Pizarras para cubiertas

Resumen

Introducción Esta tesis doctoral trata de diversos aspectos prácticos sobre pizarras para cubiertas. Hoy en día, España es el principal productor mundial de este tipo de roca ornamental, con unas exportaciones estimadas del 70% del total global para el año 2010. Paradójicamente, existen pocos trabajos publicados en revistas científicas internacionales sobre cualquier aspecto de la pizarra. Esto puede ser debido tanto al escaso interés de los productores en investigar sobre el material como a la gran facilidad que había hasta hace poco para vender el producto en el mercado internacional. Debido a ello, actualmente hay poca información sobre factores que afectan directamente a la calidad y precio de las pizarras como materiales de construcción, como las patologías que pueden sufrir y su durabilidad, así como la influencia que tiene en estos factores la petrología de las pizarras. Historia La pizarra en la Península Ibérica se empezó a explotar de forma industrial en la década de los años 60, cuando se produjo una mecanización del sector que incrementó enormemente la cantidad y calidad del producto, introduciéndose la pizarra española en los mercados de Reino Unido, Francia y Alemania, países con una larga tradición de arquitectura en pizarra. Las labores de arranque se realizaban con cartuchos de pólvora negra, lo cual fracturaba el bloque de pizarra. La introducción del hilo de diamante en la década de los 80 supuso un gran avance, ya que permitía sacar grandes bloques intactos, mejorando el rendimiento en cantera. Previamente al hilo de diamante se probaron otros sistemas alternativos a la extracción con pólvora, como las sierra de disco en cantera y las sierras de espada, pero estos métodos, a pesar de suponer un adelanto tecnológico, no pudieron competir con las prestaciones y el rendimiento del corte con hilo de diamante. La introducción de estos sistemas de corte permitió también observar las estructuras sedimentarias por primera vez, al ofrecer superficies planas perpendiculares a la foliación. Antes, el empleo de explosivo no permitía observar una superficie limpia, por lo que muchos rasgos de la estructura se perdían para los técnicos. En esta época se empezó a utilizar de manera regular el sondeo continuo como método de investigación. Las mejoras en los procesos de extracción y elaboración que se han venido incorporando al sector en los últimos años han incrementado de manera considerable el rendimiento de los yacimientos menos productivos. También se ha incorporado el marcado CE según la norma UNE 12326, lo que ha supuesto un valor añadido para la pizarra. Proceso productivo El proceso productivo de la pizarra para cubiertas es relativamente sencillo. Los bloques se extraen en cantera utilizando hilo de diamante, para ser trasladados a la nave de elaboración, donde se sierran en bloques más pequeños manipulables. Estos bloques son exfoliados a mano por los operarios, resultando placas de pizarra que se recortan siguiendo el formato que se esté fabricando en ese momento. Finalmente, las placas se retacan en jaulas de madera, estando ya listas para su expedición. Formaciones productivas La mayoría de las formaciones pizarrosas productivas se localiza en los terrenos ordovícicos del noroeste de la Península Ibérica, entre las provincias de Ourense y León. Otras explotaciones de menor tamaño se localizan en Villar del Rey (Cáceres, Silúrico), Bernardos (Segovia, Precámbrico) y Pastoriza (Lugo, Cámbrico). Desde un punto de vista estratigráfico, el principal litotecto se corresponde a la formación Pizarras de Luarca, que se explotan en numerosos puntos tanto de España como de Portugal. Siguiendo en orden de importancia, están las formaciones del Ordovícico superior del Sinclinal de Truchas (formaciones Casaio, Rozadais y Losadilla) y la formación Agüeira, fuera del dominio del Sinclinal. Objetivos Buscando un enfoque práctico, las publicaciones que componen esta tesis han tratado de solucionar o, por lo menos, avanzar en el conocimiento de los principales problemas que afectan al sector desde un punto de vista de calidad del producto, como son la incidencia de la oxidación de los sulfuros de hierro en la superficie de las placas de pizarra y su remedio, la durabilidad de ésta a lo largo de ciclos sucesivos de hielo-deshielo, las relaciones entre el comportamiento mecánico y la fábrica petrológica, la influencia de la mineralogía en el color de las pizarras y las principales patologías que sufre la pizarra. Así, los objetivos generales de la tesis se dividen en dos grupos: A) Estudio de la durabilidad de la pizarra para cubiertas como material de construcción. Este estudio comprende la determinación y caracterización de las patologías que afectan a las pizarras. Como primer paso antes de proponer mecanismos para eliminar o por lo menos atenuar dichas patologías, se estudiaron las tipologías y factores desencadenantes de las mismas. Las alteraciones que afectan a las