Redacción 7
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ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 12. CURSO 2012-2013 1 “HORMIGONES CON BIORECEPTIVIDAD MEJORADA E INCORPORACIÓN DE MICROORGANISMOS” Andrés Costa Favio Gonell Juan Carlos Witt Universidad Politécnica de Catalunya Master de Ingeniería Estructural y De la Construcción Escuela Técnica Superior De Ingenieros De Caminos, Canales Y Puertos [email protected] [email protected] [email protected] Resumen: El presente documento tiene por finalidad estudiar el estado del conocimiento actual entorno al hormigón con bioreceptividad mejorada y microorganismos, considerando la apertura de posibles estudios y aplicaciones de hormigones bioreceptivos en la ingeniería civil y la arquitectura. Se presentará en el trabajo algunos estudios e investigaciones en el ámbito de la bioreceptividad y su influencia en el hormigón. Se mencionarán algunas ventajas, desventajas y algunas observaciones de las posibles tendencias del tema. Palabras clave: Bioreceptividad, materiales avanzados, hormigones especiales, microorganismos. 1. Introducción El hormigón es el material más usado mundialmente en la ingeniería civil y la arquitectura en un gran número de aplicaciones entre las que están a modo general: edificaciones, puentes, presas, canales, puertos y hasta en restauración de monumentos históricos. El deterioro del hormigón como resultado de la interacción con el medio ambiente puede llevar a una pérdida de la funcionalidad, durabilidad y/o estética. Las consecuencias más comunes de dicha interacción son las alteraciones físicas, químicas y en algunos casos incluso por alteraciones biológicas. La respuesta a los cambios ambientales depende mayormente de la naturaleza de los componentes del hormigón. Esta naturaleza de los componentes o materiales del hormigón en su conjunto podría ser susceptible o no a la colonización de microrganismos, dependiendo de las características mismas del material y de las condiciones medioambientales. En base al término susceptibilidad utilizado comúnmente en el campo de la medicina para describir a la vulnerabilidad de un organismo a las enfermedades, podríamos introducir el termino Bioreceptividad como las propiedades que tiene un material u objeto inanimado para contribuir al establecimiento, fijación y desarrollo de fauna y/o flora. [1] Antes del desarrollo del tema de trabajo, es importante aclarar la diferencia entre colonización y bioreceptividad, que puede tender a confundirse. La colonización se refiere a las condiciones que deben reunirse para el albergue, desarrollo y multiplicación de los organismos sin tomar en cuenta la habilidad del material para recibir organismos vivientes de manera transitoria y/o fortuita. Mientras que el concepto de bioreceptividad si toma en cuenta las propiedades del material a este establecimiento de organismos. [2] La Información acerca de la bioreceptividad del hormigón es de gran importancia porque nos permite entender las propiedades del material que influyen en el desarrollo de la colonización de microorganismos. A partir de esto se nos proveería de información útil para aplicar dichas características en las construcciones nuevas con perspectivas ambientales y en la conservación y reparación de estructuras de hormigón y hasta monumentos históricos que puedan ser afectados o beneficiados por dichos organismos. En el presente documenta se desarrollará informaciones de estudios e investigaciones entorno a la biorecptividad en el hormigón u otros materiales rocosos. En la segunda sección se realizará una aclaración de los términos que se utilizarán a lo largo del trabajo. En la sección tres se presentarán diferentes estudios entorno a la bioreceptividad y su influencia en materiales rocosos de construcción y el hormigón. Luego en sección cuatro se procederá a presentar las propiedades del hormigón entorno a la bioreceptividad y la interacción de las condiciones ambientales que influyen en la colonización de microorganismos de dichos materiales. En la sección cuatro también se incluyen algunas ventajas y desventajas de la bioreceptividad en el hormigón. En la sección cinco se presentan algunas observaciones entorno al tema como las posibles tendencias de estudios y aplicaciones entorno a este tema.
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ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 12. CURSO 2012-2013
1
“HORMIGONES CON BIORECEPTIVIDAD MEJORADA E
INCORPORACIÓN DE MICROORGANISMOS”
Andrés Costa
Favio Gonell
Juan Carlos Witt Universidad Politécnica de Catalunya
Master de Ingeniería Estructural y De la Construcción Escuela Técnica Superior De Ingenieros De Caminos, Canales Y Puertos
Resumen: El presente documento tiene por finalidad
estudiar el estado del conocimiento actual entorno al
hormigón con bioreceptividad mejorada y
microorganismos, considerando la apertura de posibles
estudios y aplicaciones de hormigones bioreceptivos en la
ingeniería civil y la arquitectura. Se presentará en el trabajo
algunos estudios e investigaciones en el ámbito de la
bioreceptividad y su influencia en el hormigón. Se
mencionarán algunas ventajas, desventajas y algunas
observaciones de las posibles tendencias del tema.
Palabras clave: Bioreceptividad, materiales avanzados,
hormigones especiales, microorganismos.
1. Introducción
El hormigón es el material más usado
mundialmente en la ingeniería civil y la arquitectura
en un gran número de aplicaciones entre las que están
a modo general: edificaciones, puentes, presas,
canales, puertos y hasta en restauración de
monumentos históricos.
El deterioro del hormigón como resultado de la
interacción con el medio ambiente puede llevar a una
pérdida de la funcionalidad, durabilidad y/o estética.
