Informe pericial sobre los daños de un revestimiento exterior de mármol

Se encargó a Marmotest evaluar los daños de unos paneles de mármol utilizados como revestimiento exterior de un edificio. Los paneles de ambas fachadas estaban curvados, como muestran las fotografías 1 y 2.

El revestimiento se realizó en 2000. Al cabo de unos diez años, los paneles de mármol habían sufrido lo que habitualmente se denomina «bowing»: los daños higrotérmicos habían curvado las placas de forma visible.

Marmotest estudió el análisis estático de los paneles y la vida residual del revestimiento. Se realizaron dos inspecciones con registros fotográficos e instrumentales, además de ensayos para evaluar los parámetros mecánicos más significativos. Durante la primera inspección se efectuaron mediciones esclerométricas en un fragmento de placa depositado en el tejado, con un martillo Schmidt para roca modelo L. Durante la segunda se examinó visualmente cada placa y se midió la curvatura de unos veinte paneles con el bow-meter.

Además del trabajo de campo, se tomó una placa del revestimiento exterior para los siguientes ensayos: determinación de la resistencia a tracción según ASTM C880, energía de impacto según UNI EN 14158, examen microscópico petrográfico para definir las características cristalográficas y los daños intergranulares, y varios ciclos de envejecimiento acelerado de bowing con la máquina NT499. Así se pudo definir la resistencia residual del material, su propensión a curvarse y si el proceso seguía activo, para evaluar si una mayor exposición podía continuar los daños.

Sistema de refrigeración/calefacción: instalación con unidad de tratamiento de aire y rejillas situadas en el falso techo;

Estación meteorológica más próxima: aeropuerto militar de Verona Villafranca. Orientación del edificio: fachadas revestidas sureste y noroeste.

El revestimiento está formado por paneles de mármol de dimensiones variables y espesor idéntico. El material presenta un fondo blanco lechoso con vetas gris-negras debidas a concentraciones de pirita microcristalina.

El color de fondo, el grano y el veteado identifican una variedad comercial concreta. Además de las diferencias de color y grano, hay variaciones importantes de resistencia mecánica y durabilidad.

El revestimiento es una «fachada ventilada»: los anclajes dejan una cámara de aire entre el revestimiento exterior y el edificio, que contribuye al aislamiento térmico. Las placas se fijan con anclajes fisher F10; por lo general, la parte inferior se sostiene mediante un «kerf» y la superior lleva «pins». El anclaje fisher puede equiparse indistintamente con kerf o pin, véase la imagen 3. En la configuración utilizada para casi todas las placas, el fisher F10 tiene un kerf superior y un pin inferior. El soporte (foto 4) ancla así dos paneles: sostiene el superior mediante un kerf, para el que se realiza una ranura a lo largo de todo el canto inferior; el pin de la placa inferior solo mantiene su posición vertical, sin carga vertical ni contribución al soporte de su peso. Solo algunos paneles de la parte superior se sostienen con pins laterales.

El anclaje presenta buenas características para adaptarse a la deformación térmica de una placa exterior de estas dimensiones. Adoptando por exceso un coeficiente de dilatación lineal de 0,007 mm/m °C, una placa de un metro se dilataría 0,35 mm con un aumento de temperatura de 50 °C. El anclaje acompaña esta deformación: la placa puede alargarse por las variaciones térmicas sin que el anclaje interfiera en ese alargamiento.

La inspección se realizó desde el suelo y el tejado, sin trabajos ni mediciones en altura. Se examinaron las placas hasta unos dos metros y, desde el tejado, la última fila de paneles. Los paneles están curvados; a simple vista no se aprecia si el mármol de la fachada ESTE está más curvado que el de la OESTE. Aunque al ESTE las variaciones térmicas y, sobre todo, la exposición solar directa son mayores, esto no parece haber influido en la curvatura; la bibliografía recoge muchos casos sin una diferencia apreciable.

Todos los paneles presentan una curvatura convexa según la definición del proyecto TEAM (http://www-v2.sp.se/building/team/PDF/TEAM%20Final%20Report.pdf), véase la figura.

