Relationship between static and dynamic elastic modulus of calcarenite heated at different temperatures: the San Julián's stone

The San Julián’s stone is the main material used to build the most important historical buildings in Alicante city (Spain). This paper describes the analysis developed to obtain the relationship between the static and the dynamic modulus of this sedimentary rock heated at different temperatures. The rock specimens have been subjected to heating processes at different temperatures to produce different levels of weathering on 24 specimens. The static and dynamic modulus has been measured for every specimen by means of the ISRM standard and ultrasonic tests, respectively. Finally, two analytic formulas are proposed for the relationship between the static and the dynamic modulus for this stone. The results have been compared with some relationships proposed by different researchers for other types of rock. The expressions presented in this paper can be useful for the analysis, using non-destructive techniques, of the integrity level of historical constructions built with San Julián’s stone affected by fires.

Temperature influence on the physical and mechanical properties of a porous rock: San Julian's calcarenite

This work discusses the results from tests which were performed in order to study the effect of high temperatures in the physical and mechanical properties of a calcarenite (San Julian's stone). Samples, previously heated at different temperatures (from 105 °C to 600 °C), were tested. Non-destructive tests (porosity and ultrasonic wave propagation) and destructive tests (uniaxial compressive strength and slake durability test) were performed over available samples. Furthermore, the tests were carried out under different conditions (i.e. air-cooled and water-cooled) in order to study the effect of the fire off method. The results show that uniaxial compressive strength and elastic parameters (i.e. elastic modulus and Poisson's ratio), decrease as the temperature increases for the tested range of temperatures. A reduction of the uniaxial compressive strength up to 35% and 50% is observed in air-cooled and water-cooled samples respectively when the samples are heated to 600 °C. Regarding the Young's modulus, a fall over 75% and 78% in air-cooled and water-cooled samples respectively is observed. Poisson's ratio also declines up to 44% and 68% with the temperature in air-cooled and water-cooled samples respectively. Slake durability index also exhibits a reduction with temperature. Other physical properties, closely related with the mechanical properties of the stone, are porosity, attenuation and propagation velocity of ultrasonic waves in the material. All exhibit considerable changes with temperature.

Estudio de la fluencia de una calcarenita: la Piedra de San Julián (Alicante)

La fluencia de las rocas tiene gran importancia en la evaluación del comportamiento a largo plazo de elementos construidos con estos materiales. En este trabajo, se ha caracterizado física y mecánicamente una calcarenita porosa bien conocida localmente como Piedra de San Julián. Se han realizado ensayos de compresión uniaxial de 96 h. a carga constante. Se ha utilizado un modelo de fluencia bien conocido, el Código-modelo CEB-FIP 2010, usado para modelizar otro material pétreo (hormigón). Además, se ha propuesto un modelo reológico. El objetivo principal de este trabajo es investigar la posibilidad de aprovechar la gran experiencia acumulada en el estudio del hormigón, con el fin de obtener un enfoque para el comportamiento de la roca, para tiempos de prueba muy largos difíciles de implementar en laboratorio. Se propone una función de fluencia adaptada a la roca estudiada dependiente sólo de sus características elásticas y mecánicas.

