31-10-2016
Bioconcreto, un paso hacia lo trascendental Materiales en Ingeniería Civil
Proyecto final Sección 2 Profesor Miguel Ángel Cabrera
José Nicolás Fajardo Muñoz Lina Gabriela Robles Vargas Anny Geraldine Rojas Santos UNIVERSIDAD DE LOS ANDES – BOGOTA, COLOMBIA
Resumen El Bioconcreto es un material compuesto, industrial y novedoso que fue inventado en 2015 por el microbiólogo Henk Jonkers. La mezcla, entre los componentes básicos del concreto, contiene bacterias adicionales, cuya función consiste en sellar las grietas formadas por procesos de desgaste de la estructura y mejorar la permeabilidad. El principal propósito de este invento es reparar las microfisuras que se desarrollan en las estructuras de concreto. Para entender su importancia, se debe tener en cuenta que la s grietas son el primer paso para que un elemento estructural deje de cumplir su servicio de diseño, pues de ellas se derivan las macrofisuras, y, finalmente, la falla. Estas se forman, generalmente, por factores ambientales como fluctuaciones de temperatura y humedad o por desgaste del material a lo largo del tiempo cumpliendo la función de resistir una carga externa. Por ende, estas microfisuras son fundamentales en la decadencia del material porque una vez formadas, permiten con mayor facilidad la acción de agentes nocivos externos sobre mayor área en el mismo elemento. Por ejemplo, aumentan la permeabilidad a fluidos que pueden ser agresivos como los ácidos, aumentando la velocidad de decaimiento. De manera que, reducir y restringir la formación las grietas sería clave para conservar la resistencia y durabilidad de diseño del elemento estructural. Finalizada esta investigación, se encontró que la resistencia a compresión del mortero, diseñado con agregados de peso ligero, no se vio afectada significativamente por el agente de curación; la presencia de oxígeno y rastros de esporas en formaciones de calcita dan evidencia de la actividad de las bacterias en las muestras de concreto; y el factor determinante para la autocuración del concreto es el carbonato de calcio (CaCO3). Asimismo, se pudo comprobar la efectividad de este material en construcciones realizadas en Suramérica, y por tanto promover su uso en la mega construcción Esfera City Center, un proyecto de renovación urbanística que se ha proyectado en la ciudad de Monterrey, México.
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Contenido Resumen ...................................................................................................................................... i Introducción ...............................................................................................................................1 A. Propósito ......................................................................................................................... 1 B. Objetivos ......................................................................................................................... 1 Marco teórico: Conceptos clave.................................................................................................1 Investigación ..............................................................................................................................2 A. Manipulación y uso del material en el contexto del proyecto Esfera City Center ............ 2 1. Componente estructural asignado: senderos peatonales ................................................. 2 2. Normatividad .................................................................................................................. 2 3. Diseño .............................................................................................................................2 B. Fabricación del producto. .................................................................................................. 2 1. Proceso de obtención de Materiales: .............................................................................. 2 2. Fabricación e implementación en obra: .......................................................................... 2 C. Propiedades físicas y mecánicas ........................................................................................3 D. Usos y aplicaciones a nivel internacional (self healing concrete) .....................................4 E. Usos y aplicaciones potenciales ......................................................................................... 5 1.
Aspectos técnicos ........................................................................................................6
2.
Aspectos económicos .................................................................................................. 7
3.
Aspectos ambientales .................................................................................................. 8
4.