Durante la inspección no se observaron lesiones ni spalling en el mármol junto a los anclajes. El anclaje fisher F10 no interfiere, por tanto, ni con los cambios de forma por dilatación térmica ni con los provocados por bowing o expansión, mucho mayores. En casi todas las placas examinadas desde el suelo se detectaron discontinuidades centimétricas. Según ISRM, una discontinuidad es una fractura genérica dentro de la matriz rocosa. En pocos casos alcanzan dimensiones decimétricas (foto 10). Sus bordes suelen estar ennegrecidos, más desarrollados en el extradós que en el intradós, y siguen generalmente la dirección de menor resistencia del mármol, la del veteado. El ennegrecimiento indica defectos antiguos, ya oxidados y de varios años. La diferencia de traza entre extradós e intradós se debe al movimiento del panel durante la curvatura y al debilitamiento del extradós. La propagación subparalela al veteado es natural: una fractura avanza minimizando la energía de rotura. Indica una propagación «cuasiestática». También se encontró un fragmento de placa rota abandonado en el tejado y expuesto a la intemperie, sobre el que se realizaron mediciones rápidas con el esclerómetro Schmidt para roca modelo L.

Esclerómetro para roca modelo L

Las mediciones A se realizaron en la parte del mármol más expuesta a la intemperie; B y C en partes protegidas por A y, por tanto, menos expuestas. Todas se efectuaron con el martillo vertical. El martillo Schmidt modelo L, con energía de impacto de 0,74 J, está diseñado para estimar la resistencia superficial a compresión de materiales pétreos a partir del índice de rebote. Funciona mediante el rebote de una masa sobre un pistón apoyado en la superficie: cuanto mayor es la resistencia, mayor es el rebote.

La resistencia a compresión sc [MPa] se estimó a partir del índice Schmidt Rebound Hardness [SRH], mediante el gráfico de correlación de ISRM – Suggested Method for the Quantitative Description of Discontinuities. La diferencia de las mediciones entre B y A es del 23,4 %. La C0 estimada figura en la tabla, para una densidad de 2,7 t/m³. La mayor exposición al agua provocó en A una reducción de las propiedades mecánicas de aproximadamente el 24 %. Los fragmentos estaban al aire libre en el tejado, pero poco expuestos al sol.

El examen rápido puso de manifiesto las siguientes observaciones:

Los fragmentos cubiertos por otros dieron rebotes mayores, indicando que la intemperie había dañado el material: el ambiente provocó no solo curvatura, sino también reducción de las propiedades mecánicas. La resistencia a compresión de las partes examinadas es relativamente baja. Aunque el ensayo esclerométrico es rápido y no preciso, los valores especialmente bajos requieren un estudio detallado de resistencia mecánica en laboratorio. La inspección mostró la necesidad de mediciones más precisas: resistencia a flexión a momento constante (se recomienda ASTM C880), energía de impacto y absorción de agua. Se solicitó un estudio petrográfico de una discontinuidad para distinguir fracturas intergranulares y transgranulares. También se pidió otro estudio en tres direcciones ortogonales para conocer la forma de los cristales, sus contactos y el estado de decohesión intergranular. Asimismo, se evidenció la importancia de las mediciones con bowmeter.

La inspección tenía como objetivos:

1) Examinar visualmente TODOS los paneles para determinar situaciones críticas. En particular, el examen se realizó para:

a. Detectar signos de spalling (roturas) junto a los anclajes de los paneles en altura;

b. Comprobar discontinuidades o fracturas recientes y porciones de mármol aisladas por fracturas y, por tanto, inestables.

c. Determinar si partes de paneles adyacentes entraron en contacto por la deformación;

d. Identificar posibles anomalías en los anclajes.

2) Medir instrumentalmente la curvatura según NT500 con el bow-meter (foto 12). Este instrumento es un calibre de precisión centesimal y base de lectura variable, diseñado para medir la curvatura de paneles de revestimiento. El instrumento, las mediciones y el levantamiento se definen en Nord Test Method NT build 500 – Cladding Panels FIELD METHOD FOR MEASUREMENT BOWING [http://www.nordicinnovation.net/nordtestfiler/build500.pdf]. Se siguió el esquema de medición propuesto por la norma (figura 2).

