Geo-Temas 10, 2008 (ISSN: 1567-5172) Influencia de la anisotropía en la caracterización hídrica de la Pizarra de Bernardos Influence of anisotropy on the hydric characterization of the Bernardos slate B. Fernández-Revuelta1, L. Galán1, R. Fort2, M.J. Varas2,3 y M. Álvarez de Buergo2 1 Área de Laboratorios y Servicios. Instituto Geológico y Minero de España. C/ La Calera nº 1, 28760 Tres Cantos, Madrid. b.fernandez@igme.es 2 Instituto de Geología Económica (CSIC-UCM). Facultad de Ciencias Geológicas, UCM, 28040 Madrid. rafort@geo.ucm.es 3 Departamento de Petrología y Geoquímica. Facultad de Ciencias Geológicas, UCM, 28040 Madrid. mjvaras@geo.ucm.es Resumen: En el presente trabajo, cerca de un centenar de probetas de pizarra se clasificaron en tres clases en función de su anisotropía, determinada mediante la medida de la velocidad de propagación de ultrasonidos en las tres direcciones del espacio. En cada clase se determinó la densidad aparente y porosidad abierta, y la absorción de agua a presión atmosférica sobre 10 probetas, caracterizándose además el coeficiente de absorción de agua por capilaridad de la muestra. Tanto la porosidad abierta como la absorción de agua a presión atmosférica aumentan a medida que aumenta el grado de anisotropía. Aunque el coeficiente de absorción de agua capilar de las pizarras es bajo, varía según la dirección en la que se mida, fundamentalmente condicionado por el índice de anisotropía relativa. De este estudio se deduce que la durabilidad de la pizarra, principalmente la utilizada en pavimentación y en mampostería, puede verse muy comprometida en función de la anisotropía, ya que ésta condiciona la entrada de agua en función de la disposición del elemento. Es por ello recomendable la medida de la anisotropía del material antes de su colocación en obra para determinar la disposición óptima que garantice la máxima durabilidad. Palabras clave: pizarra, anisotropía, ultrasonidos, propiedades hídricas, durabilidad. Abstract: In this study, around a hundred of slate specimens were classified in three classes according to their anisotropy, which was determined by measuring the ultrasound propagation velocity along the three spatial directions. Bulk density, open porosity and water absorption at atmospheric pressure were determined in 10 samples of each class, and the capillary water absorption coefficient was characterized for each sample. Open porosity and water absorption at atmospheric pressure increased as it does the anisotropy level. Although the capillary water absorption coefficient of the slate is low, it varies according to the direction in which it is measured and it is mainly dependant on the relative anisotropy index. As a conclusion, the slate durability could be degraded by water absorption depending on the slate arrangement and anisotropy. To maximize durability, it is recommended to measure the slate anisotropy before placing it in the building or structure in order to determine its best arrangement and orientation. Key words: slate, anisotropy, ultrasound, hydric properties, durability. INTRODUCCIÓN La mayoría de los materiales pétreos son anisótropos y esta característica es primordial para evaluar la viabilidad de sus posibles usos en construcción, así como para establecer su durabilidad en el tiempo (Sousa et al., 2005). La pizarra es un material que tiene un alto grado de anisotropía que permite su fácil explotación y define su uso principalmente para cubiertas o lajas de pavimentación, revestimientos de paramentos, etc. La técnica de prospección ultrasónica permite determinar la anisotropía de los materiales, al medir la velocidad de propagación de los ultrasonidos en las tres direcciones del espacio. Existen diferentes índices que permiten definir de una