Aspectos de durabilidad .............................................................................................. 8
Discusión.................................................................................................................................... 8 Conclusión .................................................................................................................................9 Referencias bibliográficas .................................................................................................... 10 Anexo 1 ....................................................................................................................................12
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Introducción Desde la antigüedad, los materiales han sido uno de los factores más importantes en el desarrollo de las civilizaciones humanas. Su papel en el área constructiva ha sido clave para la creación de todo tipo de estructuras como vías, puentes y viviendas, y ha posibilitado la elaboración de diseños estructurales cada vez menos conservadores y más desafiantes. Un ejemplo de ello es la Esfera City Center, un complejo residencial proyectado en la ciudad de Monterrey, México que fue diseñado por la revolucionaria arquitecta Zaha Hadid. Esta obra de infraestructura, por razón de su atrevido estilo y geometría extravagante, generó la necesidad de implementar nuevos materiales, que permitieran lograr un nivel apropiado de seguridad y calidad de servicio en los diferentes componentes estructurales (terrazas, fachadas, puentes, zonas de acceso, senderos peatonales y parqueaderos). En el presente informe se expondrá un estudio realizado a un material tradicional modificado llamado Bioconcreto con el propósito de justificar por qué su selección contribuiría al éxito del proyecto. Para ello, se describirá su origen, propiedades físicas y mecánicas, uso en el contexto del proyecto, su implementación en obra, aplicación a nivel mundial, ventajas y limitaciones frente al concreto hidráulico convencional, y finalmente sus aspectos financieros. A. Propósito El propósito principal de este informe es convencer a la firma Zaha Hadid Arquitects de implementar un nuevo material llamado Bioconcreto en los senderos peatonales de uno de sus nuevos proyectos llamado Esfera City Center demostrando su gran aporte a nivel técnico, ambiental y económico. B. Objetivos Como objetivos primarios está describir el proceso de elaboración del Bioconcreto así como sus propiedades físicas y mecánicas, aplicaciones a nivel mundial y ventajas y limitaciones mecánicas, económicas y ambientales. También, exponer las funciones del Bioconcreto en el contexto del proyecto Esfera City Center y proponer su diseño y método de implementación en obra. Finalmente, estimar los costos de la aplicación del Bioconcreto teniendo en cuenta su ciclo de vida y evidenciar los beneficios financieros futuros. Marco teórico: Conceptos clave Curado: proceso que busca mantener un contenido de humedad adecuado y permanente en el concreto, para que este adquiera las propiedades para las cuales fue diseñada la mezcla. Asentamiento: es el desplazamiento que sufre la mezcla fresca de concreto luego de ser probada en el cono de Abrahams. Este ensayo está definido por la norma NTC396. Peso Específico: es la relación peso/volumen de una muestra de cemento. Se determina a partir de la norma ASTM C188:09 usando el frasco de LeChatelier. En Colombia esta relación se encuentra comúnmente entre 2800 kg/m3 a 3100 kg/m3. Se calcula mediante la expresión: Módulo de elasticidad: módulo de proporcionalidad de la Ley de Hooke. Determina el límite de esfuerzo que puede soportar un material antes de generar deformaciones permanentes. Se calcula según el procedimiento de la norma ASTM C469:02 mediante la expresión: Módulo de rotura: es la resistencia a la rotura determinada en un ensayo de flexión. El ensayo está regido por la norma ASTM C78:02, y se calcula según la expresión: Resistencia a tracción (tensión) indirecta: es la resistencia obtenida a partir de probetas cilíndricas sometiéndolas a una fuerza de compresión aplicada en una banda estrecha en toda su longitud. El ensayo se encuentra definido por la norma ASTM C496. Se calcula mediante la expresión: 1
Resistencia a la compresión: es la resistencia de una probeta cilíndrica sometida a compresión por sus caras circulares. El ensayo está determinado por la norma ASTM C39:05. La resistencia a la compresión se calcula dividiendo la carga máxima soportada por el espécimen por el promedio de su sección transversal.
