18 meses

18 meses10 días

10 días

MORTEROS DE CALES CALCÍTICAS

- Distribucion bimodal de radio de acceso de poro

- Disminución de la porosidad con el tiempo