forma objetiva el grado de anisotropía de los materiales que afectará a otras propiedades petrofísicas (Fort et al., 2008). LAS CANTERAS DE BERNARDOS Las canteras de pizarras ubicadas en el término municipal de Bernardos (Segovia), están comprendidas en el denominado Macizo de Santa María la Real de Nieva (MSM), que constituye un afloramiento de materiales paleozoicos y mesozoicos, rodeado por sedimentos del Terciario del borde meridional de la Cuenca del Duero (Fig. 1). Estos afloramientos paleozoicos corresponden a la Zona Centro-Ibérica caracterizada por la presencia de gneises tipo “Ollo de Sapo” y de una potente serie pizarrosa denominada Complejo Esquisto-Grauváquico (CEG), de edad Precámbrico-Cámbrico inferior, sobre la que se apoya en discordancia el Ordovícico inferior (Trémadoc-Arenig) con cuarcitas, pizarras y conglomerados (Álvarez et al., 1991; Alonso et al., 2005). Las pizarras de Bernardos, corresponden a las series adscritas al CEG y reciben el nombre local de Capas de Santa María, que incluyen también intercalaciones de areniscas, cuarcitas, niveles carbonatados y carbonosos. Su metamorfismo es de bajo grado y corresponde a la primera fase varisca (Álvarez, 1982). 1540 B. FERNÁNDEZ – REVUELTA ET AL. Geo-Temas 10, 2008 (ISSN: 1567-5172) Las pizarras del MSM han sido utilizadas desde antiguo pudiendo citar los petroglifos de Domingo García, lápidas funerarias en necrópolis visigodas como El Cantosal o en las fortificaciones de época romana del Cerro del Castillo. Pero su explotación “industrial” tiene lugar a mediados del siglo XVI cuando Felipe II decide utilizarlas en las cubiertas de la Casa del Bosque (Valsaín, Segovia) y en las cubiertas del Real Monasterio de San Lorenzo de El Escorial, Madrid. FIGURA 1: Esquema geológico del sector N del MSM donde se sitúan las principales canteras activas. Modificado de Alonso et al. (2005). A partir de entonces se utilizan en la cubierta de importantes edificaciones como son: la iglesia de Navalcarnero, en los palacios de Riofrío, El Pardo y Aranjuez, en diversos edificios históricos de Madrid como la Biblioteca Nacional, el palacio de Santa Cruz, la Plaza Mayor y el Real Monasterio de la Victoria (s. XVIII). En edificios recientes se han utilizado en Warner Bros Park, el aeropuerto de Barajas, la estación de Atocha, el Hotel Villa y la calle Huertas de Madrid. La extracción de pizarras de Bernardos se circunscribe principalmente a un radio de unos 2 Km. alrededor del la ermita de la Virgen del Castillo (fig. 1). Aquí se encuentran las canteras más importantes, que reciben los nombres de El Castillo, Engorduro, Valserrano y Valdeguerrera, (SIEMCALSA, 2007), y pertenecen a las cuatro empresas siguientes: J. Bernardos Cubiertas y Solados, S.L.-Pizarrerías J.B., S.L. (5.000 t/año de producción); Natur Piedra - Pizarrerías Bernardos, S.L. (7.500 t/año); Mamposterías y Solados S.L. (4.000 t/año) y Cuarcitas y Pizarras de Bernardos, S.L. (1.500 t/año). Se comercializa en planchones irregulares, baldosas, losas y placas de distintos tamaños para muros y cubiertas de tejado, así como para pavimentos exteriores e interiores (García del Cura et al., 2004). Las pizarras agrupadas bajo la denominación genérica de Bernardos presentan una homogeneidad textural bastante acusada, aunque al microscopio petrográfico muestran pequeñas diferencias en su granulometría y contenido en cuarzo y plagioclasa detríticos, que dan lugar a bandeados composicionales milimétricos. Según la proporción de microclastos y matriz, se pueden clasificar como cuarzofilitas plagioclásicas, metagrauvacas y metasamitas (Álvarez et al., 1991). Están constituidas por filosilicatos (moscovita, biotita, clorita y estilpnomelana) y cuarzo, con plagioclasas y otros minerales accesorios (apatito, turmalina, circón, pirita, ilmenita y rutilo). METODOLOGÍA Se seleccionaron cinco bloques de pizarras de Bernardos (Segovia) procedentes de la empresa PIZARRAS J. BERNARDOS S.L. De estos bloques se obtuvieron 111 probetas cúbicas de 50±5 mm de lado, que fueron cortadas perpendicularmente al plano de pizarrosidad. Se midió la velocidad de propagación de ultrasonidos (Vp) en tres direcciones ortogonales utilizando para ello un equipo PUNDIT CNS Electronics con transductores de 1 MHz. La anisotropía se ha estimado mediante los índices dM% (anisotropía total) y dm% (anisotropía relativa), propuestos por Guydader y Denis (1986). La agrupación de las probetas en clases de anisotropía (clusters) se determinó aplicando el análisis estadístico de las k-medias con distancia euclídea, propuesto por Khan y Ahmad (2004). Previamente se eliminaron los valores extremos y atípicos aplicando el criterio de rechazo de Chebychev para un nivel de significación k=2. Tras realizar los análisis estadísticos descritos, quedaron un total de 101 probetas clasificadas en tres clases de anisotropía. De éstas se escogieron, de forma aleatoria, 10 probetas de cada clase que se sometieron a ensayos de caracterización hídrica según las normas UNE EN para Piedra Natural en vigor AENOR (1999, 2002): Densidad aparente y porosidad abierta (UNE EN 1936:1999), Absorción de agua a presión atmosférica (UNE EN 13755:2002) y Coeficiente de absorción de agua por capilaridad (UNE EN 1925:1999). RESULTADOS Los valores de anisotropía relativa y total para cada probeta, obtenidos a partir de los valores de velocidad en las tres direcciones del espacio, se han representado en la Figura 2. El proceso de agrupamiento permite establecer tres clases de anisotropía. La Tabla I muestra los valores de anisotropía relativa y total para cada una de las clases establecidas (de menor a mayor anisotropía total), el número de miembros (N) y su porcentaje respecto al total de la población estudiada, así como el INFLUENCIA DE LA ANISOTROPÍA EN LA CARACTERIZACIÓN HÍDRICA… 1541 Geo-Temas 10, 2008 (ISSN: 1567-5172) valor medio y desviación estándar de la velocidad de propagación de ultrasonidos para cada clase. Centroide Vp media Clase dM% dm% N % m·s-1 I 31,3 6,2 56 55,4 5775 ± 975 II 33,2 3,8 32 31,6 5729 ± 1025 III 43,8 5,9 13 12,8 5524 ± 1372 TABLA I. Anisotropía relativa (dm%) y total (dM%) de los clusters establecidos, y velocidad media. Clase I Clase II Clase III Centroides 26 31 36 41 46 51 56 0 2 4 6 8 10 dm (%) FIGURA 2. Análisis del agrupamiento de las probetas según los índices de anisotropía dm% y dM% Del análisis de la Tabla I se deduce que los valores medios de Vp no permiten por sí solos diferenciar los distintos grados de anisotropía del material, al obtenerse unos valores muy similares con desviaciones estándar muy elevadas. Por ello es necesario el estudio de esta propiedad en las tres direcciones del espacio, ya que, tal como se puede apreciar en la Tabla II, la velocidad de ultrasonidos en la dirección perpendicular a la mayor anisotropía, definida por la pizarrosidad de la roca (Z), presenta unos valores muy bajos y discriminatorios para cada una de las clases consideradas. Así puede apreciarse como la velocidad de propagación de ultrasonidos para esta dirección disminuye al aumentar el índice de anisotropía, con valores de desviaciones cada vez más altas. En las otras dos direcciones del espacio (X,Y), los resultados son similares para cada clase. Clase Z m·s-1 Y m·s-1 X m·s-1 I 4428±144 6249±79 6648± 78 II 4304±171 6318±89 6565± 105 III 3636±270 6276±80 6661 ± 110 TABLA II. Velocidad media de propagación de ultrasonidos en las tres direcciones del espacio para cada una de las clases definidas. Los valores de densidad aparente, porosidad