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La técnica de ultrasonidos ha sido ampliamente usada en ensayos de laboratorio, tanto para la caracterización de los materiales procedentes de la cantera, colocados en obra o monumentos, etc.; como para la evaluación de ensayos de durabilidad, estado de deterioro del material, penetración de productos de consolidación, etc. Además, debido al carácter no destructivo resulta extremadamente útil para estos usos y, en particular, para la evaluación in situ de los materiales empleados en el patrimonio arquitectónico.

Aproximación Teórica En la presente Tesis, los ultrasonidos se han utilizado principalmente para caracterizar la resistencia mecánica de las rocas y, en particular, para evaluar la resistencia de los mater iales a la cristalización de las sales.

Las ondas ultrasónicas se propagan desplazando las partículas de su posición de equilibrio por la aplicación de una fuerza externa. Este desplazamiento induce otros en partículas vecinas, lo que per mite la propagación de la onda. Las ecuaciones que rigen dicho movimiento se plantearon brevemente en el apartado anterior. Así, para poder caracterizar y evaluar una roca se estudian básicamente las ondas longitudinales y las transversales.

Las ondas longitudinales son aquellas en las que la vibración de las partículas se realiza en la dirección paralela al avance de la onda. Se conocen también como primarias (P) ya que son las que se reciben en primer lugar al presentar una mayor velocidad de propagación. También se las denomina de compresión debido a que su avance provoca zonas de compresión (concentración de partículas) y zonas de descompresión. Esta característica implica que este tipo de ondas sólo se puedan propagar a través de sólidos y fluidos.

Las ondas transversales son aquellas en las que la vibración de las partículas se hace en la dirección perpendicular de la onda. También se las denomina secundarias (S) porque se reciben después de las longitudinales. Debido a que estas ondas están polarizadas en la dirección de propagación provocan esfuerzos de cizalla, lo que sólo les permite trans mitirse en sólidos. Los líquidos y gases tienen un módulo de elasticidad transversal igual a cero, es decir, no poseen fuerzas internas capaces de restablecer a su posición de equilibrio las partículas desplazadas ( Montoto, 1996).

Las velocidades sónicas en rocas utilizadas en la presente Tesis (sedimentarias) presentan valores menores y menos definidos que en rocas metamórficas o ígneas. Ambas características se deben principalmente a la alta porosidad y los bajos valores de los parámetros elásticos que presentan sus componentes. Esto hace que la caracterización petrográfica de este tipo de rocas sea un elemento necesario en la interpretación de los resultados, ya que la propagación de las ondas va a depender tanto de la composición mineralógica de la matriz de la roca, como de la consolidación y cementación, y de la porosidad, morfología y contenido de los poros o discontinuidades (Schön, 1996).

La velocidad de propagación no es igual para todos los minerales, por lo que la velocidad en la roca está controlada por las propiedades elásticas de los minerales

Capítulo 2

que la constituyen, la cantidad de estos compuestos, los contactos entre ellos, el grado de cementación, las orientaciones preferenciales, su anisotropía (bandeados), etc. Así por ejemplo, la velocidad longitudinal, vP, para la calcita es 6.5 km/s; para el cuarzo es

6.05 km/s; para la dolomita 7.37 km/s; y para los feldespatos varían entre 5.5 y 6.5 km/s (Christensen,1990).

Por otro lado, la presencia de minerales de la arcilla reduce significativamente las velocidades de propagación y el módulo elástico. Esto se debe a que la velocidad de las ondas a través de las arcillas es menor que en el cuarzo o carbonatos (calcita, dolomita, etc.). Además, la compresibilidad de los minerales de la arcilla es mayor que la del cuarzo o carbonatos, lo que hace que la dependencia de la presión en la velocidad de propagación aumente. Debido a que las propiedades de las arcillas dependen fuertemente del contenido de agua, la respuesta de las señales de las ondas ultrasónicas varía en gran medida con el grado de saturación de agua (Schön, 1996).

