Tipos de Técnicas no destructivas en Patrimonio en función de su uso

 

¿Qué ensayos no destructivos de Patrimonio podemos encontrar, teniendo en cuenta el uso que se le va a dar a la técnica? Te lo explicamos en este texto, extraído de uno de los módulos del “Curso de representación de ensayos no destructivos en Patrimonio“.

Tipos de TND usadas en patrimonio en función de su uso

Existen multitud de clasificaciones de END en función de distintos parámetros. Como se ha mencionado en el apartado anterior, el término END en su connotación industrial se centra en la determinación de parámetros físicos, fundamentalmente en lo que se refiere a la integridad estructural. Sin embargo, si consideramos los END de manera más amplia y específicamente en el caso del patrimonio, habría que incluir aquellas TND que se utilizan para la determinación de la composición o para la determinación de propiedades físicas cuyo cambio, aunque no afecte a la integridad estructural de un elemento, suponen una alteración de la morfología o de valores estéticos esenciales para la consideración patrimonial de un elemento.

Así, los END en el contexto del patrimonio constituido por geomateriales se pueden dividir en:

  • END relacionados con la determinación de la composición.
  • END relacionado con la determinación de propiedades físicas de superficie.
  • END relacionados con la determinación de propiedades físicas de conjunto.

Los END relacionados con la determinación de la composición son aquellas técnicas cuyo resultado nos da información sobre los constituyentes de la superficie del objeto estudiado. Para cumplir la premisa de ser no destructivas, estas técnicas se basan en la interacción de la materia con determinada radiación. Puesto que los materiales responden de manera diferente a las radiaciones, la respuesta obtenida nos da una indicación de la composición o de la mineralogía. Es importante tener en cuenta que, dado que la radiación emitida por el aparato de medida tiene una penetración limitada, los resultados que obtengamos van a corresponder a la superficie o una capa superficial de poco espesor. Los dos tipos principales de estas técnicas van a ser las técnicas espectroscópicas y las técnicas de difracción. Los equipos usados más frecuentemente en el campo del patrimonio son:

  • Espectroscopía Raman portátil: Esta técnica se basa en la interacción de fotones (fundamentalmente en los rangos de infrarrojo a ultravioleta) con las moléculas de una sustancia. Al incidir los fotones, la excitación de las moléculas se expresa en un estado vibracional con una determinada energía que provoca un espectro característico de la molécula, Así esta técnica permite determinar que grupos funcionales existen en la molécula (p.ej. grupo sulfato, grupo carbonato).
  • Espectroscopía de Fluorescencia de Rayos X portátil: La fluorescencia de rayos X consiste en emisión de rayos X secundarios por parte de un material al ser excitado con rayos X de alta energía. Cada elemento químico tiene un espectro de fluorescencia de rayos X característico, por lo que esta técnica es útil para el análisis elemental, especialmente cuando los elementos del material tienen un número atómico elevado.
  • Difracción de Rayos X portátil: Los sólidos en estado cristalino difractan los rayos X en determinadas direcciones en función de la periodicidad de los planos de átomos en una estructura ordenada. Esta técnica, por tanto, determina los minerales presentes en el material estudiado. Los mejores resultados de difracción de rayos X se obtienen sobre muestras en polvo que garanticen que estadísticamente se encuentran los minerales orientados en todas sus orientaciones posibles. En la técnica portátil esto no es posible, por lo que los difractogramas obtenidos son más complejos de interpretar que los obtenidos en un difractómetro de rayos X de polvo.

Los END relacionados con la determinación de propiedades físicas de superficie son especialmente relevantes en el campo del patrimonio, puesto que gran parte del valor patrimonial reside, en muchos casos, en la forma exterior o en valores estéticos (piénsese por ejemplo en un fósil o en una escultura). Los procesos de alteración y deterioro no se producen de manera isótropa y, como se vio en el módulo anterior, el deterioro se concentra en la zona más externa de los materiales expuestos a la atmósfera. Así, veíamos que muchas de las formas de deterioro son superficiales. En este sentido, en esta categoría incluimos técnicas que se centran en la determinación de parámetros estéticos o de forma externa, así cabe destacar:

  • Espectrofotometría: Esta técnica permite cuantificar el color de una superficie, mediante la medida de la emisividad en distintas longitudes de onda del espectro visible. Las medidas se expresan en determinados parámetros que sitúan en un espacio de color. Uno de los sistemas de representación más frecuentes en el ámbito del patrimonio es el sistema Lab establecido por la Comisión Internacional de Iluminación (CIE) en 1976 y que se recoge en la figura 2, dode se puede observar que hay 3 parámetros que definen el color: L* que corresponde a un eje blanco-negro, a* al verde-rojo y b* al eje azul-amarillo.

