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E NSAYOS H ÍDRICOS

ORIENTACIÓN PREFERENCIAL DE EJES CRISTALOGRÁFICOS DE LOS CRISTALES DE CALCITA

5.8. E NSAYOS H ÍDRICOS

5MATERIALES Y MÉTODOS

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Figura 5.4. Esquema de colocación de los transductores (flechas H, F1, F2, L1 y L2 en dirección ortogonal) que han permitido obtener los cinco valores en cada probeta.

La ubicación de las mediciones para las probetas del grupo A, se mantiene para la toma o dirección H (la de mayor longitud de la probeta), pero en las direcciones F y L se realizan de forma aleatoria cuando el bandeado es totalmente inapreciable.

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sobre el material de cantera sin someter a ciclos de calentamiento-enfriamiento y sobre las probetas tras los respectivos ciclos de estrés térmico.

Para la valoración de este comportamiento hídrico del material estudiado se han realizado los siguientes ensayos:

Absorción (absorción libre de agua por inmersión total) Desorción (desorción libre de agua: evaporación) Permeabilidad al vapor de agua

Ángulo de contacto

La utilidad de estos ensayos queda constatada por los múltiples trabajos de investigación que utilizan esta técnica en la caracterización y evaluación de las alteraciones de materiales pétreos, sirvan como ejemplos los desarrollados por: Ritter et al. (1945), Peruzzi et al. (1984), Alonso et al. (1987), Punuru et al. (1990), Alonso et al. (1992), Bello et al. (1992), Durán Suárez et al. (1998), Galán et al. (1999).

5.8.1. ABSORCIÓN-DESORCIÓN

Estos dos ensayos, dada su complementariedad suelen tener un tratamiento y realización conjuntas. En ambos se cuantifica la variación del contenido en agua de las probetas en intervalos de tiempo determinados. Ambos ensayos finalizan cuando el material alcanza el equilibrio, lo que se considera cuando la diferencia entre dos pesadas, espaciadas un mínimo de 24 horas es inferior al 0,1% del peso de la probeta.

Los ensayos se han realizado sobre las probetas de 14x5x5 cm tras los respectivos ciclos de estrés térmico.

Absorción

En la realización del ensayo de absorción se han empleado cubetas de material plástico; en el fondo de las mismas se ha colocado una bandeja de aluminio perforada con la finalidad de evitar que las bases de las probetas sometidas a este ensayo tuvieran el mínimo contacto con el fondo de la cubeta, y así, asegurar una óptima accesibilidad del agua por toda la superficie de las mismas.

El procedimiento de medida y obtención de datos ha sido el siguiente: las probetas son introducidas en la cubeta y a continuación se cubren de agua desionizada. Seguidamente se van pesando a intervalos de tiempo establecidos.

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Con los datos de peso obtenidos en cada tiempo se determina el porcentaje de agua absorbida en relación con el peso inicial de la probeta; a continuación se elaboran las curvas de absorción ∆masa-tiempo (min) para el material (probetas con y sin ciclos).

Estos valores se calculan según la siguiente ecuación:

MM 100

∆M M

0 0

t− ×

=

Donde Mt, es el peso (g) de la probeta en función del tiempo de inmersión, y M0, es el peso inicial (g) de la probeta.

El ensayo finalizará cuando se alcance un peso constante, es decir y como ya se ha comentado, cuando las variaciones de peso estén por debajo de un 0,1%.

Una vez alcanzada la condición de peso constante se ha obtenido el valor máximo de imbibición IA (Documento NORMAL 7/81), definido por la siguiente ecuación:

M M 100 IA = Mmáxof of×

Donde Mmáx corresponde al valor de la masa (g) de la probeta imbibida de agua al final de la prueba, y Mof corresponde a la masa (g) de la probeta seca.

Dado que para la realización de este experimento no se precisan condiciones determinadas de temperatura y humedad relativa, los errores que se pueden cometer derivan del proceso manual de pesada y de la fase previa a la misma, es decir, la eliminación del exceso de humedad con una bayeta absorbente.

Desorción

Una vez finalizado el ensayo de absorción y teniendo las probetas completamente saturadas se procede al pesado de estas a intervalos de tiempo regulares (siguiendo una progresión logarítmica) para de esta forma poder conocer la progresión de pérdida de agua que se produce en el material. Para ello las muestras se han colocado sobre una rejilla de plástico y se han dejado secar en el laboratorio a temperatura y presión ambientales, hasta alcanzar como en el ensayo anterior la pesada de valor constante.

A partir de los valores obtenidos se calcula el contenido de agua presente en la roca según las consideraciones descritas en Documento NORMAL 29/88, siendo el (5.3)

(5.4)

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proceso matemático muy similar al realizado en el ensayo anterior como se muestra a continuación.

MM 100 M= Mt0 0×

Donde Mt, es el peso (g) de la probeta en función del tiempo de secado, y M0, es el peso inicial (g) de la probeta.

Además de obtener estos resultados, una vez finalizado el ensayo se calcula el índice de secado ID a partir de la integral de la curva, según la siguiente ecuación (Documento NORMAL 29/88):

f máx t

t i

t Q

dt Q f ID

f

=

×

0

) (

Donde f(Qi), es la función que expresa el contenido porcentual de agua, respecto de la masa seca, en función del tiempo. Qmáx corresponde al contenido de agua inicial expresado en tantos por ciento, obtenido respecto al peso seco obtenido al final de la prueba; tf es el tiempo final de la prueba, y t0, es el tiempo inicial de la prueba, es decir: cero.