Para identificar inequívocamente cada panel se preparó un esquema de sectorización del edificio. La primera distinción separó las fachadas este y oeste; después se tomaron elementos estructurales, las columnas metálicas, como referencias para contar los paneles (véase la figura).

La parte expuesta al Este presenta una alteración superficial ligeramente mayor que la expuesta al Oeste, visible en la pérdida del pulido original y una pátina amarillo-ocre, menos marcada en la fachada occidental.

El material situado dentro de los pilares de ambas fachadas, en una posición más protegida, está menos curvado y conserva buena parte de su pulido original (foto 13), con menor alteración superficial. Esto concuerda con las teorías del bowing según las cuales el viento acelera el fenómeno al modificar el microclima, especialmente la humedad, en la superficie de la placa.

Al acercarse al material con la plataforma elevadora se observan en los bordes de la mayoría de los paneles fisuras de un centímetro a un decímetro, cerradas pero reconocibles por los depósitos de material externo.

En algunos casos, la expansión volumétrica y la curvatura acercaron los bordes de paneles contiguos o adyacentes, generando tensiones localizadas que iniciaron fracturas con desprendimiento parcial de material (fotos 15–18).

Las fracturas de mayor longitud

detectadas en algunos paneles son antiguas, como indica su coloración (véase la foto). El examen visual de todos los paneles no reveló fracturas extensas recientes, que tendrían un color blanco destacando del fondo, indicio de una rotura estructural reciente. Pese a algunas fracturas decimétricas, no se observaron fragmentos completamente aislados. Se encontraron pequeños volúmenes de mármol en las cornisas, pero se atribuyen a residuos de trabajos secundarios posteriores a la instalación (montaje o retirada de jardineras, mantenimiento, etc.), y no a desprendimientos espontáneos (fotos 20 y 21).

Estos fragmentos de mármol están alterados, con un deterioro evidente de sus propiedades físico-mecánicas: el material se pulveriza con una simple presión entre los dedos y muestra su estructura sacaroidea (foto 22).

En otros casos se observaron fragmentos (esquinas, bordes, etc.) pegados con masilla; esas intervenciones se realizaron seguramente durante la instalación. Foto 23.

Las mediciones con el bow-meter se realizaron en 22 paneles; para cada uno se utilizó el esquema de NT 500 mostrado en la figura.

Los paneles se seleccionaron según NT500, buscando situaciones microclimáticas distintas (centro, borde, esquinas, etc.). Las fotografías muestran como ejemplo la identificación de algunos paneles medidos. Se midió al menos una diagonal en cada panel, conforme a la norma; los demás parámetros geométricos solo se midieron en algunos paneles.

El bow-meter mide una curvatura absoluta, expresada en mm. Para comparar los paneles conviene referirla al metro lineal, es decir, en mm/m, teniendo en cuenta la base de lectura del instrumento y las dimensiones del panel. La tabla muestra los datos ya normalizados en mm/m.

Para comprobar la variación de la curvatura según la exposición se elaboró un gráfico con dos series: en azul, los paneles expuestos al Este; la otra corresponde al Oeste. A diferencia de la impresión visual de la primera inspección, el gráfico muestra una diferencia media según la exposición. Estudios recientes han señalado que la correlación entre curvatura y exposición no siempre se cumple.

Se examinaron cuatro láminas delgadas obtenidas de una muestra procedente de un fragmento de placa instalada y pulida (P1–4).

La observación de las cuatro láminas con el microscopio óptico Nikon Eclipse E600 POL identificó una roca de grano medio-fino, con textura holocristalina y cristales principalmente euhedrales. Los bordes cristalinos son sobre todo rectilíneos, con uniones triples (textura poligonal). Hay dos clases granulométricas: 0,3–0,5 mm y menos de 0,1 mm (textura inequigranular). También se ven niveles delgados y alargados de calcita de grano muy fino. La roca presenta, por tanto, una textura inequigranular-poligonal según Passchier & Trouw, 1998 (véanse las fotos).

Fotos 28 y 29. Aspecto general de la roca. Se aprecian la textura inequigranular-poligonal y las dos clases granulométricas principales, así como niveles delgados de calcita de grano muy fino. Dimensiones de las imágenes: 8,8 × 6,6 mm.