Figura 2: Espacio de color CIE Lab (imagen tomada de Sant’Anna et al., 2013).

 

  • Rugosidad: La rugosidad corresponde a una medida cuantitativa de la topografía superficial que se calcula a partir de las “cimas” y “valles” que tiene esta topografía. Esta propiedad es importante porque una mayor rugosidad implica una mayor superficie específica que, por ejemplo, se traduce en un mayor atrapamiento de partículas que puedan provocar ensuciamiento o una mayor reactividad en las reacciones químicas. La rugosidad se mide con dos tipos de aparatos principalmente: los profilómetros de contacto que miden la topografía de una línea de la superficie mediante una punta que se desplaza por la superficie, y los rugosimetros ópticos, que funcionan de manera similar a una fotogrametría de pequeña escala y son capaces de realizar modelos digitales de elevación y, por tanto, darnos una imagen cuantitativa y visual de la topografía superficial. Para mayor detalle y aplicaciones de esta técnica se aconseja consultar el artículo de Fort et al. (2012) en la bibliografía.

 

Como se mencionaba en el primer tema, este curso se centra en la representación de resultados de END relacionados con la determinación de propiedades físicas de conjunto por las connotaciones que tienen para determinar la estabilidad estructural. Las propiedades físicas de conjunto son aquellas inherentes a cierto material y por definición no dependen del tamaño, forma o cantidad de este material. Al concentrarse el deterioro en la zona más externa de los materiales expuestos a la atmósfera, en muchos casos podemos encontrar un objeto patrimonial con una superficie completamente deteriorada y un núcleo relativamente intacto. En este caso, las propiedades físicas de conjunto pueden no diferir sustancialmente de las del material sin alterar. Debido a esto, una de las áreas en las que las propiedades físicas de conjunto son particularmente relevantes son los materiales estructurales (es decir, aquellos materiales cuyo propósito es transmitir o soportar una fuerza).

El uso de técnicas no destructivas para medir las propiedades físicas de conjunto supone una dificultad conceptual en comparación con las de las propiedades superficiales, ya que mientras que las superficies son “accesibles” y las técnicas anteriores miden directamente, en este caso hay que sacar conclusiones sobre una propiedad de todo el objeto a partir de una medida no invasivas en la superficie.

En manuales como el de Hellier (2013), o en los recursos elaborados por la ASNT(https://www.asnt.org/MinorSiteSections/AboutASNT/Intro-to-NDT), las técnicas descritas corresponden en su mayoría a END de este tipo, desde la observación visual (podríamos incluir aquí varias de las actividades del módulo I) pasando por el Ensayo de Emisión Acústica (AE), Georadar (GPR), Ensayos Radiográficos (NR), hasta las técnicas que describiremos con un poco más de detalle: Ensayos eléctricos, dureza superficial (rebote), ensayos de ultrasonidos y ensayos de termografía de infrarrojos.