Investigación A. Manipulación y uso del material en el contexto del proyecto Esfera City Center 1. Componente estructural asignado: senderos peatonales El complejo urbanístico tendrá una extensión de 19 hectáreas (BEA, s.f.), que equivalen aproximadamente a 1900 metros de longitud, y se ubicará en una zona con suelos expansivos blandos (Plan de Desarrollo Urbano de Monterrey, 2013). Si se tiene en cuenta que los senderos tienen un ancho mínimo de 1.5 metros (Guía práctica de movilidad peatonal urbana, 2013, p.60), se estima que se requerirá un volumen de concreto de 427.5 m3. 2. Normatividad A pesar de que el Bioconcreto posea un componente biológico adicional al concreto hidráulico, se debe regir bajo los mismos parámetros de resistencia y servicio. Por tanto, sus ensayos deben tener en cuenta la norma técnica ASTM C39:2005 que especifica sobre la resistencia a la compresión de especímenes cilíndricos de concreto; la ASTM C31:1996 la cual específica sobre elaboración y curado de especímenes de concreto en obra; la ASTM C192:2007 sobre la elaboración y curado de especímenes de concreto; y finalmente, está la ASTM C78:2002 sobre el método de ensayo para determinar la resistencia del concreto a la flexión. 3. Diseño Los senderos peatonales serán diseñados con una geometría fragmentada netamente angular, en los cuales se buscará resaltar las formas curvas (espirales), puntiagudas y excéntricas. Esto con el propósito de armonizar la estructura con el paisaje y promover el estilo de la estimada arquitecta Zaha Hadid, a quien recordamos por su famosa frase: “Si hay 360 grados, no hay razón para restringirme a uno solo”. B. Fabricación del producto. 1. Proceso de obtención de Materiales: Para la elaboración del Bioconcreto se requieren los mismos materiales del concreto hidráulico tradicional: cemento, agua, agregados pétreos y aditivos. Sin embargo, también se requieren esporas de la cepa bacteriana alcalófila Bacillus Pseudofirmus, extracto de levadura de malato (MYE) o de glucosa (GYE) y lactato de calcio. En primer lugar, el proceso de obtención del cemento se realiza de manera convencional y se facilita en México ya que este posee grandes empresas cementeras como CEMEX y Holcim. Ahora bien, en cuanto a la bacteria, este microorganismo es un alcalófilo extremo facultativo que crece por esporulación, soporta pH de 7,5 a 11,4 (Janto, 2011) y vive en lagos con alta cantidad de sal. La razón por la que esta bacteria fue escogida es porque el medio que ofrece el cemento es alcalino, y por tanto, óptimo para su desarrollo. México posee múltiples lagos y lagunas del mismo estilo, sin embargo, la obtención y reproducción de esta bacteria ya se encuentra normalizada y comercializada. Por otro lado, el lactato de calcio es comercialmente conocido, lo que facilita su obtención y el reabastecimiento de la bacteria dado caso que sus suministros se hayan terminado. 2. Fabricación e implementación en obra: El Bioconcreto tiene un proceso de elaboración similar al concreto tradicional que se diferencia principalmente por la utilización de agregados de peso liviano (LWA) modificados 2
con nuevos compuestos orgánicos. Básicamente, este material se prepara en dos pasos: primero, se impregna en vacío sobre partículas de arcilla expandidas extracto de levadura de malato (MYE) o de glucosa (GYE) (4 gr/L), esporas generadas por la cepa bacterian a alcalófila Bacillus Pseudofirmus (108 esporas/L), y lactato de calcio, y luego se deja secar por 5 o 6 días a una temperatura de 20° C y una humedad relativa cercana al 60% quedando listos para usar en la mezcla (Tziviloglou, et al. 2016, p.119). En un comienzo, se proyectan las cantidades de cemento, agregados finos modificados, grava, agua y aditivos para la mezcla, teniendo en cuenta las condiciones de obra y el predimensionamiento de los senderos peatonales. Para ello, se realiza un ensayo con especímenes de concreto según de la norma ASTM C31/C31M y se definen las proporciones ideales para lograr una mezcla con resistencia a compresión de diseño mínima de 20.68 MPa (IDU 701-11, s.f., p. 9). Logrado lo anterior, se procede