El cemento natural en el Madrid de los siglos XIX y XX : identificación de sus aplicaciones, estado de conservación y compatibilidad con los cementos actuales

Mayo Corrochano, Cristina (2015). El cemento natural en el Madrid de los siglos XIX y XX : identificación de sus aplicaciones, estado de conservación y compatibilidad con los cementos actuales. Tesis (Doctoral), E.T.S. Arquitectura (UPM).

Descripción

Título: El cemento natural en el Madrid de los siglos XIX y XX : identificación de sus aplicaciones, estado de conservación y compatibilidad con los cementos actuales
Autor/es:
  • Mayo Corrochano, Cristina
Director/es:
  • Lasheras Merino, Félix
  • Sanz-Arauz, David
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2015
Materias:
Escuela: E.T.S. Arquitectura (UPM)
Departamento: Construcción y Tecnología Arquitectónica
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El presente trabajo se centra en el estudio del cemento natural, precursor del cemento Portland, que se empleó históricamente para la ejecución no solo de numerosas obras civiles, sino también en diversos elementos constructivos en edificación (cimentaciones y mortero de junta en un principio, y revestimientos y decoraciones de fachada posteriormente). 1. Antecedentes y fundamentos científicos La producción de cemento natural en España comenzó simultáneamente en el País Vasco y Cataluña entre 1835 y 1858. La primera fábrica conocida con una producción industrial de cemento natural se edificó en Arrona (Bajo Urola, Guipúzcoa) en 1858 y se llamaba “Nuestra Señora de Los Dolores” (1858-1930). Mientras que la producción de cemento natural en Cataluña era de autoabastecimiento de la comarca y tuvo poca repercusión a nivel nacional (1), fue en el País Vasco, en la segunda mitad del XIX donde se produjo el mayor desarrollo y afianzamiento del sector cementero, con la creación de hasta ocho instalaciones que certificaba Gorosabel a finales de los años 60. De allí saldrían algunos de los cementos naturales con mayor aceptación no solo en España sino también en el extranjero, como el de Zumaya. Documentalmente se ha comprobado que la producción de cemento natural no finalizó tras la guerra civil, sino que se siguió fabricando hasta más allá del año 1968. De hecho, tras la guerra se produjo un repunte en la demanda de este tipo de cemento, como respuesta a la necesidad de reconstruir un país devastado por la guerra, y como consecuencia de la falta de carbón y dificultades en el transporte, apareciendo por ello múltiples pequeñas fábricas por toda España que abastecían a cada zona. Tanto es así, que se tiene constancia que en el año 1945 había cuatro fábricas de cemento natural en Madrid. No obstante, con el tiempo, la industria del cemento Portland fue recuperándose haciendo que finalmente muchas de las fábricas de cemento natural tuvieran que cerrar. Sin embargo algunas fábricas continuaron la producción del cemento natural rápido hasta la actualidad. Aun hoy en día existen dos fábricas de cemento natural en España: Cementos Collet y Cementos Tigre, ambas en Cataluña. Aunque a Madrid llegaban los cementos de las fábricas de Barcelona y fundamentalmente de Guipúzcoa, son pocas las fábricas que produjeron cemento natural en Madrid. En el sureste de Madrid, en la zona de Morata de Tajuña, se encuentran las canteras de explotación de margas de la Comunidad: “La Sociedad Anónima de Cemento y Canteras de Valhondo”, ubicada en el Barraco de Valhondo, y “La Sociedad de las Canteras de Cornicabra”, ubicada en Cornicabra. 2. Materiales y métodos El objetivo principal de esta tesis es investigar los elementos constructivos realizados con cemento natural propios del siglo XIX y principios del XX, su identificación, estado de conservación, y determinar los daños producidos como resultado de intervenciones en las que se han empleado materiales no compatibles. Nuestra investigación se centrará en cinco aspectos fundamentales: 2.1. Investigación bibliográfica y de archivo. Fundamento teórico del cemento natural Se ha realizado una labor de contextualización histórica y constructiva del cemento natural en España, su origen y desarrollo en las principales fábricas de España (País Vasco y Cataluña), analizando sus procesos de fabricación y documentación existente sobre sus especificaciones técnicas. 2.2. Ensayos de caracterización en probetas de laboratorio Con el fin de conocer mejor este material, realizamos diversos ensayos en el laboratorio con probetas de 4x4x16, para conocer sus propiedades físicas y mecánicas: determinación de la densidad aparente, real, porosidad accesible al agua, porosidad total, coeficiente de absorción, resistencia a compresión y flexión. 