Las consecuencias más comunes de dicha
interacción son las alteraciones físicas, químicas y en
algunos casos incluso por alteraciones biológicas.
La respuesta a los cambios ambientales depende
mayormente de la naturaleza de los componentes del
hormigón. Esta naturaleza de los componentes o
materiales del hormigón en su conjunto podría ser
susceptible o no a la colonización de microrganismos,
dependiendo de las características mismas del
material y de las condiciones medioambientales.
En base al término susceptibilidad utilizado
comúnmente en el campo de la medicina para
describir a la vulnerabilidad de un organismo a las
enfermedades, podríamos introducir el termino
Bioreceptividad como las propiedades que tiene un
material u objeto inanimado para contribuir al
establecimiento, fijación y desarrollo de fauna y/o
flora. [1]
Antes del desarrollo del tema de trabajo, es
importante aclarar la diferencia entre colonización y
bioreceptividad, que puede tender a confundirse.
La colonización se refiere a las condiciones que
deben reunirse para el albergue, desarrollo y
multiplicación de los organismos sin tomar en cuenta
la habilidad del material para recibir organismos
vivientes de manera transitoria y/o fortuita. Mientras
que el concepto de bioreceptividad si toma en cuenta
las propiedades del material a este establecimiento de
organismos. [2]
La Información acerca de la bioreceptividad del
hormigón es de gran importancia porque nos permite
entender las propiedades del material que influyen en
el desarrollo de la colonización de microorganismos.
A partir de esto se nos proveería de información útil
para aplicar dichas características en las
construcciones nuevas con perspectivas ambientales y
en la conservación y reparación de estructuras de
hormigón y hasta monumentos históricos que puedan
ser afectados o beneficiados por dichos organismos.
En el presente documenta se desarrollará
informaciones de estudios e investigaciones entorno a
la biorecptividad en el hormigón u otros materiales
rocosos.
En la segunda sección se realizará una aclaración
de los términos que se utilizarán a lo largo del
trabajo.
En la sección tres se presentarán diferentes
estudios entorno a la bioreceptividad y su influencia
en materiales rocosos de construcción y el hormigón.
Luego en sección cuatro se procederá a presentar
las propiedades del hormigón entorno a la
bioreceptividad y la interacción de las condiciones
ambientales que influyen en la colonización de
microorganismos de dichos materiales.
En la sección cuatro también se incluyen algunas
ventajas y desventajas de la bioreceptividad en el
hormigón.
En la sección cinco se presentan algunas
observaciones entorno al tema como las posibles
tendencias de estudios y aplicaciones entorno a este
tema.
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 12. CURSO 2012-2013
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2. Términos Generales
Esta sección tiene la finalidad de presentar y
aclarar algunos conceptos que se utilizarán a lo largo
del trabajo.
O. Guillite sugirió en 1995 definir la
Bioreceptividad como la aptitud de un material de ser
colonizado por uno o varios grupos de organismo sin
que estos necesariamente signifiquen el desarrollo de
algún tipo de biodeterioro. [1]
En base al estudio realizado por O. Guillitte en su
artículo “Bioreceptivity: a new concept for building
ecology studies”, [1] se sugiere algunas definiciones
para los siguientes términos: bioreceptividad
primaria, secundaria, terciaria y también los
conceptos de bioreceptividad intrínseca, extrínseca, y
semi-extrínseca.
La Bioreceptividad primaria se define cuando el
material no ha sido expuesto a colonización y las
propiedades del material se mantienen muy similares
a las de su estado inicial permitiendo el
establecimiento de microorganismos. Esta
bioreceptividad primaria es considerada para indicar
el potencial inicial de colonización.
La Bioreceptividad secundaria queda definida
cuando con el tiempo existe una evolución de las
características de las propiedades de la
bioreceptividad bajo la acción colonizadora de
organismos y/o de otros factores causantes de estos
cambios. Con fines prácticos la bioreceptividad
secundaria es frecuentemente más importante que la
primaria.
La Bioreceptividad terciaria se define como la
modificación de la bioreceptividad primaria o
secundaria por la acción humana a través de la
alteración de las características de las propiedades del
material. Ejemplo de alteraciones: la consolidación,
recubrimiento con un biocida, el desgaste o pulido de
la superficie.
En la Fig. 1 se presenta una representación de los
términos de bioreceptividad primaria, secundaria y
terciaria. La flecha blanca indica la colonización, la
flecha negra indica la deterioración físico-química y
la flecha discontinua representa el mecanismo de
biodeterioración.
La Bioreceptividad extrínseca queda definida
cuando la bioreceptividad es originada por el depósito
y acumulación de partículas y/o materiales orgánicos
en el material, tales como, suelos, polvo o partículas
orgánicas. En general si estas son sustanciales, estas
pueden modificar las condiciones iniciales de la
bioreceptividad, permitiendo la colonización también
de otros organismos.
La Bioreceptividad semi-extrínseca se define
cuando la colonización depende directa y
simultáneamente en las propiedades del material y de
los depósitos de sustancias exógenas (externas).
Fig. 1.: Bioreceptividad Primaria, secundaria y terciària. [1]
La Bioreceptividad intrínseca se define cuando la
colonización depende principalmente de las
propiedades del material sin considerar las
contribuciones exógenas. En la Fig. 2 se presenta dos
casos de bioreceptividad. La flecha blanca representa
el mecanismo de colonización, donde la flecha blanca
indica la colonización, la flecha negra indica la
deterioración físico-química y la flecha discontinua
representa el mecanismo de biodeterioración.