a preparar la mezcla: se ubican el agregado grueso y los aditivos diluidos en una mezcladora, y luego de encenderse, se adicionan el agregado fino, el cemento y el agua. La máquina se mantiene en funcionamiento por tres minutos, se detiene por dos minutos y se vuelve a encender por dos minutos más. Después se realiza el traslado a la obra, el vaciado de la mezcla sobre la superficie delimitada para los senderos peatonales y la compactación por medio de vibración o apisonamiento. Una vez instalado el material, se procede a realizar el curado. Durante este proceso, hay que evitar generar abrasión en la superficie del material para evitar ocasionar grietas antes de prestar el servicio. C. Propiedades físicas y mecánicas Consistencia (EN 1015-3): Según estudios realizados por Tziviloglou, Wiktor, Jonkers y Schlangen, la manejabilidad de la mezcla en estado fresco del Bioconcreto se mejora considerablemente por la implementación de LWA en vez de arena convencional. Exactamente, se logra un aumento del 27.59 % en relación a una mezcla de concreto hidráulico tradicional (Tabla 1- Anexos) (2016, p. 121) Densidad aparente (EN 1015-10): Teniendo en cuenta los estudios mencionados anteriormente, la mezcla de Bioconcreto tiene un 70.53% la densidad del concreto hidráulico. Esto se debe a la sustitución de la arena con LWA (Tabla 1- Anexos) (Tziviloglou, Wiktor, Jonkers y Schlangen, 2016, p. 121). Contenido de aire (EN 1015-7) El Bioconcreto tiene un alto porcentaje de espacios vacíos, casi tres veces mayor al hormigón convencional por razón de la implementación de LWA (Tabla 1- Anexos). (Tziviloglou, Wiktor, Jonkers y Schlangen, 2016, p. 121). Resistencia a flexión y compresión: El agente de curación incorporado atrasó el endurecimiento del cemento aproximadamente un día, en consecuencia, la edad temprana (3 días) la resistencia a la compresión y a la flexión de los prismas fue 54% a 63% menor a especímenes hidráulicos tradicionales. Sin embargo, a una edad más tardía (> 7 días) el agente curativo no difiere en gran medida de la resistencia a flexión del hormigón convencional, excepto en la resistencia a compresión, como se observa en la Figura 1.
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Figura 1. Gráficas de resistencia a flexión y compresión de los tres especímenes
Permeabilidad: En la investigación emprendida por Tziviloglou et al. se ejecutó una prueba de permeabilidad al agua. Se utilizó una balanza electrónica para medir el flujo de agua por las grietas en función del tiempo. Para calcular esta propiedad, también conocida como recovery of water tightness RWT se utilizó la siguiente expresión:
Donde Wn-h(t) representa la cantidad media de agua que paso a través de las grietas de las muestras sin curado en diez minutos (gr); y Wh (t) la cantidad media de agua que paso a través de las grietas de los especímenes curados en diez minutos (gr). Los resultados mostraron que las probetas sin agente de curación inmersos en agua presentaron una RWT relativamente alta: 71% y 80% para las muestras REF (Tabla 1, Anexo 1); 31% y 82% para la mezcla CRTL (Tabla 1, Anexo 1); y 69% y 91% para las muestras B (Tabla 1, Anexo 1) con un tratamiento de curación de 28 y 56 días respectivamente (Tziviloglou, Wiktor, Jonkers y Schlangen, 2016, pp. 120-122). En cuanto a los especímenes sometidos a ciclos húmedo-seco, se encontraron valores RWT significativamente menores en las probetas REF y CRTL. En esta última el flujo de agua fuera de la grieta fue incluso mayor que el flujo antes del tratamiento curativo. Sin embargo, el RWT de las muestras B alcanzó el 76% y 98% para 28 y 56 días de tratamiento de curación (Tziviloglou, et al,2016, pp. 120-122). Durabilidad: Las investigaciones realizadas del Bioconcreto arrojaron una duración estimada de entre 60 y 70 años en un espécimen de dimensiones similares y siguiendo parámetros de norma NTC. Este intervalo puede llegar a variar dependiendo del flujo de cargas que reciba la estructura o el objeto en el que se haga uso. Esto lo hace aproximadamente 2 veces más duradero que un espécimen normal de concreto reforzado.