2.3. Metodología de identificación del cemento natural El principal problema que nos encontramos a la hora de identificar los morteros históricos empleados en el periodo de tiempo que nos ocupa es poder distinguirlos a simple vista, ya que la línea divisoria entre un cemento natural y un cemento Portland histórico, a menudo es muy delgada. Es por esto que, con el objetivo de establecer una metodología correcta de diferenciación del cemento natural y del cemento Portland, realizamos láminas delgadas a partir de las probetas de laboratorio para poder establecer patrones identificativos de los cementos naturales. Una vez establecido un método de trabajo con los parámetros identificativos del cemento natural, se han tomado muestras de todos aquellos edificios que no han sufrido restauraciones y que conserven los materiales originales para poder analizarlos posteriormente en el laboratorio. De esta forma podremos caracterizar los cementos naturales empleados en Madrid y comprobar la veracidad de los datos encontrados en la documentación histórica. 2.4. Estudio de campo. Análisis de los edificios de Madrid con cemento natural Con el fin de caracterizar los cementos naturales empleados en Madrid se realiza un estudio pormenorizado de los edificios construidos entre 1850 y 1936. Se elaboran fichas clasificativas de todos ellos, en las que se analizan tanto los aspectos históricos como constructivos, con la idea de poder así analizar cómo ha sido empleado el cemento natural en ellos, las posibles restauraciones o intervenciones que han sufrido, y los daños que presentan, fruto del tiempo o consecuencia de intervenciones poco afortunadas. Se analiza toda la documentación encontrada de cada uno de los edificios tanto en el Archivo de la Villa de Madrid, como en el Archivo Histórico del COAM. Se examinan fundamentalmente los aspectos constructivos, como las memorias constructivas, detalles o albaranes de recepción de materiales en obra, donde se mencione el uso de cemento natural en su construcción. Tras examinada la documentación histórica, comprobamos “in situ” la veracidad de dichos datos, analizándose sobre los alzados realizados previamente mediante restitución planimétrica de los edificios, el empleo de cemento natural en ellos, las posibles actuaciones que se han realizado y su estado de conservación (clasificando los daños encontrados, su gravedad y extensión). Se han buscado las diferencias en durabilidad y patología con morteros de cal o cemento portland. 2.5. Análisis de la compatibilidad del cemento natural con los cementos actuales Una vez identificados los edificios que emplearon cemento natural en su construcción y analizado su estado de conservación, se estudian los posibles daños surgidos como consecuencia de intervenciones en las que se han empleado otros tipos de materiales. 3. Resultados y discusión 3.1. Análisis experimental. Ensayos de caracterización en probetas de laboratorio. De las pruebas realizadas observamos como el cemento natural tiene un coeficiente de absorción notablemente superior a los cementos portland ordinarios. Esto y su alta resistencia a compresión los hace un material ideal para la restauración no solo de edificios construidos con cemento natural histórico, sino también para la restauración de materiales pétreos. (Gosselin, et al., 2009). 3.2. Simplificación del método ROCARE de identificación del cemento natural. Durante una estancia en el IATCS (Institute of Arts and Technology / Conservation Sciences) Universidad de Artes Aplicadas en Viena, se estudia el método ROCARE de identificación del cemento natural mediante el uso de técnicas convencionales de microscopia óptica polarizada y microscopia electrónica de barrido en láminas delgadas pulidas, con el fin de ponerlo en práctica con las muestras tomadas de edificios de Madrid. Se analizan láminas delgadas pulidas realizadas a partir de probetas del laboratorio de cementos naturales y portland modernos con el fin de determinar los patrones identificativos de estos. Tras analizar las muestras de las probetas realizadas en el laboratorio y determinar los parámetros identificativos del cemento natural, los aplicamos en la identificación de las muestras tomadas de 5 edificios de Madrid construidos en aquella época. De las cinco muestras observamos: • Muestra F1-035A: Perteneciente al Palacio de Velázquez, construido entre 1881 y 1883. La muestra pertenece a los corridos de fachada. En este caso se confirma el empleo de pasta de cemento natural en las decoraciones de fachada. Se pueden observar en el microscopio óptico los característicos trozos de margas infra calcinadas, sobre calcinadas y calcinadas a la temperatura adecuada, propios de este tipo de