Guillite también indica que es posible definir el
concepto de bioreceptividad de un material de forma
más amplia complementándola con la máxima
accesibilidad y las condiciones ambientales que son
óptimas para el desarrollo de los organismos. [1]
Fig. 2.: Bioreceptividad: a) Extrinseca-bioreceptividad
primaria. b) Semi-extrinseca-bioreceptividad secunadaria
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 12. CURSO 2012-2013
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3. Investigaciones Existentes
En esta sección se presentarán diferentes estudios
entorno a la bioreceptividad y su influencia en el
hormigón y materiales de base cemento,
considerando las propiedades del material y las
condiciones ambientales.
Se han desarrollado diferentes estudios para
determinar la bioreceptividad de los materiales, estos
han tenido como enfoque medir parámetros de la
colonización de algas, musgos, diásporas y otros
microorganismos.
Guillitte y Dreesen realizaron ensayos a varios
materiales de construcción, piedra, ladrillos, morteros
y hormigón, en condiciones biológicas favorables y
observaron que la bioreceptividad de los materiales es
muy variable y depende de algunos factores como la
rugosidad de la superficie, la porosidad inicial y la
naturaleza mineralógica. [3]
A través de investigaciones realizadas en pruebas
de laboratorio aceleradas de crecimiento biológico en
muestras de mortero, se indica que la evolución de
algas aumenta con la porosidad del material
subyacente. Además a mayor porosidad de la pasta de
cemento se podría disponer de más agua para que los
organismos puedan crecer. [4]
Entre factores importantes que van de la mano de
la bioreceptividad se encuentra las diferentes especies
de organismos y microorganismos que pueden
colonizar materiales como el hormigón. [5]
De acuerdo a diferentes investigaciones se aprecia
que existen simples organismos que podrían
conquistar micro hábitats artificiales altamente
estresantes y estériles, y en el proceso de ayudar a
mejorar las condiciones del sustrato para facilitar la
invasión de las plantas superiores. [5]
Se destaca que microorganismos como las
bacterias, cyanobacterias, algas, hongos y líquenes
generalmente sirven como especies pioneras en las
etapas iniciales de la colonización de los hábitats
urbanos. [5]
En otra investigación llevada a cabo sobre los
efectos de las características subyacentes del
hormigón para el desarrollo de una mancha biológica,
los resultados mostraron que las manchas biológicas
se deben a dos tipos diferentes de algas
microscópicas, cuya presencia depende de la cantidad
de humedad. [4]
Jim C., indica que los factores climáticos,
especialmente la humedad y retención de agua, podría
anunciar cambios principales de las superficies
construidas para provocar la colonización vegetal y el
desarrollo de organismos. Análogo al proceso de
envejecimiento natural, los materiales de
construcción pueden gradualmente transformarse para
ser cada vez más adecuados para la vida, a través de
su acondicionamiento para facilitar el proceso de
sucesión o crecimiento. [5]
El aumento de la capacidad de retención de
humedad y la liberación de nutrientes en una forma
usual sirven como los precursores de la colonización.
Un ejemplo se encuentra en Venecia, donde el
suministro de humedad liberal ha facilitado el
crecimiento extensivo de algas en la mayoría de los
edificios históricos. [5]
Pruebas sobre Bioincrustaciones (Acumulación
de microorganismos, plantas o animales sobre
estructuras) revelaron que los aislados fúngicos
tomados en Campo, eran capaces de colonizar las
superficies de concreto cuando se suministraron con
humedad (95-100% de humedad relativa) y una
fuente de nutrientes, y también se observó que el
incrustamiento se vió afectado por la relación agua/
cemento del hormigón, rugosidad de la superficie, y
presencia de adiciones de cemento activadas
fotocatalíticamente para inhibir el crecimiento
microbiano. [6]
Entre otros aspectos que muestran las
investigaciones en infraestructuras, en muestras
obtenidas en campo, se encontró que no se produjo
contaminación biológica apreciable más allá de las
superficies expuestas de las estructuras. Sugiere que
los nutrientes y el ambiente necesario para fomentar
el crecimiento, no están presentes en el material en sí
mismo, sino que debe ser proporcionada por el medio
ambiente o a través de interacciones entre el
hormigón y el medio ambiente. [6]
La presencia de morteros de caliza con una
reacción alcalina podría ejercer una influencia notable
en la composición de especies vegetales, como lo
demuestra un estudio reciente en Europa central. [7]
En general, otros factores ambientales, como la
temperatura, la luz, el viento, la ubicación y
orientación de las superficies de los edificios, también
influyen en el microclima y las condiciones micro-
hábitat para el crecimiento vegetal. [5]
En un estudio de la Universidad de São Paulo, con
la finalidad de estandarizar una prueba de laboratorio
acelerada para la detección de la bioreceptividad de
hongos en morteros interiores, se tomaron muestras
de 41 edificios. Se probaron dos morteros fabricados
en laboratorio de compuestos de cemento Portland
ordinario más adiciones, y dos morteros de
construcción de hormigón premezclado. [8]
Las muestras fueron expuestas en una cámara con
dióxido de carbono. Se concluyó que el tipo de
sustrato para la mezcla de morteros, el tamaño de las
muestras de ensayo, el grado de carbonatación del
mortero (que influye en el pH) y la humedad relativa
a la que se expuso las muestras de mortero,
demostraron ser factores clave, que influyen en la
bioreceptividad de hongos en los morteros. El
procedimiento de ensayo general es aplicable a
cualquier región geográfica, utilizando lógicamente
organismos representativos según cada región.. [8]
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4. Bioreceptividad Mejorada en el
Hormigón
En esta sección se procederá a presentar las
propiedades del hormigón entorno a la
bioreceptividad y la interacción de las condiciones
ambientales que influyen en la colonización de
microorganismos del material.
