CONSOLIDACIÓN DE ROCAS CARBONATADAS CON NANOPARTÍCULAS DE HIDRÓXIDO DE CALCIO

Los productos basados en nanomateriales permiten imitar, de manera artificial, estos efectos sobre la superficie de los monumentos y modificar la capacidad de adhesión y penetración del agua líquida en la rocas.

Catedral de Burgos construida con caliza de Hontoria de la Cantera

Desgraciadamente, en algunos casos, la aplicación de tratamientos consolidantes de forma y naturaleza inapropiada ha generado y/o precipitado deterioros y descohesiones que han supuesto pérdidas físicas graves en los elementos patrimoniales. La propuesta de nuevos tratamientos de consolidación con nanopartículas en suspensión de hidróxido de calcio busca recuperar la cohesión perdida con la máxima penetración del producto y con un carácter compatible con la naturaleza del soporte original que no conlleve comportamientos diferenciados y sí una adhesión en las zonas alteradas.

Las rocas carbonatadas, como las calizas, tienen una gran presencia en nuestro patrimonio arquitectónico pero están expuestas a variados procesos de deterioro que modifican sensiblemente su textura. Estas circunstancias derivan en cambios mineralógicos y físicos con pérdidas de material que llegan a destruir los monumentos. Las calizas son rocas sedimentarias compuestas, en su mayoría, por carbonato cálcico.

El agua es uno de los principales agentes de alteración de las rocas con material calcáreo, además su poder de disolución se incrementa en presencia del CO2 atmosférico procedente de la combustión.

Trasaltar de la catedral de Burgos: relieves de Vigarny en caliza de Briviesca, mucho más alterable que la caliza de la fachada.

El CO2 atmosférico acidifica el agua y disuelve a las piedras calizas:

H₂O + CO₂ → CO₃H₂
CO₃ + CaCO₃ → (CO₃H₂)₂Ca

Este bicarbonato de cal que se forma es muy soluble y va empobreciendo la piedra, aunque en cuanto llega a la superficie de la roca, esta disolución se seca y se transforma de nuevo en caliza. Esta situación que en un principio puede ser beneficiosa, alcanza cada vez más espesor y forma una costra ennegrecida más compacta que la propia piedra.

El desarrollo de las actividades industriales ha provocado un aumento significativo de las emisiones de gases como el CO2 o el SO2, que en contacto con el agua forma el ácido sulfuroso que se oxida y se transforma en ácido sulfúrico.

Disgregación de la roca a causa de la atmósfera industrial y urbana

Los ciclos de hielo-deshielo pueden ocasionar que los capilares de la roca, saturados de agua, ante una congelación brusca sean presionados y se destruyan a causa del aumento del volumen del hielo.

De manera muy similar actúan las sales solubles, con el proceso de recristalización como resultado de la evaporación del agua en la que estaban disueltas esas sales.

Primero se satura la roca con agua rica en sales solubles, posteriormente el agua se evapora y las sales cristalizan

Como ya hemos visto los materiales con dimensiones nanométricas tienen un comportamiento diferente y mejorado con esta reducción de tamaño. Hasta ahora se han utilizado diversos productos consolidantes para intentar recuperar la cohesión perdida pero la realidad es que la eficacia de estos materiales a largo plazo no ha resultado la más adecuada. Son tratamientos que no perduran, con poca penetrabilidad, con una naturaleza distinta a la del sustrato y modifican sustancialmente las propiedades físicas y el comportamiento hídrico de las rocas. Un ejemplo son los consolidantes orgánicos como resinas poliméricas sintéticas que se ha demostrado que en algunos casos pueden producir y/o acelerar los procesos de deterioro.

Otro caso diferente es el hidróxido de calcio que se conoce como consolidante desde la antigüedad. Cuando se expone al C02 atmosférico en unas condiciones determinadas de humedad relativa, reacciona transformándose en carbonato cálcico. Este es un tratamiento totalmente compatible con este tipo de materiales pero que en cambio resulta insatisfactorio por su escasa penetración en el sustrato.

Esto ha cambiado con el desarrollo de la nanotecnología. Se han descubierto nuevas posibilidades de aplicación con soluciones y emulsiones basadas en nanopartículas de este histórico consolidante. Este producto a tamaño nanométrico asegura la completa transformación a carbonato cálcico dentro de la roca, a la vez que resuelve los problemas de alteraciones de color y la poca penetrabilidad de los productos. También podemos controlar la morfología y el tamaño de los cristales, el efecto de la carbonatación y la profundidad de la penetración jugando con las concentraciones y distintos tipos de disolventes.

Normalmente estos materiales son sintetizados en procesos bottom up. La ruta sol-gel y la precipitación química son los mecanismos de producción más adecuados para obtener los óxidos de calcio, magnesio y sílice más adecuados para la consolidación de las distintas rocas monumentales. Estas partículas nanométricas presentan unas características químicas y estructurales específicas y se han convertido en una de las principales herramientas para restaurar la estructura de los materiales pétreos. Un nanómetro es un punto mágico en la escala dimensional con propiedades químicas y físicas específicas y diferenciadas de los materiales en escala bulk.