cemento. Esto y la ausencia de alita en los granos de cemento no hidratado lo confirman. • Muestra A1-003: Edificio de viviendas ubicado en la calle Recoletos 13. La muestra pertenece al revoco de un patio interior. En este caso se empleó cemento portland para el mortero. En él se pueden ver claramente en el microscopio óptico los cristales de belita y alita no hidratados. • Muestra F1-177: Palacio de la secretaría de la Santa Cruzada construido en 1888. La muestra pertenece al revoco de fachada. En este caso no se empleó cemento de ningún tipo, sino que el mortero está hecho a base de yeso. Se confirma su composición en el microscopio electrónico de barrido. • Muestra F1-329: Palacio de la Música, construido en 1924. La muestra pertenece a una columna de la sala original de baile del sótano. En este caso se empleó cemento portland para el mortero. Al igual que en el caso de la muestra A1/003, se pueden ver claramente en el microscopio óptico los cristales de belita y alita no hidratados. • Muestra F2-037: Museo Cerralbo construido en 1884. La muestra pertenece a una balaustrada. En este caso aunque encontramos granos de cemento no hidratado con presencia exclusivamente de belita, la ausencia de los característicos trozos de margas (infra calcinadas, sobre calcinadas y calcinadas a la temperatura adecuada) nos dicen que no se trata de un cemento natural, sino de un cemento belítico calcinado a baja temperatura. Una vez empleada esta metodología de ROCARE de identificación del cemento natural, la simplificamos determinando los parámetros identificativos más característicos del cemento natural, y la aplicamos así a todos los edificios de Madrid de los que disponemos de muestras. 3.3. Estudio de campo. Estado de conservación de los cementos naturales. De los 100 edificios analizados construidos entre 1850 y 1936 se toman muestras de 25 de ellos. Se identifican cuáles emplean el cemento natural en su construcción, cuál es su estado de conservación y patología específica. Tras analizar el estado de conservación de los 25 edificios de Madrid que hemos podido tomar muestra observamos: • Los morteros de cemento natural se encuentran en general en un muy buen estado de conservación. Las principales causas de daños son debidas a: 1. Principalmente a reparaciones inadecuadas empleando materiales incompatibles como el cemento portland. 2. Eflorescencias causadas por problemas de humedades debido a un mantenimiento incorrecto de los edificios y como consecuencia de fallos en el sistema de drenaje de las cimentaciones o del sistema de evacuación de aguas pluviales • Los morteros de cemento portland que analizamos presentan principalmente daños por: 1. Disgregación del mortero de cemento. 2. Al formar parte de una reparación de muros de fábrica de ladrillo con mortero de cal y arena se encuentran en un pésimo estado de conservación. Esto se debe a que las propiedades de los morteros de cemento portland son prácticamente contrarias a las de los morteros de cal: resistencia mecánica elevada, módulo de elasticidad alto, baja permeabilidad al vapor de agua y un alto contenido de solubles y álcalis. (Alejandre Sánchez, 2002) “No se debe utilizar cemento para la sustitución de revestimientos en mal estado cuando la fábrica del muro esté tomada con mortero de cal, o sea, una fábrica blanda y deformable, ya que el cemento, al ser más rígido que la fábrica que le sirve de base, no podrá seguir los desplazamientos de ésta y se producirán fisuras. Además al ser el cemento poco permeable al agua, impedirá la evaporación de la misma, que se suele acumular en este tipo de fábrica procedente del interior.” (Barahona Rodríguez, 1999) • Los morteros de cal que analizamos presentan principalmente daños por fisuras y desprendimientos como consecuencia de su baja resistencia mecánica y a las heladas. En general estos morteros requieren un mayor mantenimiento que los de cemento. 3.4. Compatibilidad del cemento natural con los morteros de cemento portland actuales Así como hemos dicho, en general los morteros de cemento natural analizados se encuentran en un muy buen estado de conservación, siendo los pocos daños encontrados causa directa de su alto coeficiente de absorción: eflorescencias o incompatibilidad con los morteros de reparación. No obstante, la principal fuente de daños se debe a reparaciones inadecuadas llevadas a cabo empleando materiales incompatibles como el cemento portland. Esto se debe en muchos casos al desconocimiento de este material o a una incorrecta caracterización. Al tener el cemento natural un alto coeficiente de absorción, ante la presencia de agua, absorbe las sales propias de los cementos portland, cristalizando éstas en su interior, lo que causa daños irreparables al material original. 