4.1. Propiedades del Hormigón
Hay una serie de propiedades que pueden ser
utilizadas como medidas de la calidad general de
hormigón. Estas características, incluyendo
resistencia a la compresión, la permeabilidad,
contenido de humedad, la porosidad y rugosidad de la
superficie.
Las características presentadas están relacionadas
entre sí y afectadas por otras propiedades de la
composición de hormigón, tales como Tipo de
cemento, adiciones y la relación de agua / cemento,
así como la edad y la exposición del medio ambiente.
La bioreceptividad del hormigón puede ser
influenciada por una combinación de estas
características. [6]
El pH es otro factor que debe ser considerado para
la determinación de la bioreceptividad en el
hormigón. Indicaciones de pH de la superficie de
hormigón y sus capas internas subyacentes sugieren
que la carbonatación, reduce el pH a menos de 9,
puede ser necesario para que sea posible colonización
o crecimiento. [6]
El Mortero recién preparado se caracteriza por un
valor de pH superior a 12 y bajo tales condiciones
alcalinas la mayoría de los microorganismos no
pueden crecer. [9]
Si todo el hidróxido de calcio se neutraliza, esto
puede conducir a una disminución en el valor de pH
12,5 a 8,3, creando así condiciones favorables para la
propagación microbiana. Los valores de pH inferiores
o próximos a 9 permiten la colonización de morteros
por organismos como C. sphaerospermum, mientras
que el pH cerca de, o superior a 10 inhiben el
crecimiento. [8]
La relación agua/cemento (a/c) del hormigón
puede ser positivamente relacionada con la
susceptibilidad de una estructura a la contaminación
biológica. [6]
La relación agua / cemento (a/c) del hormigón es
una característica importante, que tiene una
combinación de efectos considerables sobre las
propiedades de una estructura. Una alta relación a/c
pueden resultar en exceso de agua en la reacción de
hidratación, lo que resulta en una disminución de la
resistencia y el aumento de la permeabilidad y
porosidad. [10] (Ver Fig. 3)
Fig. 3.:Efecto de la relación agua/cemento sobre la
incrustación biológica de los azulejos de mortero. [11]
La permeabilidad, que se define como la
velocidad de flujo de un líquido a través de un sólido
poroso (en este caso la matriz del hormigón), se
relaciona con la interconectividad de la porosidad
intrínseca y la formación de grietas. [6]
Mayor permeabilidad puede permitir mayor flujo
de la humedad a través de los poros interconectados,
que a su vez podrían aumentar la colonización
microbiana de superficies de hormigón. [4]
La rugosidad superficial es definida como la
medida de las irregularidades de una superficie.
Superficies rugosas tienden a ser comúnmente
colonizadas más rápido que las superficies lisas. Esta
biofijación queda formada por la adhesión y
depósitos biológicos en la superficie, formándose
micro-refugios. [9]
La rugosidad superficial controla el grado de
humedad superficial, en cierta forma favoreciendo la
captura del agua. [12]
En resumen La rugosidad de la superficie del
hormigón, puede influir en la susceptibilidad a la
contaminación biológica. [6]
Entre otros estudios, se han estudiado la
bioadhesion de células y esporas a las superficies,
dichos estudios han mostrado que esta propiedad fue
menor en superficies con irregularidades más
pequeñas que el tamaño de las células. En superficies
rocosas y en texturas con mayores puntos de adhesión
se presentó una mayor bioadhesion. De hecho, los
microrefugios se presentaron cuando la célula es más
pequeña que el tamaño del poro. [13]
Los microrefugios protegen a los
microorganismos de fuerzas hidrodinámicas, reduce
la remoción de células y parcialmente determina la
disponibilidad de agua, nutrientes y por lo tanto la
disponibilidad de microbios. [13]
En el caso de que este tipo de material de base
cemento pueda contener aditivos orgánicos tienden a
facilitar una bioreceptividad primaria importante. Así
para preservar la colonización biológica en el
hormigón es necesario identificar los parámetros más
importantes de este, tal como es la composición
química y física de los componentes, porosidad,
rugosidad. [1]
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 12. CURSO 2012-2013
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La absorción capilar del agua del material
dependerá de las estructuras espaciales de poros,
particularmente del tamaño y las conexiones entre
ellos. [12]
En realidad, la absorción capilar es el mecanismo
más común para la penetración de agua a hormigones
y materiales de construcción de origen rocoso. Por lo
tanto la absorción capilar debe considerarse cuando
se evalúa la bioreceptividad porque permite el
movimiento del agua por el material, favoreciendo a
la colonización y subsecuentemente a la
biodegradación o biodeterioración. [12]
Prieto y Silva en el 2005 y Miller en el 2009
reportaron que altos valores de porosidad y de
absorción de agua vía capilar incrementa la
susceptibilidad de substratos a la colonización. Alta
porosidad y la permeabilidad del vapor de agua
mueve, transfiere y promueve un hábitat para la
colonización de organismos. [12]
Por otro lado se ha observado también que la
porosidad aumenta la bioreceptividad de hormigón y
puede ser más determinante que la permeabilidad. [2]
[4]
El tamaño del poro es un efecto antagónico, por
ejemplo poros de grandes tamaños facilitan el flujo de
agua, pero la fuerza de conducción es inversamente
proporcional al radio del poro. En otras palabras, la
porosidad depende de los poros grandes, mientras que
la presencia de numerosos poros capilares conectados
contribuye significativamente a propulsar el agua por
la conexión capilar de los poros. [12]
La macroporosidad nos permite una colonización
microbiológica temporal debido a los cortos periodos
de retención de agua. Mientras que la microporosidad
conectada a macroporos, favorece el establecimiento
permanente debido a la retención de agua por mucho
más tiempo. [14] [3]
Tomaselli en el año 2000 y Miller en el año 2009
mostraron que valores altos de rugosidad y porosidad
fueron más importantes que la composición mineral
para favorecer el establecimiento de
microorganismos. [12]
A continuación se ha realizado una recopilación
de las diferentes propiedades del hormigón que
influyen en el mejoramiento de la bioreceptividad y
las tendencias que presentan según las informaciones
aportadas por las diferentes investigaciones y estudios
revisados en este trabajo.
