Estudio y cartografía de sales en paramentos pétreos: innovaciones tecnológicas con este propósito

Capítulo 4 Innovación 4.1. Estudio y cartografía de sales en paramentos pétreos: innovaciones tecnológicas con este propósito Manuel Blanco Domínguez* Oscar Buj Fandos* Francesca Colucci** Josep Gisbert Aguilar* Pedro López Julián* Belén Franco López* Ignacio Mateos Royo* Pilar Navarro Echeverria* *Equipo Arbotante/Geotransfer. Departamento de Ciencias de la Tierra. Universidad de Zaragoza **Instituto Geológico y Minero. Ministerio de Industria. Madrid

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Introducción

Sistema de Medida

Los problemas de sales, omnipresentes en materiales arquitectónicos, son una de las principales causa de su deterioro. Además, todavía son mal conocidos los sistemas geoquímicos de interacción agua-material que están en el origen de las sales; también hay numerosas incógnitas sobre el control que ejerce el que la mayor parte de su fenomenología se desarrolle en el interior del sistema poroso de los materiales. Una parte importante de este desconocimiento se debe a la falta de metodologías que permitan –de una forma rápida y económicamente viable- conocer la distribución de sales sobre la superficie arquitectónica y los cambios que en ella se producen. El conocimiento de esta distribución es importante para acotar los puntos donde es relevante estudiar los materiales en profundidad con técnicas que, necesariamente, van a ser más lentas y costosas. Presentamos aquí un método muy rápido de cartografía de sales que permite conocer la distribución superficial de las mismas y seguidamente discutimos los criterios empleados para la realización de la cartografía y la información que puede obtenerse de la misma. El método se basa en una simplificación de una idea de Borelli (1994) desarrollada por nuestro equipo (Gisbert et al: 2002) y ha sido empleado en las caracterización de las patologías de sales en numerosos edificios de patrimonio en los últimos diez años.

El sistema se basa en la creación de una red de puntos y en la medida de conductividad de cada uno de ellos. En lo que respecta a la ejecución del método los problemas a evaluar y resolver han sido:

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Soporte que captura las sales superficiales (Fig. 1) Se trabaja con una oblea diseñada para cada tipo de sustrato. El material de la oblea es un material poroso con un sistema capilar que se coloca humedecido y que compite con la base pétrea por capturar la sal combinando mecanismos de succión de agua y difusión salina. En sustratos irregulares y de bajo valor artístico empleamos una oblea de pulpa de celulosa; para pinturas murales o sustratos muy delicados empleamos una oblea de hidroxipropilcelulosa con interposición de papel japón, en casos intermedios se usan obleas textiles.

Humectación del soporte y del sustrato pétreo Investigaciones previas (Gisbert et al: 2002) nos han llevado a concluir que la cantidad de agua es la mínima tolerable en el soporte aplicada sobre un sustrato seco. Interesa que la sal pase al soporte de medida por difusión; el exceso de agua siempre provoca un bulbo de succión en el material del sustrato y una dilución de la sal en un volumen mucho mayor del inicial.

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Figura 1. A-C.-Hemos desarrollado un soporte de medida en función de las características del sustrato a medir. En todos ellos se puede interponer un papel japón si las características del soporte lo aconsejaran. El soporte de fibra de papel (A) (arbocell) es el más versátil en cuanto a su posibilidad de colocación sobre un sustrato irregular. También es el ideal para realizar análisis químico de la sal extraída. El soporte de hidroxipropilcelulosa (B) es muy adecuado (con interposición de papel japón) para soportes con pintura mural pues es la “oblea” que menos agua aporta al sustrato al tiempo que la sal pasa rápidamente al gel, dada su notable capacidad de difusión. El soporte textil (C) es apropiado para situaciones intermedias entre las dos anteriores, siendo su principal ventaja la rapidez de aplicación. D.- Esquema de comportamiento de una oblea en función de la cantidad de agua y tiempo de aplicación. 1.-Comportamiento con agua reducida y tiempos cortos. Nótese la ausencia de halo perimetral y la mayor tasa de extracción de sal. 2.-Comportamiento con exceso de agua y tiempos prolongados. En esta situación se forma halo salino perimetral, permanece más sal en el sustrato y se ubica a mayor profundidad.