Otro parámetro que influye fuertemente en la propagación de las ondas es la presencia de poros y fisuras. Existe una relación inversa entre la porosidad y la velocidad ya que la onda sufre una elevada atenuación al pasar de una fase sólida a aire o líquido (en función del grado de saturación de agua del material). Esta influencia es más importante sobre las ondas P que sobre S ( Montoto, 1996).

Los factores extrínsecos más importantes en el comportamiento de la señal en la roca son la presión, la temperatura y el contenido en humedad. Debido a que las rocas de la presente Tesis son muy porosas y que son utilizadas como rocas de construcción, el contenido en humedad va a ser el parámetro extrínseco más importante en la caracterización mecánica de las rocas.

La influencia de la humedad es mucho más marcada para las ondas P debido a la diferencia entre la compresibilidad del aire y del agua. En general, la velocidad de las ondas P aumenta, principalmente, con la presencia de disoluciones en los poros debido que la compresibilidad del agua es mayor que la del aire. Por el contrario, las ondas S sólo se propagan a través del ar mazón mineral de la roca y, por ello, su velocidad per manece casi constante, independientemente del grado de saturación (Schön, 1996). También se ha observado que en algunas rocas altamente porosas, las velocidades sónicas pueden ser menores cuando están saturadas. Esto puede ser explicado con la teoría de propagación de ondas elásticas en medios saturados de Biot (Valdeon, et al., 1996).

Aproximación Teórica Las diferentes características elásticas de los minerales, su orientación y tamaño, provocan reflexiones, “scattering”, absorción y la disipación de la energía en los bordes entre granos y discontinuidades. Todas estas variables disminuyen la señal recibida por el transductor. Una correcta elección de la frecuencia del transductor puede solventar la atenuación de la señal (Krautkrämer y Krautkrämer, 1969). Así, si la señal llega muy atenuada se deben elegir transductores de menor frecuencia. La elección de la frecuencia del transductor depende de la longitud de la probeta, del tipo de estudio que se quiera realizar (detección de fisuras, etc., o medida de velocidades sónicas de bloques de canter ía) y de la atenuación de la señal por la propia roca.

De lo expuesto anterior mente se deduce que las principales desventajas de los ultrasonidos con respecto a los ensayos mecánicos estáticos, son la influencia de la humedad en vP, y la fuerte dependencia de los valores de vP y vS con la composición

mineralógica.

Como se comentará en el siguiente punto (2.8.3), la presencia de humedad en las rocas afecta a sus propiedades mecánicas, disminuyendo su resistencia conforme aumenta el contenido de humedad (Tiab y Donaldson, 1996; Bell, 2000). Sin embargo, las vP aumentan con la presencia de agua y, por lo tanto, se produce un aumento del

módulo de Young dinámico. En otras palabras, un aumento de agua en la roca mejoraría sus propiedades mecánicas, hecho que es, en general, falso en este tipo de rocas. Es más, los ensayos de algunas normas de flexión y compresión ( Capítulo 3) se realizan con las probetas saturadas porque las propiedades mecánicas dis minuyen con el contenido del agua, dando de esta forma un valor por defecto y más real del estado de la roca colocada en el monumento.

Por otro lado, debido a la gran dependencia de las propiedades mineralógicas y petrológicas sobre las características elásticas del material y su repuesta a las ondas sónicas, cabe esperar que los ultrasonidos no sean buenos estimadores de la cohesión o resistencia del material cuando se comparan diferentes rocas entre sí.

Sin embargo, el uso de los ultrasonidos tiene infinidad de ventajas con respecto a los ensayos estáticos. La principal ventaja es su carácter no destructivo, lo que per mite realizar infinitas medidas y experimentos sin destruir la roca. Además, permite realizar medidas in situ en los propios edificios, sin necesidad de extraer un testigo. En particular, son buenos estimadores para comparar una mis ma roca con diferentes grados de alteración. Este hecho ha sido ampliamente utilizado en el campo de

Capítulo 2

estudio de la degradación y conservación del patrimonio (ej: Zezza, 1990; Montoto et al., 1991; Rodr íguez Navarro, 1998; Sebastián et al., 1999).

2.8.3. Propiedades Elásticas Estáticas de las Rocas. Fuerzas de Cohesión y