La Tabla I presenta un listado de las propiedades
de un hormigón convencional. El aumento o
disminución de una propiedad produce una
influencia considerable sobre la posible
bioreceptividad del hormigón en función del grado.
Cabe destacar que estas tendencias son solo con fines
referenciales.
Propiedad Acción Tendencia
Relación A/C
Porosidad
Permeabilidad
Rugosidad
Absorción Capilar
Aumento
Mayor
Susceptibilidad a
Colonización
biológica.
Disminución de
características de
durabilidad en el
hormigón
Disminución
Menor
susceptibilidad a la
colonización
biológica.
Incremento de
características de
durabilidad en el
hormigón
PH
Alto
(>9)
Menor
susceptibilidad a la
colonización
biológica, mayor
durabilidad de
material
Bajo
Mayor
Susceptibilidad a
Colonización
biológica
Tabla I.: Tendencias estimadas de la bioreceptividad en
referencia a un hormigón convencional según los estudios e
investigaciones presentadas en el trabajo.
4.2. Accesibilidad biológica y Condiciones
Ambientales
El grado de carbonatación superficial del
hormigón puede ser un indicador de la receptividad
de la estructura a la colonización, así como su
exposición a dióxido de carbono atmosférico o ácidos
biogénicos. [6]
El hormigón nuevo tiene un pH de la superficie de
12-13, que inhibe la colonización microbiana. Sin
embargo, la exposición a dióxido de carbono
atmosférico puede conducir a la producción de
carbonato de calcio a partir del hidróxido de calcio
del hormigón, lo que resulta en un pH de la superficie
inferior. [6]
La profundidad de carbonatación del hormigón
debido a la exposición a la atmósfera de CO2 puede
ser estimada usando el modelo desarrollado por
Papadakis (2000), con la edad de la estructura. Si
bien este proceso se produce naturalmente, el pH de
la superficie inferior resultante facilita la colonización
microbiana, que puede luego a su vez acelerar la
carbonatación a través de procesos metabólicos
productoras de ácido. [6]
Con respecto a la humedad, Jim C., indica que los
factores climáticos, especialmente la humedad y
retención de agua, podría anunciar cambios
principales de las superficies construidas para
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provocar la colonización vegetal y el desarrollo de
organismos. [5]
El aumento de la capacidad de retención de
humedad y la liberación de nutrientes en una forma
usual sirven como los precursores de la colonización.
[5]
Mayor permeabilidad puede permitir mayor flujo
de la humedad a través de los poros interconectados,
que a su vez podrían aumentar la colonización
microbiana de superficies de hormigón. [4]
Con relación al biodeteriorio, Se han reportado
estudios de algunos autores que los microorganismos
podrían jugar un papel importante en las alteraciones
que se producen en los procesos de alteración de las
materiales rocosos, induciendo cambios estéticos,
físicos y químicos.
Desde un punto de vista económico y cultural, en
algunos ambientes naturales la transformación física
y química de un material, tal como la pedogénesis,
que es el proceso de formación de suelo por
biotransferencia de rocas, puede ser considerada
necesaria y positiva. Sin embargo, cuando se produce
dicha transformación biológica del material con fin
constructivo, estructural y estético, inducida por la la
microflora en colaboración de agentes ambientales es
claramente vista como un proceso negativo o
destructivo. [12]
Esta perspectiva nos conduce a la sistematización,
en este campo de la ciencia, entorno a los conceptos
de biodegradación y biodeterioración. El término de
biodeterioración es definido como “cualquier cambio
indeseable en las propiedades de un material causado
por las actividades de un organismo viviente con una
connotación negativa, mientras que el término
biodegradación involucra una connotación útil o
positiva en relación a la ecología, tratamiento de
residuos y remediaciones ambientales. [12]
Atendiendo que la bioreceptividad es un concepto
importante en el campo de materiales en la ingeniería
civil y en monumentos histórico, su estudio es
importante para entender la susceptibilidad de nuevas
construcciones y su proceso de colonización y
subsecuente biodeterioración.