4. Conclusiones A partir de un estudio histórico y documental, de campo y analítico de los edificios de Madrid se han alcanzado las siguientes conclusiones: 1. Es posible identificar visualmente las fachadas que emplearon el cemento natural a través de un examen mediante microscopia óptica de pequeñas muestras del edificio. 2. Los morteros de cemento natural tienen una durabilidad y patología diferenciable de los de cal y a los de cemento Portland: a) Los morteros de cemento natural tienen una mayor resistencia mecánica y necesitan un menor mantenimiento que los morteros de cal. b) Los morteros de cemento natural, a diferencia de los de cemento portland, no producen eflorescencias en los elementos colindantes. Sin embargo, debido a su elevada capilaridad, pueden sufrir daños como consecuencia de las sales que transportan. 3. Se han observado múltiples casos de incompatibilidad de los cementos naturales con los morteros de cemento portland actuales. ABSTRACT The present research is focused on the study of natural cement, the precursor of Portland cement. It was extensively used in the construction of many civil works and to decorate historical buildings during the nineteenth and beginning of twentieth century in Madrid. Natural cements was highly demanded in various sectors of civil engineering: sewerage and water supply, canals, ports and tunnels. In the building sector, the use of cements at first was limited to building foundations and masonry mortars, but never as render mortar because it was considered an unsightly material and vulgar. For renders still traditional lime mortar was used. And is not till the XXth century when it was used in facade decorations for the first time. 1. Background study Natural cement production in Spain began simultaneously in Basque Country and Catalonia between 1835 and 1858. The first factory with an industrial production of natural cement was built in Arona (Bajo Urola, Gipúzcoa) in 1858 and was named “Nuestra Señora de los Dolores” (1858-1930). Meanwhile natural cement production in Catalonia was of self-sufficiency for the region and have little repercussion at national level (Redondo Martinez, 2013), was in the second half or the XIXth century in the Basque Country where was the major growth of the natural cement industry of the country. At the end of the sixties, Gorosabel certified the construction of eight factories in that area. From this region came some of most famous natural cements, not only in Spain but as well in the foreign countries, like the Zumaya cement. The historical documentation proves that the production of natural cement in Spain did not finished after the civil war, in fact it continues after the year 1968. After the civil war there was an increase on the demand of this kind of cement, responding a need of rebuild a country destroyed by the war and because of the lack of coal to produce Portland cement and the problems for the transportation. Due to this, many small factories appeared all over Spain to supply locally the need of each area. So much so, that it’s known that in 1945 there was four factories on natural cement in Madrid. Nevertheless, the Portland cement industry recovered the market and make that many natural cement factories to close. Despite of this, some natural cement factories kept producing fast natural cement till today. Nowadays there are two natural cement factories in Spain: Cementos Collet and Cementos Tigre, both of them in Catalonia. Although the natural cement that came to Madrid was from factories of Barcelona and mainly from Guipúzcoa, there were a few small factories producing natural cement in Madrid. In the south east of Madrid, in the area of Morata de Tajuña, there are the marl quarries of the Madrid Community: the "Sociedad Anónima de Cemento y Canteras de valhondo", located in Barranco de Valhondo and the "Sociedad de Canteras de Cornicabra", located at Cornicabra. 2. Methodology The aim of this research is the study of the elements made from natural cement used in the nineteenth and early twentieth centuries, it's identification, conservation state and to determine the damage caused as a result of interventions that have used incompatible materials. Our research it's focused on five key areas: 2.1. Bibliographic and documentary research. Theoretical background of natural cement There have made a historical research of natural cement in Spain, its origin and development in the main factories of Spain (Basque Country and Catalonia), analyzing their manufacturing processes and the existing documentation on their technical specifications. 