  • Ensayos eléctricos: Los ensayos eléctricos se basan en el cálculo, ya sea puntual o en perfiles, de la resistividad de los materiales. Materiales diferentes tienen distinta resistividad. La presencia de huecos o discontinuidades también tiene un reflejo en el comportamiento resistivo de los materiales. Así mismo, un material húmedo tiene menor resistividad que el mismo material seco. Las TND eléctricas hacen circular una corriente eléctrica por el material que estamos estudiando y calculan la resistividad del mismo. Esto se puede hacer de manera puntual, como en el caso de los medidores portátiles de humedad basados en la resistividad en los que se sitúan dos puntas sobre la superficie del material y se mide la resistividad puntual entre esas dos puntas (Este es el caso del “protimeter” que se mencionaba en un apartado anterior). Otras técnicas utilizan un conjunto de electrodos para generar un perfil con un cierto grado de penetración que dependerá de la separación de estos electrodos. Este es el caso de la técnica de tomografía de resistividad eléctrica. Es esta técnica se coloca un tren de electrodos (figura 3a) que funcionan en cuartetas (dos de ellos, externos, generan una corriente y dos de ellos, en medio de las anteriores, miden la resistividad) la combinación de los resultados de estas cuartetas en una secuencia de electrodos nos da un perfil de resistividades del substrato (Figura 3b). Estas técnicas son especialmente adecuadas para determinar la presencia de zonas húmedas.

 

Figura 3a. END de tomografía de resistividad eléctrica, donde se observa la disposición del tren de sensores.

Figura 3b. END de tomografía de resistividad eléctrica, donde se observa el perfil de resistividades resultante.

  • Dureza al rebote: La dureza es una propiedad física que se define como la resistencia de un material a determinado tipo de alteración. Cuando hablamos de dureza, nos suele venir a la mente la resistencia al rayado, que es el tipo de dureza que se utiliza comúnmente en el campo de la mineralogía. Sin embargo, existen otros tipos de dureza como la dureza a la penetración o la dureza al rebote, es decir, la reacción elástica de un material cuando choca contra él un material más duro. Cuanto más duro es un material, menor cantidad de energía se absorbe en el choque y mayor es el rebote, que es lo que se mide en este ensayo.

 

Hay que hacer dos salvedades en lo que se refiere a la inclusión de esta técnica como END relacionada con la determinación de propiedades físicas de conjunto. Primero, la dureza al rebote es una propiedad que se mide en la superficie y está muy afectada por las condiciones de alteración superficiales. Sin embargo, existen relaciones establecidas con propiedades de conjunto (resistencia a la comprensión simple) como se tratará en el próximo tema, por lo que se puede considerar como una técnica relevante para la determinación de propiedades mecánicas de conjunto. Segundo, algunas de las técnicas dentro de este grupo implican un fuerte impacto de un percutor sobre la superficie, de tal manera que si el material a evaluar se encuentra deteriorado se puede producir una destrucción del mismo. Este es el caso del martillo de Schmidt. En otras de las técnicas dentro de este grupo el tamaño del percutor es menor y por tanto el riesgo de destrucción se minimiza. Este es el caso del Equotip o del duroscopio en que el tamaño y la fuerza de impacto del percutor son muy pequeñas. Sin embargo, en todos los casos se produce un impacto que puede producir alguna marca, aunque sea mínima, en el material. Por esto estas técnicas se denominan en muchos casos técnicas mínimamente destructivas en lugar de técnicas no destructivas. Hay que tener precaución y evaluar previamente si este ensayo puede poner en peligro la integridad del elemento a evaluar.

  • Ensayos de ultrasonidos: Las técnicas de ultrasonidos se basan en la medida de la velocidad con la que una onda sónica de alta frecuencia se transmite a través del elemento evaluado. La velocidad de propagación del ultrasonido en el material va a estar relacionado con su porosidad y la presencia de discontinuidades además de con el material mismo y su compacidad. Esta técnica es la más adecuada para la detección de discontinuidades lineales.
  • Termografía de infrarrojos: La termografía de infrarrojos es una técnica no destructiva en la cual se obtienen las temperaturas superficiales de un objeto a partir de una imagen obtenida en la franja espectral de los infrarrojos (entre aproximadamente 8 y 20 micras, aunque esta banda dependerá de la cámara concreta utilizada). La longitud de onda en la que un cuerpo emite el máximo de radiación es inversamente proporcional a la temperatura a la que se encuentra dicho objeto. La influencia de las propiedades térmicas de un objeto (conductividad, calor específico, difusividad y efusividad), así como otras características físicas (porosidad, densidad, contenido en agua, etc.) en las termografías de infrarrojos, es la base para la utilización de esta técnica para localizar “defectos” o áreas en las que un proceso de deterioro ha modificado las propiedades térmicas del material, tanto en la superficie como en su interior.

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