Propiedades físicas y mecánicas de una calcarenita: la Piedra de San Julián

En este trabajo se estudian las características físico-mecánicas de la Piedra de San Julián y su comportamiento frente a procesos de calentamiento a temperaturas similares a las alcanzadas en un incendio, así como la puesta a punto y validación de métodos dinámicos no destructivos para el dictamen del estado de desgaste del material. El enfoque está orientado a los parámetros que más interesan en la utilización de la Piedra como material de construcción. Dado que esta Tesis se realiza por compendio de artículos, por razones prácticas y necesidades de publicación, el contenido de la misma está dividido en tres grandes bloques, como son: fluencia, exposición a altas temperaturas y relación entre módulos estáticos y dinámicos. Para el estudio de la fluencia o deformabilidad a largo plazo bajo carga constante se han realizado ensayos de carga estáticos de larga duración. Por otra parte, se ha efectuado un análisis del comportamiento reológico del hormigón en las distintas normativas, especialmente en el Código Modelo FIB (2010), y se ha buscado un paralelismo entre las previsiones del Código y los resultados obtenidos en los ensayos. Al mismo tiempo se han probado varios modelos reológicos que reproduzcan de forma precisa el comportamiento de la fluencia según el Código y los ensayos. Esto ha permitido ajustar una función, adaptando las especificaciones del Código modelo, que describe la deformación en el tiempo de la Piedra de San Julián. La validez teórica de esta ecuación alcanza períodos temporales similares a los existentes para los ensayos realizados con hormigón. El modelo reológico que se ha obtenido por ajuste de todo el período anterior, consta de cuatro celdas de Kelvin y predice igualmente la deformación por fluencia de la roca. La correcta evaluación de las deformaciones a largo plazo es necesaria siempre que se estudie la intervención en edificaciones históricas, bien sea variando la distribución de cargas, o simplemente realizando obras de mantenimiento de cierto calado. La influencia de la temperatura alcanzada y del proceso de enfriamiento utilizado, se ha analizado sobre 55 muestras de roca calentando a temperaturas de hasta 600 ºC y enfriando por dos métodos: al aire y mediante inmersión en agua, ambas a temperatura ambiente. Los parámetros controlados antes y después del proceso térmico han sido: porosidades abierta y total velocidad de propagación de ondas ultrasónicas, módulo de elasticidad, coeficiente de Poisson, resistencia a compresión uniaxial (UCS) y durabilidad según el ensayo de sequedad, humedad y desmoronamiento, Slake Durability Test (SDT). Como conclusiones más notables cabe destacar: la UCS disminuye en un 35% y en un 5O% según el enfriamiento se haya realizado al aire o por inmersión, mientras que el módulo de elasticidad se reduce entre un 75% y un 80%. Las conclusiones obtenidas son importantes para la determinación del daño estructural producido en un incendio, así como para evaluar la influencia del método de extinción. Por otra parte, pueden servir para estimar indirectamente la temperatura máxima alcanzada en un incendio, de cara a la determinación de los posibles efectos sobre otros elementos constructivos. Para la relación entre módulos estáticos y dinámicos se han estudiado 24 muestras con diferentes grados de deterioro. Con los datos obtenidos en los ensayos se han analizado estadísticamente quince modelos de relación con diferentes combinaciones de variables, y se ha construido la correspondiente matriz de correlación. El coeficiente de determinación más alto corresponde a una relación lineal entre ambos módulos. La determinación del módulo de elasticidad por medios no destructivos y de fácil implementación es muy útil cuando se trata de dictaminar sobre el envejecimiento de un material estructural de este tipo. El valor del módulo con respecto al de la roca intacta es un indicador de las características resistentes y grado de debilitamiento del material. Sin embargo, el módulo bajo cargas gravitatorias -estáticas- difiere en general del obtenido dinámicamente, de una manera diferente según el material que se analice. Aquí se ha obtenido una expresión, que correlaciona con un alto valor del coeficiente de determinación ambos módulos, para la roca estudiada. Los parámetros, relaciones y modelos estudiados y propuestos en esta tesis, suponen un importante avance científico de gran utilidad para la conservación y restauración del patrimonio de edificios y otras obras de carácter histórico-cultural construidas con la Piedra de San Julián. Asimismo, las conclusiones obtenidas y los medios y métodos empleados podrán ser extrapolados a otros materiales similares con las adaptaciones oportunas.

The deterioration of Circular Mausoleum, Roman Necropolis of Carmona, Spain

The Circular Mausoleum tomb in the Roman Necropolis of Carmona was carved on a calcarenite sequence in an ancient quarry located in the town of Carmona, Southern Spain. This rock-cut tomb, representative of Roman burial practices, currently suffers from serious deterioration. A detailed survey over several years permitted the identification of the main tomb's pathologies and damaging processes, which include loss of material (scaling, flaking, granular disintegration), surface modifications (efflorescences, crusts and deposits) and extensive biological colonization. The results obtained in this study indicated that anthropogenic changes were largely responsible and enhanced the main alteration mechanisms observed in the Circular Mausoleum. Based on the deterioration diagnosis, effective corrective actions were proposed. This study shows that any conservative intervention in the interior of the tomb should be preceded by accurate in situ measurements and laboratory analyses to ascribe the source of the deterioration damages and thus designing effective treatments.

The influence of rock fabric in the durability of two sandstones used in the Andalusian Architectural Heritage (Montoro and Ronda, Spain)

Natural stone has been a popular and reliable building material throughout history appearing in many historic monuments and in more recent buildings. Research into the intrinsic properties of specific stones is important because it gives us a greater understanding of the factors that limit and act on them. This can help prevent serious problems from occurring in our buildings bringing both esthetic benefits and financial savings. To this end, the main objective of this research has been to study the influence of the fabric and the mineral composition of two types of sandstone on their durability. The first is a red continental sandstone from the Buntsandstein Age called “Molinaza Roja”, which is quarried in Montoro (Cordoba). The second is quarried in Ronda (Malaga) and is sold under the trade name of “Arenisca Ronda”. It is a light pink-whitish calcarenite deposited during the Late Tortonian to Late Messinian. We characterized their petrological and petrophysical properties by studying their rock fabrics, porous systems and mechanical properties. In order to obtain a complete vision of the behavior of their rock fabrics, we also carried out two decay tests, the salt crystallization and the freeze–thaw tests. We then measured the effects on the textures of the altered samples during and after the decay tests and we evaluated the changes in the porous system. By comparing the results between intact and altered samples, we found that Arenisca Ronda is less durable because it has a high quantity of expandable clays (smectites) and a high percentage of pores in the 0.1–1 μm range, in which the pressure produced by salt crystallization is strongest. In Molinaza Roja the decay agents caused significant sanding due to loss of cohesion between the clasts, especially during the salt crystallization test. In both stones, the anisotropies (oriented textures) have an important role in their hydric and dynamic behavior and also affect their mechanical properties (especially in the compression resistance). No changes in color were detected.