Tiempo de aplicación del soporte Es conocido el tiempo el funcionamiento oscilante de los sorbentes empleados en restauración. Redman, Ch. (1999) hace una revisión general de este fenómeno que básicamente consiste en una cesión, en primera instancia, de líquido del sorbente al sustrato, hasta que la evaporación superficial en el sorbente fuerza un retorno del liquido cedido al sustrato hacia el sorbente. A esta primera oscilación la llamaremos “primer reflujo”.

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Nosotros (Gisbert et al: 2002) hacemos un estudio particular del funcionamiento en el arbocell, midiendo con una sonda los reflujos. Sobre un sustrato impermeable, estos reflujos son muy regulares y constantes pero cuando se coloca el arbocell sobre un sustrato poroso (una roca) el funcionamiento es muy irregular. En las determinaciones experimentales realizadas el “primer reflujo” de agua hacia el sorbente se produce entre los 6 y 15 primeros minutos; esto nos obliga a realizar medidas del tiempo del “primer reflujo” en cada caso para establecer el tiempo de permanencia de las obleas según el sustrato y las condiciones ambientales.

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Figura 2. Sonda para conductivímetro que permite medir la conductividad superficial. El equipo de medida es comercial. La sonda está fabricada sobre diseño del equipo Arbotante por el Servicio de Instrumentación Científica de la Universidad de Zaragoza.

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Nuestra experiencia nos lleva a concluir que, para establecer el tiempo del primer reflujo, además del tipo de sorbente, tipo de sustrato y condiciones ambientales (humedad, temperatura, insolación directa etc.) hay que tener en cuenta un factor errático derivado de la aplicación manual del arbocell y que condiciona el grado de conexión entre los sistemas capilares del sustrato y del sorbente (presión que se hace con los dedos al colocar el sorbente, estilos personales de colocación, etc.). Para resolver este problema hemos creado una pistola que proyecta la papeta de arbocell con presión y metodología “standard”. La pistola resuelve el problema en las grandes papetas (aplicaciones de desalación) pero no en las obleas para la cartografía, que consecuentemente deberán aplicarse de la forma más standard posible, con el mismo “gesto” operativo y con la misma presión de colocación.

Sistema de medida de la conductividad/medida de las sales La salinidad en cada punto se determina por medio de una sonda que mide la conductividad superficial de la oblea. La sonda es de diseño y fabricación propia (Fig. 2) aunque opera con un conductivímetro comercial de la casa CRISON. La precisión es más baja que si retiramos y diluimos la oblea en un estándar de agua destilada, pero la ganancia de tiempo compensa con mucho la pérdida de precisión. Cuando se desea una evaluación más completa de las sales, se realiza una extracción con papeta convencional (sobre un máximo salino y con los tiempos medidos para el primer reflujo) con lavado posterior de la papeta y análisis químico subsiguiente.

Análisis químico (siempre posible) y físico (cuando es posible) de las sales presentes Para conocer la especie mineralógica de sal presente es necesaria una cierta cantidad de eflorescencia (0,2 gr.) y aunque esta cantidad es pequeña, en muchos casos no es posible obtenerla y en los

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más favorables sólo se consiguen datos en algunos puntos de la superficie estudiada. El estudio de la especie salina es especialmente complejo pues hay que mantener la humedad y temperatura del lugar de muestreo para evitar una transformación de la especie/s mineralógica/s. Contrariamente, con técnicas geoquímicas y extrayendo la sal con obleas de arbocell podemos tener un dato semicuantitativo de cualquier punto de la superficie que deseemos investigar. Así, las metodologías de análisis químico permiten una aproximación muy exacta de la composición y movimiento salino en los muros de los edificios históricos (ver ejemplo en Fig. 3)

