Materiales de Construcción II PDF

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MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN I E. Arilla Agórriz, R. Calabuig Pastor, V. López Toledo, A. Martínez Corral MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN II ALTERACIÓN DE LOS MATERIALES Causas físicas, químicas y biológicas de alteración de los materiales. La agresividad ambiental. Procesos de alteración en los materiales. Formas macroscópicas de alteración. ELÍAS ARILLA AGÓRRIZ RAFAEL CALABUIG PASTOR VICTOR MANUEL LÓPEZ TOLEDO AURORA MARTÍNEZ CORRAL ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA DE LA EDIFICACION 1 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN I E. Arilla Agórriz, R. Calabuig Pastor, V. López Toledo, A. Martínez Corral Introducción Los materiales en situación de servicio y con el paso del tiempo pueden perder parte de sus propiedades iniciales. Por alteración de un material se entiende la modificación de sus características, sea su composición o sus propiedades. La velocidad de los procesos de alteración, depende de muchos factores. En general, la alteración de los materiales pétreos es el resultado de la interacción entre factores del propio material (características técnicas, heterogeneidad y anisotropía) y factores externos presentes en el medio ambiente. La meteorización es la alteración natural de los materiales causada por agentes meteorológicos, que conllevan procesos físicos de disgregación o químicos de descomposición. Ejercicios de clase: - ¿Diferencia entre meteorización y alteración? - ¿La meteorización como causa de alteración se puede producir a escala histórica o en tiempo geológico? - ¿La alteración de los materiales se puede producir a corto plazo o en tiempo geológico? Los factores externos son los agentes de alteración y determinan la agresividad del medio. Los podemos clasificar en procesos físicos, químicos y biológicos. Procesos físicos de alteración Son consecuencia de fuerzas externas que generan tensiones internas en el seno del material. Entre los principales procesos cabe citar los siguientes: La acción del agua: Los ciclos de humedad-sequedad que sufren los materiales pueden provocar una intensa alteración debido a las variaciones volumétricas que se pueden producir. La humedad puede provenir: - De la atmósfera, que fijada a los materiales por condensación del vapor de agua penetra al interior por medio de los poros y capilares. - De la lluvia, si bien no penetra fácilmente en la piedra como podría esperarse. Para ello es necesario que el material presente una alta succión por capilaridad y que el viento favorezca la penetración. - Del terreno, absorbida por capilaridad. Los ciclos de humedad-sequedad pueden actuar en dos sentidos: - Favorecen el movimiento de agua en el seno de los materiales capaz de originar esfuerzos mecánicos expansivos y provocar la disgregación del material (como ejemplo cabe citar que estas expansiones pueden ser del orden de 0,0004 a 0,0009 % en los materiales eruptivos y del 0,01 a 0,04 % en las materiales clásticos). - Hay que añadir los efectos que provoca la masa de aire atrapada entre el agua y los granos de los minerales al variar el grado de saturación del material, que origina tracciones y compresiones provocando la microfisuración del material. Factores del propio material como la porosidad accesible, la succión capilar, la forma y distribución de la red capilar, etc, pueden favorecer o dificultar los fenómenos de absorción o desorción. La alteración producida por estos fenómenos puede ser investigada mediante un ensayo termohídrico, sometiendo el material a un proceso cíclico de humedad-sequedad. Los resultados se pueden expresar en 2 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN I E. Arilla Agórriz, R. Calabuig Pastor, V. López Toledo, A. Martínez Corral términos de pérdida de peso, pérdida de volumen o la aparición de alguna manifestación externa que induzca a una alteración. Ejercicio de clase: - Analiza desde éste punto de vista la agresividad de la zona mediterránea. - Concepto de durabilidad La acción del hielo: Es uno de los principales procesos de alteración de los materiales. La transformación agua a hielo se produce con una expansión del orden del 10%, al descender su densidad a 0,93 g/cm3. Si el agua está ocupando la red capilar, al convertirse en hielo ejerce una presión sobre las paredes de los capilares que pueden alterar al material. Además hay que añadir la presión hidráulica que se genera durante la congelación inicial, y que fuerza al agua no helada a penetrar hacia el interior del material