Nanorestore
https://www.ctseurope.com/en/

En el mercado existen varios productos comerciales para la consolidar rocas carbonatadas como por ejemplo Nanorestore® y CaLosil®. La aplicación de estos consolidantes está supeditada también a los agentes extrínsecos e intrínsecos que pueden alterar, de alguna manera sus propiedades específicas, humedad relativa, tiempo de exposición, temperatura… se deben tener en cuenta en las aplicaciones para obtener el mejor rendimiento. El Grupo de Petrología Aplicada a la Conservación del Patrimonio del Instituto de Geociencias (CSIC-UCM) ha evaluado el resultado y la posterior estabilidad de estos dos productos en soluciones coloidales alcohólicas. Se ha determinado, por ejemplo, la presencia de portlandita en los productos con mayor concentración (5g/l) y cierta ordenación preferencial en los cristales formados. En cambio en el producto menos concentrado (1,5g/l) los cristales no están agregados y no presentan una única dirección de crecimiento.

(Derecha) Material consolidado con CaLosil
https://ibz-freiberg.de/produkte

La humedad relativa es también es un factor determinante a la hora de aplicar estos productos consolidantes, el proceso de carbonatación en distintas condiciones de humedad se manifiestan de manera diferente con distintos hábitos cristalinos y velocidades de crecimiento también desiguales.

La difracción de rayos x es la herramienta que permite identificar estas variaciones durante los procesos de carbonatación teniendo en cuenta los distintos parámetros: concentración, humedad relativa, temperatura y tiempo de exposición. Por ejemplo, después de 14 días con una humedad del 54% y una concentración de 20g/l no hay presencia aún de carbonatos y sólo se identifica portlandita, en cambio si la concentración es de 1,5g/l se ha producido la carbonatación pero el producto aun no es estable. Con una humedad relativa del 90% y a concentraciones más bajas (1,5g/l) es mucho más rápida la formación de la calcita.

Hay otros factores que pueden influir en el proceso de carbonatación de los productos consolidantes a base de nanoparticulas, se ha determinado que el CO2 del ambiente y la presencia de agua (liquida o vapor), pueden acelerar los procesos de crecimiento de las distintas fases minerales.

Las pruebas para valorar la idoneidad de estos tratamientos consolidantes necesitan siempre de una caracterización completa de los materiales pétreos a tratar y una determinación de su posterior comportamiento y propiedades ante los tratamientos de consolidación.

El empleo de la nanotecnología ha permitido ajustar las características y propiedades de un material ya conocido mejorando sensiblemente sus cualidades. La transformación del hidróxido de calcio en carbonato cálcico dentro del material pétreo, además de consolidar la roca, consigue mejorar su sistema poroso y su influencia sobre las propiedades físicas y químicas. Con un material compatible químicamente con la roca consolidada, mejoramos a la vez una mayor resistencia a su principal agente de alteración: el agua.

A pesar de todo esto es necesario ajustar siempre las metodologías y ambientes de aplicación para que las intervenciones estén validadas y no aceleremos los procesos de deterioro de los materiales que queremos proteger. Cualquier nueva tecnología tienen que ser escrupulosamente investigada y contrastada por investigadores y conservadores.

• • J. Becerra Luna, “Estudio comparativo entre consolidación por carbonatación bacteriana y nanopartículas de hidróxido de calcio en materiales pétreos”. Centro de Estudios de Postgrado, Universidad Pablo de Olavide.
  • M.S. Gómez Villalva, P. López Arce, A. Zornoza, M. Álvarez de Buergo, R. Fort, “Evaluación del tratamiento de consolidación de dolomías mediante nanopartículas de hidróxido de calcio en condiciones de alta humedad relativa”, Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio, 2011, vol. 50, 2, 85-92. doi: 10.3989/cyv. 122011
  • IBZ-Freiberg, “CaLoSIL®- Consolidación de Piedra con NanoPartículas
  • R. Fort, B. Fernandez Revuelta, J. M. Varas, M. Álvarez de Buergo, M. Taborda-Duarte, “Influencia de la anisotropía en la durabilidad de las dolomías Cretácicas de la Comunidad de Madrid frente a la cristalización de sales”, Materiales de Construcción, 2008, vol. 58, 289-290, 161-178
  • L. S. Gómez Villalba, P. López Arce, M. Álvarez de Buergo, R. Fort, “Comportamiento cristalino de nanopartículas de portlandita en condiciones de alta humedad relativa”, Macla, Revista de la Sociedad Española de Mineralogía, 2010. Num. 13
  • L. S. Gómez Villalba, P. López Arce, R. Fort, M. Álvarez de Buergo, A. Zornoza, Aplicación de nanopartículas a la consolidación del patrimonio pétreo”, La ciencia y el arte III
  • M. Carbonell de Masy, “Conservación y restauración de monumentos”, 1993