Medida de sales en profundidad En este caso, las medidas experimentales (en el estado actual de conocimientos) son dificultosas, caras, destructivas y lentas. No existe otro procedimiento que realizar una perforación seguida de una medida de conductividad del polvo (por tramos de perforación) con algún protocolo adicional para medir la conductividad base del material (ver el nuestro en Blanco et al: 2005) y discriminar de esta forma el intervalo de conductividad que se debe a la presencia de sales. El líquido resultante de la extracción puede ser sujeto de un análisis químico y, consecuentemente, obtener información “cualitativa y cuantitativa” muy detallada. Con estas metodologías podemos obtener “cortes” de distribución de sales en el interior de un material (ver ejemplo en Fig. 4). Para la elaboración de estos cortes es necesaria una cierta modelización del comportamiento de los materiales durante el secado y de la distribución de sales en profundidad de forma que pueda extrapolarse el contenido de sales en el interior de los materiales con un mínimo de perforaciones (Blanco, Colucci, Gisbert, 2006a). Combinando las medidas superficiales de sales y apoyándose en experimentos de laboratorio, tenemos medianamente elaborado un modelo de movimiento de las sales a través de sistemas

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Figura 3. Geoquímica de sales asociada los mapas de sales. Ejemplo en la iglesia de Falces (Navarra). A.-Vista general de la iglesia. Todo el perímetro exterior e interior (pilastras exentas incluidas) presentaban ascensos capilares y costras salinas. El edificio es muy complejo pues desde su creación en el siglo XII ha sufrido continuas reformas y adiciones, hasta el punto que hay tres pavimentos superpuestos. Dada la complejidad de la fábrica y la gran cantidad de sales que afectaban el paramento era muy complicado establecer, cuándo la humedad provenía de cimientos o cuando lo hacía de cubiertas. B.-Se analizó el agua que procedía de cubiertas un día de lluvia (cubierta de fachada norte y cubierta de fachada sur) así como el agua de un regato de escorrentía que incidía sobre el muro oeste y el agua de pozo próximo a la iglesia. Estos análisis se cotejaron con el análisis de sales extraídas con papetas de forma que donde el agua provenía de cubiertas, la geoquímica de las sales coincidía con la del agua de cubiertas, y cuando la humedad provenía de cimientos, la geoquímica de las sales coincidía con la del agua del pozo. Los aniones resultaron ser los elementos que más discriminaban. Los elevados valores de magnesio indicaban que la humedad había percolado a través de un hormigón de actuaciones recientes. C.- Con los datos anteriores se indicó en la planta el origen de las humedades. Este mapa interpretativo permite diseñar las actuaciones arquitectónicas pertinentes en cada punto.

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Figura 4. Cartografía de sales en profundidad. Ejemplo de la bóveda Regina Martirum con frescos de Francisco de Goya en la Basílica del Pilar. En la actuación de 2004/05 se restauró una gotera que había desprendido una parte de la capa pictórica generando una gran acumulación de sales. Las pinturas se arrancaron y antes de volver a adherirlas se estudiaron las acumulaciones salinas en el enfoscado para posteriormente proceder a la desalación. A.- Estratigrafía de morteros y capa pictórica. El arranque incluía capa pictórica más enlucido (despegue en el nivel estriado). B.-Uno de los cortes realizados en los que se representa la cantidad de sales presentes a distintas profundidades. El mortero de yeso, muy poroso, tenía una eflorescencia superficial que se retiró con brocha, pero el “cuerpo” del mortero tenia escasa concentración de sales; contrariamente el ladrillo, microporoso y con velocidad de secado mucho más lenta que el enfoscado, había acumulado una gran cantidad de sales y presentaba, además, una retención selectiva del magnesio.

porosos que tiene en cuenta el tamaño del sistema de poros y su grado de conexión. (Colucci 2002, Blanco et al: 2006b, Buj et al: 2009 y Colucci et al: 2009).