Guillitte demostró que la bioreceptividad de un
material dado puede ser evaluada artificialmente
inoculando el material con diásporas de un organismo
o incubando el espécimen bajo condiciones
ambientales óptimas, cuantificando la masa microbial
resultante. [1]
Desde el punto de vista de los Biofilms es
importante destacar que estos ocurren en contacto
superficial entre la interface del substrato mineral y
la atmosfera. Estos están constantemente sometidos a
condiciones adversas, tales como la radiación solar
intensa, deshidratación, fluctuación de temperatura y
humedad, falta de nutrientes, etc. [12]
Cuando las condiciones ambientales superficiales
en una roca por ejemplo son adversas para la vida,
una estrategia exitosa para sobrevivir ante estas
condiciones es la colonización endolítica, conocido
como aquella colonización que se da dentro de una
roca, coral, exoesqueleto o en los poros entre las
partículas minerales de dicha roca. [12]
Los nutrientes pueden influir también en la
bioreceptividad. Con fines aclaratorios se introducirá
el concepto de organismos fotoautótrofos, los cuales
son organismos que efectúan la fotosíntesis para
obtener energía, o seas, utilizan la energía de la luz
solar para fijar el dióxido de carbono (CO2). En un
contexto ecológico los fotoautótrofos, junto con otros
autótrofos tales como los quimioautótrofos
proporcionan nutrientes a todas las otras formas de
vida. En los ambientes terrestres las plantas son los
principales organismos fototróficos mientras que en
los ambientes acuáticos se incluyen una variedad de
organismos fototróficos como algas, protistas,
bacterias y cianobacterias. [12]
Microorganismos fotoautotróficos (microalgas
verdes, cyanobacteria y líquenes) pueden
desarrollarse en superficies rocosas aun cuando no
hay materia orgánica presente y tienen una particular
importancia porque son organismos pioneros en la
colonización de materiales rocosos (Ver Fig. 4). [12]
Otros factores afectados por las condiciones del
microclima y microhabitat, tales como la temperatura,
luz, viento, localización y orientación de la superficie
de la edificación, influyen en el crecimiento de
plantas. [1]
Fig. 4.: Estatua de Mármol del Jardín del Palacio Nacional
de Queluz (Portugal) con colonización intensa de líquenes.
[12]
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4.3. Condiciones extremas
En esta subsección se mencionara la presencia de
algunos organismos en condiciones ambientales
extremas.
El microhabitat endolítico da protección de la
radiación solar intensa y desecación, aportando
también nutrientes, humedad y crecimiento
superficial. [12] Otro caso insólito, es el que
presentan los astrobiólogos, quienes poseen teorías
según las cuales los medios ambientes endolíticos en
Marte y otros planetas constituyen refugios
potenciales para comunidades microbianas
extraterrestres. [12]
Se ha reportado también en otros estudios las
colonizaciones endolítica en roca en el extremo
ambiente antártico como protección contra las
condiciones climáticas secas y frías. [12]
Debido al hecho de que organismos tales como
los líquenes y las cianobacterias son poikilohídricas,
organismos capaces de inducir o reducir su
metabolismo en función del agua disponible, su
crecimiento no está limitado por un periodo xérico
desfavorable (bajo suministro de humedad), aunque
un bioclima mejor favorece su colonización. [12]
Estos microorganismos fototróficos puede
convertirse en productores dominantes primarios en
ambientes considerados extremos, tal como
primaveras calientes, desiertos, lagos alcalinos y
áreas polares. Dichos organismos pueden también
predominar en superficies verticales de monumentos
u otras construcciones de históricas. [12]
De acuerdo a algunos autores, la colonización
primaria puede estar correlacionada con las
características petrofísicas. En cambio otros declaran
que dicha colonización está determinada por la
composición química del material. Sin embargo, está
claro que la caracterización de las propiedades físico-
química del material de construcción como la
rugosidad, porosidad inicial y naturaleza
mineralógica ha sido considerada esencial para la
evaluación de su Bioreceptividad. [12]
4.4. Ventajas y Desventajas
A continuación se mencionaran algunas
desventajas y ventajas de la bioreceptividad mejorada
en el hormigón. Se introducirán primero las
desventajas y luego se pasará a señalar las ventajas.
Entre las Desventajas desde el punto de vista de la
bioreceptividad en el hormigón podemos mencionar
las siguientes.
La contaminación biológica de las superficies de
hormigón y piedra, puede dañar la apariencia y
funcionalidad de estructuras tales como puentes,
muros y monumentos. La producción de pigmentos
tales como melaninas por las incrustaciones de las
comunidades de hongos puede causar decoloración
severa de las estructuras que habitan [15] y [14].
Los hongos pueden dañar estas estructuras a
través de la producción de ácidos biogénicos y la
penetración en la superficie por las hifas de los
hongos [16] y [17]. De lo expuesto, es necesario un
mayor conocimiento de los factores biológicos,
físicos y químicos que promueven y afectan a la
colonización e incrustaciones de origen natural las
comunidades de hongos con el fin de formular una
estrategia para la mitigación.