La roca está compuesta en más del 90 % por cristales de calcita (CaCO3) de recristalización metamórfica, que raramente muestran sistemas de exfoliación bien desarrollados. Hay clastos silicoclásticos de cuarzo y/o plagioclasa en proporción muy reducida (foto 30).

Fotos 30 y 31. Sistemas de exfoliación en los cristales de mayor tamaño y clastos silicoclásticos (Qtz: cuarzo; Plg: plagioclasa). Dimensiones: 4,4 × 3,3 mm. 2A: nicoles paralelos. 2B: nicoles cruzados.

Los cristales de calcita presentan frecuentemente maclas mecánicas secundarias, resultado de una deformación intracristalina plástica. Generalmente son gruesas y rectilíneas, a veces curvadas. Dos sistemas se cruzan a menudo con ángulos de 60°–120°. Algunas maclas tienen bordes dentados relacionados con la recristalización por migración de bordes de grano. Según Burkhard (1993), las maclas son de tipos I, II y IV, que indican temperaturas de deformación de 150 a 300 °C.

Fotos 32 y 33. Maclas mecánicas en cristales de calcita. Dos sistemas se cruzan con ángulos de 60°–120°; algunas maclas tienen bordes dentados. Dimensiones: 1,76 × 1,32 mm.

La roca presenta fracturación frágil principalmente intercristalina. Las fracturas siguen los bordes de los cristales sin atravesarlos, con geometría escalonada (fotos 33 y 34). En texturas poligonales, los bordes rectilíneos y las uniones triples pueden reducir la resistencia mecánica a la fractura, a diferencia de las texturas interlobuladas o ameboides, cuyos enlaces intercristalinos son más fuertes. Las texturas poligonales también favorecen la circulación de fluidos intercristalinos, que pueden debilitar aún más los enlaces y la roca.

Fotos 34 y 35. Aspecto general de la fracturación frágil intercristalina a lo largo de los bordes de los cristales. Dimensiones: 8,8 × 6,6 mm.

Fotos 36 y 37. Detalle de la fracturación frágil intercristalina a lo largo de los bordes de los cristales. Dimensiones: 0,88 × 0,66 mm.

Según las recomendaciones de IUGS Subcommission on the Systematics of Metamorphic Rocks (Schmid et al., 2007), la muestra es un mármol, compuesto en más del 90 % en volumen por calcita de recristalización metamórfica. Según Designation C119-11 – ASTM, 2011, se clasifica como mármol calcítico.

A efectos del bowing, la roca es un mármol de grano medio-fino y textura inequigranular-poligonal, por tanto predispuesto a favorecer la curvatura.

Se recogieron los datos meteorológicos de la estación más próxima, Villafranca di Verona. Su análisis histórico buscaba definir el tipo de daño sufrido por las placas. Las tablas muestran algunos años y sus medias:

Para los años anteriores se realizó un análisis anual agregado; la tabla resume los datos por año:

La tabla presenta temperaturas mínimas, máximas y humedad relativa. El histórico de los últimos seis años muestra que la temperatura rara vez bajó de 0 °C. Las máximas también son relativamente bajas, con una oscilación térmica media anual de unos 10,5 °C. La humedad media anual es de aproximadamente el 77 %, con picos en los meses fríos, cuyas medias casi siempre superan el 90 %, y descenso en los meses cálidos (véase el gráfico).

Gráfico de las medias mensuales de humedad relativa. Se consideraron solo algunos años para comprobar una tendencia de variación. Las temperaturas, las pequeñas oscilaciones térmicas y la humedad indican daños higrotérmicos con un componente hígrico elevado y térmico bajo.

El laboratorio MarmoTest realizó los siguientes ensayos: resistencia a flexión a momento constante según ASTM C880 (anexo 1), absorción de agua ASTM C97 (anexo 2), energía de rotura UNI EN 14158 (anexo 3) y ensayo rápido NT499 Bowing Test. El objetivo era definir los parámetros mecánicos residuales del mármol y comprobar su compatibilidad con el uso previsto.