El cálculo de la integral, para obtener el índice de secado (ID), se ha realizado en esta prueba según el método de Simpson a partir de la siguiente ecuación:

( ) ( )

[

2 4 2 1 3 1

]

0 2 ... 4 ...

3− + + + + + + + + +

n n

f máx

f Q M M M M M M M

n t t

donde Mf es el contenido de agua al tiempo final de la prueba, expresado en tantos por ciento, respecto del peso seco; t0 es el tiempo inicial de la prueba, es decir:

cero; n, es el número de intervalos establecidos para el cálculo, y tf es el tiempo transcurrido hasta el final de la prueba.

Los errores que se pueden obtener con este ensayo pueden ser mayores que en el caso anterior, dado que este debe desarrollarse bajo condiciones constantes de temperatura y humedad relativa, con lo cual pequeñas variaciones en las mismas pueden generar variaciones discordantes en las pesadas obtenidas.

(5.5)

(5.6)

(5.7)

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5.8.2. PERMEABILIDAD AL VAPOR DE AGUA

La importancia que tiene la humedad en los procesos de alteración y durabilidad de los materiales rocosos, viene dada porque un elevado porcentaje de la humedad que circula por los materiales rocosos lo hace en forma de vapor. El ensayo se fundamenta en la movilidad del vapor de agua a través del sistema poroso de una roca como respuesta a una diferencia de presión parcial de vapor de agua; esta diferencia provoca un movimiento difusivo de las moléculas de agua desde el interior de la roca hacia el exterior (siempre que la presión parcial de vapor de agua en la atmósfera sea menor que la presión parcial de vapor de agua en el interior del sistema poroso de la roca, puesto que en caso contrario, la difusión ocurre en sentido contrario).

Con este ensayo se pretende, pues, controlar la cantidad de vapor de agua que pasa a través de un material de espesor conocido, en un tiempo determinado y como es habitual en este tipo de ensayos en condiciones determinadas de temperatura y humedad relativa.

La permeabilidad al vapor de agua de un determinado tipo de roca con o sin tratamiento, quedaría expresada en g/m2. Algunos trabajos como los que a continuación se citan ejemplifican la utilidad de esta técnica: Frediani et al. (1980), Valle et al. (1985), Katz et al. (1986), Jacobs et al. (1995), Bulut et al. (1996), Wark et al. (1998), Cartwright et al. (2000), Pape et al. (2000), Rivas et al. (2000, 2001), Zhang et al. (2001), Toniolo et al. (2002).

En este ensayo se han seguido las recomendaciones del Documento NORMAL 21/85, realizando el experimento sobre un total de 19 probetas de los tres tipos de material, y sometidas a distintos nº de ciclos. Las probetas son paralelepípedos de dimensiones 5x5x1 cm.

Los aparatos empleados en la medición han sido: una balanza analítica con precisión de 0,1 mg, y una célula portamuestras con las características requeridas por la recomendación NORMAL 21/85; el esquema de la célula empleada queda recogido en la Figura 5.5. Esta célula está realizada en material impermeable (PVC), y se compone de un recipiente donde se deposita un determinado volumen de agua desionizada (10 cc). En el mismo, se introduce una pequeña cantidad de pulpa de papel o algodón hidrófilo, para evitar que el agua depositada pueda mojar la superficie de la probeta. A una distancia mínima de 2 cm, se coloca la muestra alojada entre dos capas de material hermético (teflón); por último la célula se cierra con una tapadera igualmente hermética, provista de una apertura circular. El sistema contenedor, probeta-tapadera, se cierra mediante un dispositivo de tornillos, lo que condiciona que el vapor de agua, movido por las diferencias de presión parcial del

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aire existentes entre el interior de la célula y el exterior, tenga que atravesar forzosamente la superficie de la muestra expuesta al aire, cuya área es constante.

Figura 5.5. Esquema de la célula empleada en la medición del ensayo de permeabilidad al vapor de agua. Según diseño normalizado (NORMAL 21/85).

El sistema de medición consiste en controlar las diferencias de masa que experimenta el conjunto célula y muestra en el tiempo. Para ello, es necesario controlar el peso inicial de todo el conjunto; seguidamente, y al objeto de mantener constantes de humedad relativa y temperatura, la célula se introduce en una campana desecadora, que contiene gel de sílice (con indicador de humedad), y el conjunto a su vez se introduce en una estufa a temperatura constante.

Todos estos requerimientos están pensados para garantizar que las condiciones de temperatura y humedad relativa sean constantes; por un lado el gel de sílice alojado en el interior del desecador actúa como solución tampón, asegurando que el aire contenido en el mismo mantenga fijas las condiciones de humedad relativa; por otro, la constancia en los valores de temperatura establece que la presión parcial de vapor de agua también lo sea. A modo de ejemplo, la variación de temperatura de 1º, provocaría una variación del 6% en los valores de presión parcial de vapor: para 20º, la presión sería de 17.535 mm. de Hg, mientras que para 21ºC, sería de 18.650 mm. de Hg (NORMAL 21/85).

El valor de la permeabilidad se calcula a partir de las diferencias de peso obtenidas para cada intervalo (24 horas) siempre que dentro del mismo se mantenga un régimen estacionario, es decir, que las diferencias de pesada, o pérdidas de masa, no difieran más del 5% (determinado por la ecuación 5.8) entre un intervalo y otro, lo cual asegura que las condiciones de humedad relativa y temperatura han permanecido aceptablemente constantes.

AGUA