Interés de los resultados Con las cartografías salinas elaboradas con el método explicado se pueden obtener las siguientes conclusiones: A) Identificación de los frentes húmedos La zona de máxima evaporación coincide con la de máxima acumulación salina. Su morfología tiene una relación estrecha con la localización de la fuente de humedad (Fig. 5). En la interpretación de esta morfología hay que tener en cuenta que la disposición inicial de acumulación de sales puede modificarse a posteriori por impactos superficiales de lluvias cortas y por la variaciones ambientales de humedad y temperatura. B) Identificación de la procedencia del agua y materiales atravesados Este tema lo hemos abordado a través de una metodología de análisis geoquímico integral desarrollado sobre la hipótesis de

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que los solutos van a dar lugar a las sales tienen su origen en cuatro posibles composiciones: 1. Agua freática en un pozo próximo al edificio. 2. Agua de lluvia tras su percolado por las cubiertas. 3. Extracto en agua destilada de los distintos materiales del edificio. 4. Extracto con papeta de las sales en un punto determinado del monumento. Es evidente que las sales presentes en un punto “4” del edificio serán resultado de las sales de una fuente freática de humedad más lo disuelto en los materiales atravesados (1+3) o de una fuente pluvial de humedad más lo disuelto en los materiales atravesados (2+3) o, en los casos más complicados, de la suma de todos (1+2+3). Esta metodología permite identificar la procedencia de la humedad que generan las sales y también si algunas de ellas provienen preferentemente de alguno de los materiales atravesados. Nuestro trabajo en la Bóveda Regina Martirum (Franco et alii: 2008) es un ejemplo exhaustivo de estas posibilidades; el ejemplo de la Fig. 3 abunda en el mismo sentido. C) Control en la evolución de las sales tras actuaciones de restauración. En el desarrollo de los protocolos de aplicación de obleas,

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Figura 5. Valla (A) del edificio “Paraninfo” de la Universidad de Zaragoza. Cartografía superficial de sales (B) de un tramo de la valla perimetral. En la cartografía se aprecia una acumulación de sales entre los 50 y 70 cm. de altura que se mantiene constante en toda la corrida y que corresponde a los ascensos capilares en el muro provocados por el agua de lluvia desde el terreno anexo. En los dos lados y junto a las dos pilastras que limitan el paño hay dos máximo salinos provocados por orines. En el máximo de la izquierda se aprecia que las sales se han difundido por las juntas del sillar. Esto indica que la junta de sillar esta abierta y que por su posición –incluso en lluvias cortas- el agua percola hacia el interior del muro mojándolo más y haciendo que esa zona seque más tardíamente. Por difusión la sal emigra hacia esas zonas de secado tardío. Señalemos que las juntas de sillar pueden tener unos comportamientos encontrados. Si están en buen estado y selladas con mortero tradicional, no difunden la sal. Si están deterioradas (como en este caso) o rejuntadas con cemento Pórtland, la acumulan.

uno de los fenómenos que comprobamos fue que la aplicación de una oblea con exceso de agua genera una halo salino perimetral a la zona de aplicación. En el estudio de restauraciones antiguas hemos constatado que la reposición del mortero en las pérdidas genera un halo salino semejante en las pinturas originales que rodean a la pérdida (ver Fig. 6). La documentación de este proceso nos permite establecer estrategias para evitarlo y verificar la eficacia de las desalaciones. D) Cartografía cuantitativa y composicionalmente selectiva El uso de obleas de arbocell combinado con el análisis geoquímico permite medidas cuantitativas de uno o varios cationes salinos mediante el lavado de la oblea y posterior análisis químico del

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Figura 6. Cartografía de sales documentando “halos” salinos. Ejemplo de la bóveda “Regina Martirum” con frescos de Francisco de Goya en la Basílica del Pilar. En los dos ejemplos presentados de la bóveda se aprecian restauraciones antiguas (fruto de goteras históricas que provocaron pequeñas pérdidas pictóricas) que se retocaron aprovechando la actuación del 2004/05. Antes de retocarlos se estudió su estado y, entre otras actuaciones, se realizaron las cartografías salinas superficiales (fotos de la izquierda). En ambos casos se aprecia un halo salino periférico a la pérdida pictórica y resultado de la removilización de sales producida por el agua del mortero de restauración al aplicarse sobre el sustrato con sales. En las nuevas reposiciones realizadas en la actuación del 2004/05 se tomaron diversas medidas para eliminar esos “halos salinos perimetrales”.