Los ensayos dan parámetros mecánicos residuales relativamente bajos: resistencia media a flexión de 1,88 MPa ± 0,23 MPa. La tabla 1 de ASTM C503, «Standard specification for marble dimension stone», exige un mínimo de 6,9 MPa para mármoles. Como comparación, los mármoles de Carrara suelen presentar entre 7 y 16 MPa. La absorción de agua ASTM C97 es anómala, del 0,35 %, frente a valores medios del 0,10 al 0,16 %. Esta anomalía concuerda con los daños termoinducidos. Está establecido el vínculo entre el aumento de porosidad y los daños higrotérmicos (Malaga et al., Experimental study on the variation in porosity of marble as a function of temperature). El ensayo de impacto confirma estos resultados: unos 1,5 J de media, equivalentes a una bola de 1 kg capaz de romper una placa al caer desde 15 cm, muy por debajo de la media de los mármoles.

Finalmente, un ensayo cualitativo NT499 Bowing Test en dos probetas comprobó si la curvatura seguía activa o había alcanzado su máximo. Solo se realizaron ocho de los cuarenta ciclos previstos. En ocho ciclos, ambas probetas se curvaron unos 2 mm/m adicionales. Este ensayo rápido muestra que los daños NO han terminado y progresarán con el tiempo.

Los análisis muestran un fenómeno conjunto de expansión volumétrica y bowing. Ambos efectos tienen una causa común: la acción higrotérmica de los agentes atmosféricos, con elevado componente hígrico. El mecanismo básico se relaciona con las propiedades específicas de dilatación térmica de la calcita, que compone aproximadamente el 97 % del mármol.

Como para todos los minerales, el texto describe para la calcita un coeficiente de dilatación isótropo y variable en las dos direcciones de anisotropía cristalográfica. La calcita presenta, sin embargo, esta singularidad: en el eje principal C, el coeficiente lineal es α = +26 × 10⁶ °C, mientras que en la dirección ortogonal a es α = −6 × 10⁻⁶ °C. Por tanto, el cristal se alarga en una dirección y se acorta en la ortogonal (figura 4).

En cada ciclo térmico, el conjunto de cristales cambia de geometría (figura 4), crea nuevos vacíos intercristalinos y aumenta la porosidad del mármol. El agua ocupa esos nuevos poros y conduce con el tiempo a la decohesión granular. Está demostrado que las variaciones térmicas en condiciones secas, sin agua, no provocan ese fenómeno (véase la figura

5). La expansión volumétrica por decohesión granular (fotos 36 y 37) depende de la humedad del mármol. En seco, después de 100 ciclos 20 °C–80 °C–20 °C, la expansión tiende asintóticamente al 0,02 %. En condiciones húmedas o semihúmedas sigue aumentando, con valores aproximados de 0,10 y 0,8 en el ciclo cien, todavía crecientes.

El papel exacto del agua sigue sin estar claro. Algunas teorías recientes proponen que, durante el calentamiento, el vapor llena la porosidad temporalmente aumentada. Incluso sin alcanzar el punto de rocío, el vapor puede transformarse en agua dentro de los poros. Durante el enfriamiento, el agua no logra salir y su presión intersticial se opone a la disminución de porosidad. Esa contrapresión acelera la decohesión granular.

Sobre la base de las inspecciones, los ensayos de laboratorio y la comparación con la bibliografía, pueden extraerse las siguientes conclusiones:

♦ Todas las placas de ambas fachadas ventiladas este y oeste han sufrido una curvatura variable según el panel. Las mediciones con bow-meter indican una curvatura ligeramente mayor al este;

♦ El examen macroscópico reveló fisuras milimétricas a centimétricas en los bordes, a veces decimétricas. No se observó ningún fragmento completamente aislado por fracturas o superficies libres; en el momento de la inspección no había, por tanto, porciones de mármol extraíbles.

♦ La curvatura y la expansión volumétrica pusieron a veces partes del revestimiento en contacto, generando tensiones localizadas, especialmente en esquinas y aristas, con inicio de microfisuras y pequeñas partes faltantes (fotos 15–18);

♦ Ningún panel muestra junto a los anclajes fisuras, microfracturas ni spalling causados por la interacción curvatura–anclaje;

♦ Los valores medidos con bow-meter corresponden a un «medium bowing» (véase la tabla).