agravándose la alteración. El ataque frente al hielo se ve acrecentado por los ciclos de hielo-deshielo, de forma que cuanto más cortos sean mayores son los daños que pueden ocasionar. El grado de saturación de agua y la forma (tortuosidad) de la red capilar son factores que pueden afectar el comportamiento frente al hielo-deshielo de los materiales. En general, el daño de los ciclos de hielo-deshielo se minimiza para valores de saturación al agua por debajo del 90%, siendo la situación más desfavorable cuando la saturación de agua sea completa (100%). Por otra parte elevada porosidad interconectada, si no está en condiciones de saturación, puede favorecer un buen comportamiento al absorber la propia red capilar la expansión producida por el hielo. Ejercicio de clase: - Mecanismos del hielo-deshielo en el seno de un material poroso. - Efectos de la doble helada. - Explica el comportamiento de un material poroso en un ambiente como el del Polo Norte. Los ciclos térmicos: Las variaciones de temperatura ambiental pueden actuar en dos sentidos: - Por una parte, los materiales pueden estar formados por un conjunto de componentes de distinto coeficiente de dilatación térmica que producirán expansiones diferenciales. En otros casos, el carácter no isotrópico del material puede presentar diferentes coeficientes de dilatación en las distintas direcciones. - Por otro lado, los gradientes térmicos entre la superficie del material y su núcleo pueden producir acciones mecánicas (contracciones-dilataciones contrapuestas) que aceleran la aparición de grietas y fisuras. Este fenómeno se ve agravado en los materiales que presentan una gran inercia térmica. Ejercicios de clase: - Compara desde éste punto de vista la agresividad de la costa mediterránea frente a la de las Islas Canarias. La cristalización de sales: Los materiales pueden presentar distintos tipos de sales solubles: sulfatos, nitratos, cloruros y carbonatos; generalmente de sodio, potasio, calcio o magnesio. El mecanismo de alteración se debe a la cristalización de las sales. Si la cristalización se produce en la superficie se denominan eflorescencias y generalmente, salvo las manchas (normalmente blanquecinas) que dichas sales producen, no son peligrosas eliminándose más o menos fácilmente. Si la cristalización se produce en el interior de la red capilar se denominan criptoeflorescencias o sub-eflorescencias, más temibles que las anteriores, ya que el crecimiento de los cristales (aumento de volumen) causan tensiones mecánicas internas. Las sales pueden provenir del propio material, de las arenas utilizadas en los morteros, de los conglomerantes empleados, del agua empleada en el amasado de morteros o pueden ser transmitidas por el terreno. El medio ambiente juega un papel decisivo en los mecanismos de la cristalización. - Influye en la aparición de los ciclos de humedad-sequedad, que son fundamentales para que se produzca la disolución y transporte de las sales. - Puede estar contaminado por presencia de gases como CO2, SO2, SO3, que aumentan la disolución de ciertos componentes de los materiales (carbonatos). 3 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN I E. Arilla Agórriz, R. Calabuig Pastor, V. López Toledo, A. Martínez Corral - Influye en la relación entre la velocidad de evaporación del agua y la velocidad de migración del agua contenida en la red capilar hacia la superficie. Se puede evaluar la salinidad potencial de una roca determinando los iones solubles así como su composición. Para este fin se determinan los iones siguientes: residuo salino seco, cloruros, sulfatos, calcio, magnesio, carbonatos y bicarbonatos, y contenido en iones alcalinos. Ejercicios: - ¿Cómo influye los ciclos de humedad-sequedad en la aparición de las criptoeflorescencias o eflorescencias? - Explica los mecanismos de aparición de eflorescencias en una fábrica exterior de una material colocado con juntas de mortero - ¿Como influye la orientación de dicho muro? La acción mecánica del viento: Los vientos trasportan partículas que erosionan la superficie de los materiales y facilitan el ataque de otros agentes (agua y contaminantes ambientales). La acción biológica: Son debidas a las tensiones mecánicas que se induce por el crecimiento de ciertos organismos. Procesos químicos Son debidos a distintas reacciones del material con los fluídos del ambiente. La alteración química se realiza siempre en presencia de agua siendo las principales reacciones: la disolución, la oxidación y la hidrólisis. La disolución: El poder disolvente del agua se potencia en presencia de CO2 y SO2 del ambiente. La presencia de CO2 acidifica el agua potenciando su agresividad y aumentando su capacidad de disolución. Tiene efectos destructores en los materiales calizos: CO2 + H2O CO3H2 CO3H2 + CaCO3 Ca(CO3H)2 El (CO3H)2Ca es muy soluble. Se arrastra a la superficie por evaporación del agua produciendo depósitos (costras) calcáreos (de CO3Ca) en la superficie. Conllevan pérdida de materia del interior y/o cambios texturales superficiales (de brillo a mate). La presencia de SO2 es más perjudicial que el anterior: SO2 + H2O SO3H2 SO3H2 + CaCO3 CaSO3 + CO3H2 CaSO3 + O2 CaSO4 Se forman depósitos superficiales (costras) de sulfato cálcico que tienden a exfoliarse y desprenderse. 