pizarras son la oxidación de sulfuros de hierro y la yesificación de carbonatos. Estas patologías causan notables pérdidas al sector, sobre todo la oxidación. También se han estudiado las alteraciones que se producen por causas físicas, como las variaciones en el comportamiento mecánico (expresado por la resistencia a la flexión) de las placas de pizarra comerciales por efecto de ciclos sucesivos de hielo-deshielo. Este comportamiento está íntimamente relacionado con la textura microscópica de la pizarra, que a su vez de depende del litotecto de la cual se extrajo la pizarra, lo cual entronca directamente con el siguiente grupo de objetivos. B) Caracterización geológica y petrológica de las pizarras para cubiertas de la Península Ibérica. Se recogieron más de 50 muestras de pizarra para cubiertas de toda la Península Ibérica, cubriendo en total el 70% de las explotaciones activas y la totalidad de las formaciones pizarrosas productivas. Estas muestras fueron estudiadas mediante las técnicas petrológicas clásicas de caracterización (microscopía óptica de luz transmitida, difracción de rayos x y fluorescencia de rayos x), mientras que para cada trabajo se recurrió a las técnicas específicas requeridas. Dentro de este apartado se investigó también la relación que hay entre el color de las pizarras y su composición química y mineralógica. Conclusiones - Con respecto a la oxidación de los sulfuros de hierro, primeramente se elaboró un protocolo de medida de la efectividad de distintos tratamientos químicos protectores. Dicho protocolo permite cuantificar numéricamente y, por tanto, comparar los productos entre si. Seguidamente se propuso una metodología eficaz de protección frente a la oxidación, basada en la pasivación superficial de los sulfuros de hierro. Dicho método se encuentra hoy en día en fase de estudio de viabilidad para su aplicación industrial a gran escala. - Se estudiaron las patologías que se dan en pizarras, así como sus causas y los factores ambientales potencialmente desencadenantes. Estas patologías se han clasificado siguiendo los criterios dictados por el ICOMOS. - Se ha investigado la relación existente entre ciclos sucesivos de hielo ¿ deshielo y las variaciones en la resistencia mecánica y otros parámetros de las pizarras. Igualmente, se ha encontrado una fuerte relación entre la estructura microscópica de la pizarra y su resistencia a la flexión, lo que permite aproximar un valor conociendo el otro. - Asimismo, se han encontrado relaciones entre la composición química y mineralógica y el color de las pizarras. El estudio de los parámetros de color y brillo han permitido confeccionar grupos de pizarras más similares entre si, lo que puede ser usado en tareas de restauración y sustitución de placas. - Por último, el examen de los datos de la composición geoquímica ha puesto de manifiesto las distintas huellas geoquímicas de cada litotecto de pizarra, lo cual es muy útil a la hora de determinar la procedencia de una pizarra. Este hecho tiene también una aplicación directa en restauración. RESUMEN (en Inglés) Introduction This thesis deals with various practical aspects of roofing slates. Today, Spain is the main producer of this type of ornamental stone, with exports about 70% of the global total in 2010. Paradoxically, there are few papers published in international scientific journals on any aspect of roofing slates. This may be due both to lack of interest of producers in researching the material and the great facility until recently time for selling the product in the international market. As a result, there is currently little information on factors that directly affect the quality and price of the tiles as building materials, such as pathologies that can suffer and their durability as well as the influence of these factors on the petrology of the slates. History Roofing slates in the Iberian Peninsula began to exploit industrially in the early 60s, when there was a mechanization of the sector which greatly increased the quantity and quality of product, introducing Spanish slate in the markets of UK, France and Germany, countries with a long tradition of slate roofing. At this time, the quarrying labors were performed with black powder cartridges, which fractured the slate block. The introduction of diamond wire in the 80's was a breakthrough because it allowed to take large blocks intact, improving performance in quarry. Before the diamond wire, other alternative systems of extraction with gunpowder were tested, as the disk saws and sword saws, but these methods, although they supposed a technological breakthrough, could not compete with the features and performance of the diamond wire. The introduction of diamond wire also allowed to observe sedimentary structures for the first time, since it provided flat surfaces perpendicular to the foliation. Previously, the use of explosive did not permit to observe a clean surface, so that many features of the structure were lost for