Entre otras desventajas, un estudio mostró que la
biocontaminación del aire interior procedente del
revestimiento de edificios prefabricados con paneles
de hormigón en un clima sub-ártico, es rara. Sin
embargo, las esporas de actinomicetos de pequeño
tamaño se infiltran a través de la estructura de la
pared hacia el interior. Esta confirmación es
importante porque los actinomicetos se ha
demostrado que causan diversos efectos adversos
para la salud. Por lo tanto la Biocontaminación del
revestimiento del edificio no debe ser ignorada. [18]
La mejora de la bioreceptividad de algunos
materiales podría proporcionar las condiciones
adecuadas para el crecimiento fúngico en ambientes
interiores, lo que puede desencadenar en afecciones o
alergias respiratorias en personas que habitan en estos
edificios. El biodeterioro tiene una alta relación pero
no definitiva con la bioreceptividad del material. Por
lo tanto se debe considerar que en el caso de mejorar
la bioreceptividad se puede inducir a un deterioro del
material. Una medida para la evaluación del
biodeterioro en el hormigón generalmente está
determinada por la resistencia a la compresión.
Mediante investigaciones como una realizada en
un túnel de hormigón proyectado en la ciudad de Sao
Paulo, se vió que la proliferación de esporas
bacterianas sobre el hormigón presentó una
disminución de la resistencia de menos del 10% para
3, 7 y 28 días de curado (Ver Fig. 5). [19]
Fig. 5.: Desarrollo de la resistencia a la compresión de
muestras de control y con bacterias incorporadas en
distintas edades de curados. [19]
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 12. CURSO 2012-2013
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En el mismo estudio también se determinó que la
mayoría de los compuestos orgánicos añadidos, es
decir, tres de cada cuatro, dió lugar a una reducción
significativa de la fuerza. Mientras el acetato de
calcio y las adiciones de extracto de levadura bajaron
los valores de resistencia a compresión a cerca de la
mitad de la del control. La adición de peptona
apareció completamente perjudicial (Ver Fig. 6). Sólo
la incorporación de lactato de calcio no afectó
sustancialmente la fuerza (3 y 7 días curados) o
incluso dio lugar a un ligero aumento (28 días
curados) en los valores de resistencia a la
compresión. [19]
Con respecto a las Ventajas de la bioreceptividad
del hormigón, se podría pensar que la colonización de
microorganismo en el hormigón podría ser
descontrolada, pero se han realizado investigaciones
que podrían demostrar lo contrario. Por ejemplo, en
una de estas investigaciones, se evaluaron tres tipos
diferentes de cementos con adiciones de Dióxido de
Titanio (TiO2) y ademas un recubrimiento de (TiO2),
llevada a cabo con una prueba acelerada de
crecimiento de las algas con la irradiación UV-A y el
uso de Chlorella vulgaris como la especie de algas.
Los resultados demostraron que las muestras
preparadas con cementos con adiciones de TiO2
disponible en el mercado (TiO2-C) no mostraron
crecimiento de las algas visibles y casi sin cobertura
significativa (0,1%) en el plazo de estos
experimentos, haciendo que este material sea un
excelente candidato para evitar incrustaciones de
algas en las nuevas fachadas de los edificios. [20]
Uno de estos mecanismos que recibe cada vez
más atención en los últimos años es la capacidad para
la auto-reparación. En grupo específico de bacterias
formadoras de esporas álcali-resistentes relacionadas
con el género Bacillus (que producen carbonato
cálcico) fue añadido a la mezcla de pasta de cemento
y que deben permanecer periodos prolongados una
vez integrados en la matriz de hormigón y ser capaz
de producir grandes cantidades de minerales que se
necesitan para tapar o sellar las grietas recién
formadas. El carbonato cálcico se produce debido a la
conversión metabólica bacteriana del lactato de
calcio. [19]
El método demostró ser prometedor para la
reparación de grietas en el hormigón como
recuperación de la resistencia y disminución de la
permeabilidad de material. Un agente de curación
integrada de este tipo ahorraría en inspecciones y
reparaciones manuales y, además, aumentar la
durabilidad y la sostenibilidad de la estructura. [19]
El desarrollo del hormigón bioreceptivo pudiera
dar paso a aplicaciones considerables en la
construcción como son: servir de aislante térmico,
aportar a la aislación acústica, mayor confort tanto en
invierno como en verano por sombras y otros.
Fig. 6.: Desarrollo de la resistencia a la compresión de
muestras de control y compuestos orgánicos incorporados
en distintas edades de curado. [19]
Pudiera considerarse también como aplicaciones
del hormigón bioreceptivo la absorción del CO2
circundante, integración con el entorno, reducción del
impacto Visual, organismos funcionando como filtro
en las depuradoras de agua, absorción de arsénico en
acuífero y otros contaminantes dependiendo de la
especie absorbente, los aspectos aromáticos,
eliminación polvo y partículas nocivas.
5. Discusión
En esta sección se presentan algunas
observaciones entorno a la bioreceptividad como las
posibles tendencias de estudios y aplicaciones
entorno a este tema.
La definición de un índice de bioreceptividad no
se ha establecido para el hormigón de manera
estandarizada, debido a varios problemas
encontrados. No existe conocimiento suficiente de
las condiciones ambientales óptimas específicas para
cada organismo o grupos colonizadores en un
hormigón. [1]
Con visión al desarrollo en esta área, se debería
considerar también la posibilidad de que el organismo
se adapte al material, y no solamente la adaptación
del material al organismo.