4 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN I E. Arilla Agórriz, R. Calabuig Pastor, V. López Toledo, A. Martínez Corral La presencia de Cl- en la atmósfera procedente del mar o de zonas industriales, es perjudicial en general y fundamentalmente en los materiales calizos (ataque ácido). La oxidación: los materiales con compuestos de hierro pueden sufrir alteraciones según las siguientes reacciones: SFe2 + 2O2 FeSO4 sulfato ferroso Pirita FeSO4 + 4H2O + O2 2Fe2O3 + 4 SO4H2 óxido férrico ácido sulfúrico Fe2O3 + 3H2O 2Fe(OH)3 El óxido férrico precipita en forma de hidróxido férrico amorfo El hidróxido férrico cristaliza poco a poco produciendo compuestos férricos expansivos. La hidrólisis: Proceso de descomposición de ciertos materiales pétreos por la acción combinada del anhídrido carbónico y el agua (H2CO3, ácidos humídicos), sobre los granos de los minerales. Son particularmente sensibles los materiales eruptivos y los metamórficos. Como proceso de alteración se puede citar la caolinización de los feldespatos. Ejercicios: - Cita los mecanismos de deterioro de los materiales calizos - Cita los mecanismos de alteración de los materiales eruptivos - Explica el fenómeno de la costra negra Formas de alteración La alteración se manifiesta de diferente manera según el proceso implicado en el deterioro. Formas de alteración producidas por procesos físico-químicos Pátinas: Modificaciones superficiales que no necesariamente implican alteración, pueden ser: - Pátina de envejecimiento: Suelen ser debidas a suciedad adheridas (patinas de enmugrecimiento). Ejemplo: la costra negra - Pátina de decoloración: Pérdida de color por alteración natural química. - Pátina biológica: Capa de tonalidad variable debida a la presencia de organismos. - Pátina de herrumbre: Teñido superficial procedente de la oxidación de metales en contacto con la piedra. - Pátina de verdín: Se localiza en el exterior en lugares permanentemente húmedos. Eflorescencias: Manchas originadas por la cristalización de sales solubles en la superficie de los materiales. Costras: Láminas más o menos compactas, formadas por precipitación de CaCO3o CaSO4 en las superficies de las piedras. Ampollas: Son el resultado del levantamiento de una patina o capa superficial, dejando un espacio vacío entre dicha capa y el material. Escamas: Son láminas de escasos milímetros de espesor que se desprenden paralelamente al material. Arenización: Es una manifestación de falta de cohesión caracterizado por el desprendimiento de granos, generalmente asociada a procesos de disolución. Alveolos: Pequeñas cavidades u orificios de forma generalmente globular que en conjunto pueden dar aspecto de "colmena". Esta alteración se asocia a variaciones higrométricas y a la presencia de sales muy solubles. Picaduras: Corrosión puntiforme debido a la oxidación de nódulos férricos. Depósitos superficiales: Acumulación de diversos materiales (polvo, humos, etc) en la superficie de las piedras. Suelen ser de baja adherencia y espesor variable. 5 MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN I E. Arilla Agórriz, R. Calabuig Pastor, V. López Toledo, A. Martínez Corral Formas de alteración mediante procesos físico-mecánicos Desconchamientos: Desintegración de las piedras en fragmentos de tamaño variable. Acanaladuras: Son perforaciones longitudinales que proporcionan a los paramentos un aspecto ondulado. Producidas por heterogeneidades del material o por erosión del agua de lluvia. Burilados: Efecto de pulimento que se produce por causas naturales, viento y granos de arena o por el roce continuado de personas. Excoriaciones: Rasgaduras de la piedra por la acción de frotamientos enérgicos e incisiones con objetos punzantes o de hoja. Fisuraciones: Fenómeno de agrietamiento, a veces imperceptible, debido a la acción del hielo. Formas de alteración mediante procesos biológicos Se trata de crecimiento de plantas, pequeñas hierbas, musgos, líquenes, etc. 6