2.2. Experimental analysis. Characterization assays with laboratory cement test pieces In order to better understand this material, firstly we perform several assays on the laboratory with cement test pieces of Portland and actual natural cement, to know their physical and mechanical properties: the bulk density, porosity accessible to water, absorption coefficient and compression and bending resistance. 2.3. Natural cement identification methodology The main problem we faced in this research is the visual identification of the historic mortars used during this period of time. This is due to the fact that the line between a hydraulic lime, a natural cement and an historic Portland cement is very thin. Due to this, and with the aim of establishing the right methodology to differentiate natural and Portland cements coexisting in those days, polished thin sections are done from the laboratory cement test pieces in order to establish natural cement identification patterns. After we have established a working method with the identification parameters of natural cement, samples are taken from those buildings that have no suffered restorations and still have the original materials, in order to analyze them in the laboratory. Thereby we can characterize the natural cements used in Madrid, and check the veracity of the data found in the building historical documentation. 2.4. Field research. Analysis of buildings with natural cement of Madrid In order to characterize the natural cements used in Madrid between 1850 and 1936, we have done an exhaustive study of the buildings built in that period of time. We have done two forms of each building, in which constructive and historical aspects are studied in order to analyze how natural cement was used in them, possible restorations and damages because of age or as a consequence of improper interventions. We have analyze all the historical documentation found in the historical registry of “Archivo de la Villa” and the COAM (Official Association of Architects of Madrid). We mainly search the constructive aspects, constructive documentation, details or material delivery notes at the building construction where the use of natural cement is mentioned. Once the historical documentation is analyzed, we have checked “in situ” the veracity of this information, to confirm the use of natural cement in them, if any rehabilitation was made and its conservation status. For it, we made facade elevation views using the technique of planimetric reconstruction of buildings, and we classify the type of damages that we found, the severity and they extension; in order to look for the differences of durability and pathology of natural cements, lime mortars and Portland cements. 2.5. Natural cement compatibility with present-day cements Once we have identify the buildings that used natural cement in its construction and analyzed its conservation state, we can study the potential damage caused by interventions that have used other kind of mortars. 3. Results and discussion 3.1. Experimental analysis. Characterization assays with laboratory cement test pieces After the laboratory essays we have observed that the natural cements have a higher absorption coefficient than ordinary Portland cements. This and a high compressive resistance makes them ideal not only for the restoration of historic buildings with natural cement, but also for the restoration of stone materials. (Gosselin et al., 2009). 3.2. Simplification of ROCARE methodology for natural cement identification During a visit to the IATCS (Institute of Arts and Technology / Conservation Sciences) in Vienna, we have studied the ROCARE method for natural cement identification using conventional optical polarized microscopy and scanning electron microscopy. We analyze thin polished sections done from the laboratory cement test pieces of natural cements and modern Portland cement to determine the identification patterns of this kind of cement. After analyze the samples done from the laboratory cement test pieces and determinate the identification parameters of natural cement, we apply the methodology with thin polished sections of samples taken from Madrid buildings build in that period of time. Highlights from the five samples: • Sample F1-035A: It belongs to the Velazquez Palace built between years 1881 and 1883. The sample was taken from an in situ run profile of the facade. In this case it is confirmed the use of natural cement on the facade decorations. With the use of optical microscope we can observe the characteristic lumps of over fired, well fired and under fired marls, typical of this kind of cement. This and the lack of alite crystals in the incompletely hydrated grains of cement confirm that