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líquido. Esta aproximación puede ser conveniente cuando, como en el caso de la catedral de Tudela (ver Fig. 7), hay un elemento salino que es mucho más agresivo que el resto de sales. E) Control de los movimientos de la sal: Secado y evolución posterior. Los experimentos de laboratorio (ColucciI 2002, Blanco M. et al. 2006a) y los datos cartográficos (fig. 4 y 8) han probado que, durante el secado, la sal emigra desde los materiales macroporosos (primeros en secar) a los microporosos (últimos en secar). Los cambios de humedad y temperatura del aire son, sin duda, otro motor en el transporte cuyos efectos pueden estudiarse con la metodología aquí expuesta. Datos recientes nos permiten pensar que el flujo de vapor de agua a través de los muros puede ser un mecanismo incluso más importante que el anterior; éste es un camino poco explorado ya que no disponemos de una forma eficaz de medir los flujos de vapor de agua a través de muros en paramentos históricos.

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Conclusiones Hemos puesto a punto un sistema de cartografía de sales en paramentos históricos que se está revelando muy eficaz para establecer: a) Distribución y composición de las sales en los paramentos pétreos. Relación de las distintas sales con las patologías asociadas. b) Posición de los frentes húmedos y origen espacial de la humedad. c) Origen de la humedad (tipo de agua: freática o pluvial) y materiales atravesados. d) Movimientos y cambios de la paragénesis salina en el edificio considerado.

Agradecimientos Deseamos mostrar nuestro agradecimiento a la Institución Príncipe de Viana (Navarra), Instituto del Patrimonio Cultural de España, Dirección General de Patrimonio de la Diputación General de Aragón y a la empresa Tracer Conservación y Restauración, por la autorización para el uso de datos procedentes de Informes realizados para cada una de estas entidades.

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Figura 7. Cartografía de sales con representación cuantitativa de un determinado elemento. Ejemplo de la portada Sur de la catedral de Tudela. A.- Cartografía del total de sales realizada por conductividad. B.- Cartografía cuantitativa de la relación de magnesio frente a otros cationes. Las zonas más sensibles a sufrir daños importantes son aquellas donde se superpone alto contenido salino y alto contenido en magnesio. Las pautas de movimiento del magnesio, muy diferentes a las del sodio y del potasio, han resultado ser una constante pues en las cartografías de las otras dos portadas, tiende, como en ésta, a acumularse en las zonas bajas y en el centro del arco.

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Figura 8. Movimientos de la sal durante el secado. Ejemplo en un capitel del interior de la catedral de Tudela. En el caso que presentamos, las sales son resultado de una intrusión de agua de cubiertas (la gotera intrusa agua desde la parte superior izquierda de la foto A que ya estaba reparada cuando estudiamos el capitel. B.- Esquema litológico del capitel y la pilastra. La mayor parte de la fábrica esta constituida por una caliza micrítica con una porosidad de tipo microporo. En una restauración de 1983 se sustituyeron dos sillares de caliza por sillares de arenisca del valle del Ebro (macroporosa). C.- En la cartografía salina se aprecia como la sal se acumula en las partes mas altas, también en una junta entre el capitel y los sillares de la pilastra (junta sellada con mortero Pórtland) y también en la caliza en la periferia de los sillares de arenisca por efecto de la difusión de la sal hacia el material que más tiempo tarda en secar (la caliza).

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