♦ El análisis petrográfico revela características cristalográficas que favorecen el bowing (textura holocristalina-poligonal). También es evidente la decohesión intercristalina por acción higrotérmica. Bajo los efectos de la intemperie, los cristales pierden sus enlaces con los adyacentes; las fisuras visibles a simple vista ilustran la propagación continua de la decohesión granular de la escala microscópica a la macroscópica;

♦ Los ensayos físico-mecánicos del material tomado del revestimiento exterior dieron resistencias residuales relativamente bajas (véanse los anexos).

o resistencia a flexión: 1,9 MPa.

o porosidad abierta – absorción de agua: 0,34 %.

o energía de impacto: 1,5 J. Estos valores indican una resistencia extremadamente baja para el uso previsto. Como comparación, ASTM C503 recomienda para mármoles un mínimo de 6,9 MPa y una absorción de agua máxima del 0,2 %. El ensayo rápido NT499, destinado a verificar la propensión a curvarse, muestra que la curvatura continúa y progresará con la exposición, provocando más deterioro del revestimiento.

1- Considerando las resistencias físico-mecánicas extremadamente bajas para el uso previsto;

2- Considerando que fuerzas externas, incluso limitadas (sismo, ráfagas anómalas…), podrían, dada la resistencia residual y el estado general, modificar mucho la situación y provocar el desprendimiento de partes de uno o varios paneles;

3- Considerando también que los daños siguen evolucionando, como demuestra el ensayo NT499.

PARA EXCLUIR INCLUSO EL RIESGO POTENCIAL DE CAÍDA DE FRAGMENTOS, SE RECOMIENDA RETIRAR TODO EL REVESTIMIENTO DE MÁRMOL DEL EDIFICIO EXAMINADO.

• Burkhard M. (1993). Calcite-twins, their geometry, appearence and significance as stress-strain markers and indicators of tectonic regime: a review. J. Struct. Geol. 15: 351- 368.

• Passchier C. W. & Trouw R. A. J. (1998). Micro-tectonics. Springer-Verlag, pp 289. Schmid R., Fettes D., Harte B., Davis E. and Desmons J. (2007). How to name a metamorphic rock. Recommendations by the IUGS Subcommission on the Systematics of Metamorphic Rocks: Web version 01/02/07.

• Alnæs, L., Koch, A. ,Schouenborg, B., Åkesson, U., Lindborg, U. & Moen, K. 2004., Influence of rock and mineral proper-ties on the durability of marble panels. Proc. Dimension Stone 2004.

• Kessler, D.W. 1919. Physical and chemical tests on the com-mercial marbles of the United States. Technological papers of the Bureau of Standards No. 123.

• Kleber, W. 1990. Einführung in die Kristallographie. Berlin: VEB Verlag Technik.

• Koch, A. & Siegesmund, S. 2004. The combined effect of moisture and temperature on the anomalous expansion be-hav-iour of marble. In: S. Siegesmund, H. Viles & T. Weiss (eds), Stone decay hazards, Environmental Geology, in press.

• Malaga, K., Scouenburg, B.,Alnæs, L, Bellopede, R. & Brun-din, J.-A. 2004. Field exposure sites and accelerated labora-tory test of marble panels, Proc. Dimension Stone 2004.

• Passchier, C.W. & Trouw, R.A:J. 1996. Microdefects. Springer verlag.

• Perrier, R & Bouineau, A. 1997, La descohesión Térmica en mármoles y calizas marmóreas, Roc Maquina.

• NT Build 499 2002, Cladding panels. Test for Bowing.

• Ruedrich, Weiss, J.T. & Siegesmund, S. 2001. Deterioration characteristics of marbles from the Marmorpalais Potsdam. Zeitschrift der Deutschen Geologischen Gesellschaft 152: 637-664.

• NT Build 500 2002-05, , Cladding panels, Field Method for measurement of bowing

• Spry, A. 1983. Metamorphic textures, Pergamon Press.

• Yates, T., Brundin, J.-A., Goltermann, P. & Grelk, B. 2004., Observations from inspection of marble cladding in Europe. Proc. Dimension Stone 2004.

• Team final report