the use of natural cement in this building. • Sample A1-003: Apartments building located in 13th Recoletos Street. Sample was taken from the render of an interior patio. In this case Portland cement was used for the mortar. It can be see clearly with an optical microscope the presence of non-hydrated belita and alite crystals. • Sample F1-177: The "Palacio de la Santa Cruzada" was built in 1888. The sample was taken from the facade render. This have a completely different structure, that because this sample is not made of any kind of cement. In this case, the render was made of gypsum mortar and It’s chemical composition is confirmed with the use of the electronic scanning microscopy. • Sample F1-329: The Music Palace was built in 1924. This sample was taken from a column of the original ballroom at the basements. In this case Portland cement was use for the building structure. As in the case of sample A1-003 it can be clearly seeing, in the optical microscope, crystals of non-hydrated belita and alite. • Sample F2-037: Cerralbo museum was built in 1884. the Sample was taken from one balustrade of the garden pavilion. In this case, although grains on non hydrated cement with exclusive belita presence were found, the total lack of the characteristic lumps of calcined marls reveals that this is not a natural cement. We can say that this is a belitic cement calcined at low temperature. Once used this ROCARE methodology for identification of natural cement, we simplify it. We determine the most significant parameters, and apply it to all buildings of Madrid of which we have got samples. 3.3. Field research. Natural cement conservation state Samples are obtained from 25 buildings of the 100 ones analyzed that were built between 1850 and 1936. We identify which ones use natural cement in its construction, its state of preservation and specific pathologies. After analyzing the conservation status of this 25 buildings, we have observed: • Natural cement mortars are in generally very well conserved. The main causes of damage are due to: 1. Improper repairs mainly using incompatible materials such as Portland cement. 2. Efflorescences caused by moisture problems due to improper maintenance of buildings and as a result of failures in the foundations drainage system or in the rainwater drainage system. •The analyzed Portland cement mortars have mainly damage due to: 1. Disintegration of the cement mortar. 2. As part of a repair of walls of brick with mortar of lime, the Portland cement are in a poor condition. This is because the properties of Portland cement mortars are substantially contrary to those of lime mortars: high resistance, high elastic coefficient, low permeability to water vapor and high salt soluble content and alkali. (Sanchez Alejandre, 2002) • The lime mortars that we have analyzed have mainly cracks and lost decoration fragments damages as a result of low mechanical and frost resistance. Generally these mortars require more maintenance than cement mortars. 3.4. Compatibility of Natural cement with current Portland cement mortars The analyzed natural cement mortars have a very good conservation state, the little damage that we found it's directly due to its high absorption coefficient: efflorescences or incompatibility with the repair mortars. However, the main damage origin are improper repairs carried out using incompatible materials such as Portland cements. In many cases this is because of the lack of knowledge of this material or an incorrect characterization. Because of the Natural cement's high absorption coefficient, in the presence of water, it absorbs the typical Portland cement's salts, crystallizing these salts inside the natural cement and causing irreparable damage to the original material. 4. Conclusions After a complete historical and analytical study of some the buildings with natural cement of Madrid, we have reached the following conclusions: 1. It's possible to visually identify the facades with natural cement through an examination of small samples of the building in a stereoscopic microscope. 2. The natural cement mortars have a different durability and pathology than lime and Portland cement mortars: a. Natural cement mortars have a higher mechanical resistance and require less maintenance than lime mortars. b. Natural cement mortars, in contrast to Portland cement mortars, don't produce efflorescences to the adjoining elements. However, because of their high capillarity, they can suffer damages from transporting salts from other origin. 3. We have observe multiple cases of incompatibility of natural cements with current Portland cement mortars.

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