technicians. At this time, boreholes began to be used regularly as a continuous survey research method. Improvements in the processes of extraction and processing that have been incorporated into the sector in recent years have significantly increased the performance of less productive sites. Also, the integration of the CE marking according to UNE 12326, has brought an added value to the slate. Production process The production process for roofing slate is relatively simple. The blocks are extracted using diamond wire at the quarry, and then brought to the factories, where are cut into smaller blocks which can be handled. These blocks are split by hand by workers, resulting slate tiles which are cut following the format that is being manufactured at that time. Finally, the tiles are stock in wooden cages, being now ready for shipment. Productive formations Most of the slate formations productive are located in the Ordovician terrains of northwestern Iberian Peninsula, between the provinces of Ourense and Leon. Other smaller quarries are located in Villar del Rey (Cáceres, Silurian), Bernards (Segovia, Precambrian) and Pastoriza (Lugo, Cambrian). From a stratigraphic point of view, the main lithotec corresponds to the Luarca Slates formation, which is quarried at numerous points in Spain and Portugal. Following in order of importance, are the formations of the Upper Ordovician of the Truchas Syncline (Casaio formations, and Losadilla Rozadais) and the formation Agüeira, outside the domain of the Syncline. Objectives By seeking a practical approach, publications of this thesis have been addressed, or at least increase the understanding of the main problems affecting the sector from the point of view of product quality, such as the incidence of oxidation of iron sulfides on the surface of slate tiles, the durability of the slate tiles during successive cycles of freeze-thaw, the relations between the mechanical and petrological texture, the influence of mineralogy in the slate color, and major pathologies suffered by the slate. Thus, the overall objectives of the thesis are divided into two groups: A) Study of the durability of roofing slate as a building material. This point includes the identification and characterization of pathologies affecting the slates. As a first step, the types and controlling factors of the pathologies were determined. Mineral changes affecting the slates are the oxidation of iron sulfides and gypsification of carbonates. These pathologies cause substantial losses to the industry, especially oxidation. Other features studied were the changes that occur by physical causes, such as variations in the mechanical behavior (expressed by the bending strength) of commercial slate plates to effect successive cycles of freezing-thawing. This behavior is closely related to the microscopic texture of slate, which in turn depends on the lithotec, directly linking to the second group of objectives. B) Geological and petrological characterization of roofing slates from the Iberian Peninsula. Over 50 samples of slate were collected from the Iberian Peninsula, covering in total 70% of active quarries and the entire production slate formations. These samples were studied by classical petrological characterization techniques (transmitted light optical microscopy, x-ray diffraction X-ray fluorescence), and for each task specific techniques required were used. At this point, the relationship between the color of the tiles and their chemical and mineralogical composition was also investigated. Conclusions - Regarding the oxidation of iron sulfides, a protocol was developed for measuring the effectiveness of different chemical protective treatments. This protocol allows to quantify numerically and, therefore, compare products with each other. Subsequently it was proposed an effective methodology for protection against oxidation, based on surface passivation of iron sulfides. This method is now undergoing feasibility study for large scale industrial application. - The pathologies that occur in slates, its causes and environmental triggers were studied and characterized. These pathologies were classified according to the criteria issued by the ICOMOS. - Relationship between successive cycles of freezing - thawing and changes in the mechanical strength were investigated. Also, a strong relationship between the microscopic structure of the slate and its bending strength was found, allowing approximate value knowing the other. - Relationships between the chemical and mineralogical composition and color of the tiles were also found. The study of color and brightness of slates have allowed to make groups of similar slates, which can be used in restoration work and replacement of tiles. - Finally, examination of the data of the geochemical composition revealed different geochemical traces of each slate lithotec, which is very useful in determining the origin of a single slate. This fact can be used in restoration too.