Otra dificultad es Conseguir un material para ser
colonizado más rápido mediante la colonización de
organismos como los líquenes. [1]
Otro inconveniente deriva de que muchos tipos de
colonización son parte de un mecanismo
sinecológico. La colonización por un solo tipo de
organismo puede llegar a ser ya sea imposible o
completamente atípica. En este caso, es difícil evaluar
la contribución respectiva de bioreceptividad
intrínseca y extrínseca. [1]
Estos problemas en el crecimiento de los
organismos colonizadores, se suman a la selección de
parámetros para la medición de bioreceptividad o
índices de bioreceptividad (número de casos, la
biomasa, área colonizada, el aspecto y la tasa de
crecimiento de colonización de microorganismos,
fertilidad, etc.) [1]
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 12. CURSO 2012-2013
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En la etapa actual de la definición de concepto de
la bioreceptividad, es interesante observar que esta se
pueden determinar a partir de un conjunto de especies
relativamente cosmopolitas pertenecientes a los
siguientes grupos biológicos principales: bacterias
autótrofas, bacterias heterótrofas, microhongos,
macromicetos, cianobacterias, algas verdes,
chrysophyta, líquenes endolíticos, líquenes epilíticos,
briofitas, helechos y plantas con flores. [1]
La información generada de diferentes
investigaciones, que a lo largo de estas décadas se
han ido desarrollando además de las futuras
investigaciones, permitirá a los ingenieros,
arquitectos y hasta reparadores de obtener las
informaciones de la colonización, y la selección más
apropiada para la aplicación en construcciones
presentes y futuras y también en diseños de
tratamientos sostenibles y metodologías con fines de
conservación y restauración.
Es importante destacar que actualmente existe una
tendencia en base al Ecodiseño, es una rama de
conocimiento y campo de producción que de forma
progresiva se ha incorporado a la preocupación del
desarrollo sostenible, sobre todo en lo que concierne
al ecodiseño. Éste es un tipo de diseño que tiene
como principal objetivo proveer soluciones afines con
los procesos naturales y físicos, como en el ahorro de
energía, optimización de recursos, minimizando
impactos negativos. [21]
En un enfoque de producto, se trata de diseñar o
rediseñar productos para evitar reparar los posibles
daños que se puedan producir sobre el medio
ambiente, la sociedad y la economía global. [21]
En los últimos años la tendencia del sector de la
construcción muestra, que en muchos proyectos de
construcción se ha dado evidencia clara de que "el
edificio verde" se puede lograr, los objetivos son
promover la eficiencia energética, la protección de la
ecología y los recursos locales y la mejora de la salud
y seguridad. [22]
Baldwin en el 2009 y otros indicaron que el
proceso de construcción es particularmente un
despilfarro de recursos, que en consecuencia se
traduce en un gran impacto ambiental. La
construcción convencional en sitio y la prefabricación
son dos métodos esenciales en la construcción de
edificios. [22]
La importancia de mejorar la bioreceptividad en el
hormigón tiene muchas repercusiones positivas a
futuro. El posible potencial que tiene el desarrollo de
materiales de construcción o más específicamente
hormigones amigables para con el ambiente.
Tomar ventaja de una propiedad como la
bioreceptividad, en este caso del hormigón debido a
que es un material mundialmente difundido y
ampliamente aplicado, desarrollada dentro un marco
de sostenibilidad y ecodiseño de productos, puede
aportar un papel importante para la generación de
nuevas aplicaciones o la revaloración y revitalización
del mismo material.
La bioreceptividad podría abrir la puerta a que se
presenten nuevas oportunidades de desarrollo de
nuevos productos.
6. Conclusiones
La composición mineral, petrografía, textura,
composición química y la porosidad son
características evaluadas por las mayorías de los
investigadores para determinar la bioreceptividad.
Otras características como la rugosidad superficial,
coeficiente de capilaridad y ph solo fueron
consideradas como determinantes por un 30% de los
autores.
Otros autores han considerado que los tipos de
densidades, dureza de la superficie, cantidad de agua
y el grado de saturación, permeabilidad son solo
evaluaciones puntuales.
La gran mayoría de los autores determinaron que
el movimiento de agua a través de la matriz del
material (la porosidad, la absorción capilar del agua
entre otras propiedades) y la composición química del
material parecen ser las propiedades principales que
afectan la colonización.
De lo expuesto, es necesario un mayor
conocimiento de los factores biológicos, físicos y
químicos que promueven y afectan a la colonización
e incrustaciones de origen natural.
De la información recopilada se ha determinado,
la necesidad de investigaciones entorno a la
Bioreceptividad, principalmente la bioreceptividad
primaria del hormigón, por medio de protocolos de
laboratorios estandarizados. Sin embargo, se requiere
la elaboración de una escala de valores del índice de
Bioreceptividad y de esta manera poder realizar una
especie de catálogos de referencia que podrían ser
utilizados en diferentes aplicaciones.
Se pudo apreciar en las referencias consultadas
que en la actualidad no existe una visión clara de la
utilización de la bioreceptividad en el hormigón como
una propiedad que podría alcanzarse para ser utilizada
en posibles aplicaciones de construcciones,
reparaciones y reutilizaciones del hormigón tanto del
futuro cercano como lejano.
Agradecimientos
Especial agradecimiento a Sergio Pialarissi
Cavalaro e Ignacio Segura Pérez por su entrega
generosa de sus valiosos conocimientos y la
motivación personal y profesional que transmiten,
incentivándonos a buscar más allá de los límites.
ANALES DE CONSTRUCCIONES Y MATERIALES AVANZADOS. VOL 12. CURSO 2012-2013
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Referencias
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