abierta y absorción de agua a presión atmosférica obtenidos para cada grupo de anisotropía se indican en la Tabla III Clase Densidad aparente (Kg./m3) Porosidad abierta (%) Absorción de agua (%) I 2748±3,8 0,39±0,03 0,145±0,012 II 2754±5,3 0,42±0,05 0,163±0,015 III 2751±10,5 0,51±0,06 0,187±0,014 TABLA III. Valores medios de densidad aparente, porosidad abierta y absorción de agua a presión atmosférica para cada una de las clases definidas. Se observa que tanto la porosidad abierta como la absorción de agua aumentan a medida que aumenta el grado de anisotropía. En todos los ensayos se observa un aumento de la dispersión de los resultados (desviación típica) a medida que aumenta el grado de anisotropía. 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 20 25 30 35 40 45 50 55 60 dM (%) P o ro s id a d a c c e s ib le a l a g u a ( % ) Clase I Clase II Clase III media FIGURA 3. Correlación entre los valores de Porosidad accesible al agua (%) y el índice de anisotropía total dM(%). La Figura 3 muestra la correlación de las muestras estudiadas, según su clase de anisotropía, en base a la porosidad accesible y la anisotropía total. La clase III tiene unos valores mucho más altos de anisotropía y de porosidad, mientras que la Clase I presenta los valores más bajos de porosidad y anisotropía. El coeficiente de correlación de los valores medios de cada una de las clases es de 0,99, siendo la ecuación de correlación P(%)= 0,0088dM(%)+0,1196 ó dM(%)=113,25P(%)- 13,536. El coeficiente de correlación entre los valores de porosidad e índice dm% es muy bajo R2 ≈ 0,1, por lo que este parámetro no nos permite discriminar resultados. 0,09 0,11 0,13 0,15 0,17 0,19 0,21 0,23 20 25 30 35 40 45 50 55 60 dM (%) A b s o rc ió n d e a g u a a p re s ió n a tm o s fé ri c a ( % ) Clase I Clase II Clase III media FIGURA 4. Correlación entre los valores de Absorción de agua a presión atmosférica (%) y el índice de anisotropía total dM(%) . La correlación entre la absorción de agua a presión atmosférica y la clase de anisotropía de las probetas estudiadas (Fig. 4) muestra la misma tendencia que en el caso de la porosidad accesible al agua, aunque en este caso el coeficiente de correlación es algo inferior, 0,96. La ecuación de correlación obtenida es A(%)=0,0031dM(%)+0,0536, ó dM(%)=322.58A(%)- 17,29. Del mismo modo, la relación entre la absorción 1542 B. FERNÁNDEZ – REVUELTA ET AL. Geo-Temas 10, 2008 (ISSN: 1567-5172) de agua y el índice de anisotropía relativa da un coeficiente de correlación extremadamente bajo. De las 101 probetas se procedió a la selección de dos probetas que representaran las siguientes condiciones; una de ellas que mostrara simultáneamente los valores más altos de ambos índices de anisotropía, y la otra, al contrario, los valores de ambos índices más bajos, siendo el índice de anisotropía relativo el que marcara este criterio de manera más definitiva. En estas probetas se ha realizado el ensayo de absorción de agua por capilaridad en las dos direcciones definidas por la máxima y mínima velocidad de propagación de ultrasonidos, obteniéndose los siguientes resultados (Tabla IV). Probeta nº dM(%) dm(%) Orientación Coeficiente g·m-2· s-0,5 ⊥ Pizarrosidad 0,1711 40 29,59 1,23 = Pizarrosidad 0,2271 ⊥ Pizarrosidad 0,1914 59 48,29 8,06 = Pizarrosidad 0,2801 TABLA IV. Valores del coeficiente de absorción de agua por capilaridad. La absorción de agua capilar por las pizarras es muy baja con un valor medio del coeficiente de 0,21 g·m-2·s-0.5. Este coeficiente presenta los valores más bajos para las medidas perpendiculares a la pizarrosidad, no apreciándose diferencias significativas entre las dos probetas. Por el contrario, y como es de esperar, la absorción de agua capilar es mayor en la dirección paralela a la pizarrosidad, obteniéndose un coeficiente más elevado en la probeta con un índice de anisotropía relativa más alto. Aunque la anisotropía no tiene que afectar a la durabilidad de la pizarra para su uso en cubiertas, ya que se colocan las piezas paralelas a la pizarrosidad, sí puede tener su incidencia en su uso para pavimentación y sobre todo para mampostería, ya que en estos casos la entrada de agua es favorecida por dichos planos que coinciden con un incremento de la anisotropía relativa de la piedra. CONCLUSIONES A medida que aumenta el grado de anisotropía se observa un empeoramiento de las características físicas de la muestra, siendo el más notable el de la absorción de agua a presión atmosférica, donde el aumento de la misma de la clase de anisotropía I a la III es de un 29,0%. Esto, unido a un aumento en el mismo sentido de la desviación típica, constata la importancia de realizar estudios previos de anisotropía, para obtener resultados coherentes que no presenten dispersiones demasiado elevadas, que dificulten o impidan el análisis del comportamiento frente a los ensayos de alteración. En rocas utilizadas como materiales de construcción con una anisotropía total tan marcada y acentuada como la de las pizarras estudiadas, su disposición en obra condicionará enormemente la durabilidad y el tiempo de vida útil del elemento en cuestión. Se considera por ello muy recomendable, e incluso indispensable, determinar la anisotropía de este tipo de materiales mediante la medida de la velocidad de propagación en las tres direcciones del espacio. La determinación de los índices anisotrópicos, permitirá determinar la disposición más adecuada del elemento, minimizando la entrada de agua, y por tanto, el deterioro del material. AGRADECIMIENTOS Este trabajo forma parte del Programa de investigación MATERNAS (0505/MAT/0094) financiado por la Comunidad de Madrid y el Programa CONSOLIDER-INGENIO 2010 del MEC (CSD2007- 0058). Queremos agradecer a la empresa PIZARRAS J. BERNARDOS S.L las facilidades dadas para realizar este trabajo. REFERENCIAS Álvarez, F. (1982): Contribución al estudio tectónico de la región de Santa María La Real de Nieva. Temas Geológico-Mineros, 6(1): 87-108. Álvarez, F., Casquet, C., Fuster, J.M., Martín Parra, L.M., Martínez-Salanova, J. y Peinado Moreno, M. (1991): Mapa Geológico de España 1:50.000, hoja nº 456 (Nava de la Asunción). IGME. Alonso, F., Rubio, F.J., Martín Parra, L.M. y Rodríguez Fernández, L.R. (2005): Nuevos datos sobre la estratigrafía del Ordovícico y estructura varisca en el Macizo de Santa María la Real de Nieva. Geogaceta, 37: 39-42. Fort, R., Fernández-Revuelta, B., Varas, M.J., Alvarez de Buergo, M. y Taborda-Duarte, M. (2008): Influence of anisotropy on the durability of Madrid region Cretaceous dolostone exposed to salt crystallization processes. Materiales de Construcción, 289-290, 161-178. García del Cura, M.A., Bernabeu, A., Benavente, D., La Iglesia, A. y Ordoñez, S. (2004): Pizarras y metacuarcitas como pavimentos de exteriores: Las rocas de Bernardos (Prov. de Segovia). Geo-temas 6(1): 259-262. Guydader, J. y A. Denis (1986): Propagation des ondes dans les roches anisotropes sous contrainte évaluation de la qualité des schistes ardoisiers. Bull Eng Geo, 33: 49–55. Khan, S.S., Ahmad A. (2004): Cluster center initialization algorithm for k-means clustering. Pattern Recognition Letters, 25: 1293-1302. SIEMCALSA (2007): La Minería en Castilla y León. 399 pp y 1 CDR. Junta de Castilla y León. Consejería de Economía y Empleo. Sousa, L.M.O., Suarez del Río, L.M. Calleja, L. Ruiz de Argandoña, V.G., Rodríguez Rey A. (2005): Influence of microfractures and porosity on the physico-mechanical properties and weathering of ornamental granites. Engineering Geology, 77: 153– 168.