D. Usos y aplicaciones a nivel internacional (self healing concrete) La primera aplicación del Bioconcreto tuvo lugar en la provincia de Tungurahua en Ecuador en julio de 2014. Allí se realizó una prueba piloto, donde se le asignó al hormigón de autosanación la tarea de cubrir un canal de irrigación de 24 kilómetros, sección transversal 100 cm por 100 cm y espesor de pared de 10 cm en una zona con temperaturas entre 5°C y 20°C y altitudes 2700 y 3200 msnm. Esta estructura, era usada por los campesinos locales durante más de un siglo para recibir agua de las montañas Carihuairazo y Chimborazo y había sido construida únicamente por tierra compactada. Debido a esto, el agua solía perderse por filtración de agua, en consecuencia, el rendimiento del canal era solo del 30%. Como alternativa, se decidió usar concreto hidráulico. Después de un año de utilidad, este comenzó a presentar fracturas por las fluctuaciones de temperatura. Por tanto, la Universidad de Tecnología de Delft, la Fundación Imagina (NL) y la Universidad Católica de Santiago de 4
Guayaquil (Ecuador) propusieron el Bioconcreto como solución a este problema luego de realizar una serie de ensayos donde se encontró que la mezcla con el agente de curación incrementaba la resistencia a compresión del concreto de 26 MPa a 30 MPa. La mezcla de Bioconcreto fue diseñada para cumplir con los requisitos mecánicos y de rendimiento y también para favorecer los materiales de la zona y facilitar su replicación en otras comunidades locales. Básicamente, el Bioconcreto se elaboró con grava de tamaño máximo 10 mm y arena locales, cemento, agua del canal, áridos ligeros (LWA) que contienen las fibras naturales, un superplastificante para distribuir uniformemente las fibras y mejorar la trabajabilidad, y el agente de curación previamente descrito. Los materiales se midieron por volumen y las condiciones de preparación fueron temperatura de 5 °C y altitud de 2900 msnm. Las fibras de abacá de 2 cm, que por su disponibilidad fueron elegidas para conformar el Bioconcreto, se proyectaron para controlar el ancho de las fisuras, es decir, facilitar la curación de grietas, y mejorar la tracción del hormigón tradicional dado que no se consideró el acero de refuerzo. Una de las razones era que estas ya habían sido implementadas exitosamente en otros proyectos como refuerzo para mejorar el comportamiento estructural de viviendas ante cargas sísmicas. Ahora bien, en cuanto al sellamiento de grietas, se planteó el uso de esporas bacterianas, las cuales fueron puestas a prueba en diversas pruebas para las condiciones de humedad y pendiente del canal. Se comprobó que esta cerraba fracturas de 140 micras después de 6 semanas gracias a la formación directa o indirecta de carbonato de calcio. Para la aplicación del Bioconcreto en campo, en primer lugar, fue necesario limpiar el canal, actividad que suele realizarse cada dos años, para retirar la vegetación y los residuos. Una vez hecho esto, se eligió un tramo del canal y se llevó a cabo el encofrado de madera para luego depositar 110 litros de hormigón: se fundieron tres metros lineales de guarniciones de concreto con bacterias y otros tres sin ellas. Se desencofró 3 días después sin ningún problema de segregación y pasados dos días se abrió el paso del agua. Cinco meses después, se observó que los revestimientos de hormigón no presentaron signos de agrietamiento o deterioro (Sierra Beltrán, Jonkers, Mera-Ortiz, 2015, pp.1-4), ver figuras 5, 6 y 7 en anexo. E. Usos y aplicaciones potenciales El Bioconcreto se presenta como una alternativa para la construcción de estructuras de concreto en las que no se requiera de un endurecimiento temprano, puesto que si se somete a cargas tempranas caería en un falso fraguado. Además, se espera que el Bioconcreto sea útil en construcciones realizadas a partir de sistema no industrializado, con plantas piso de gran dimensión que permitan el endurecimiento del concreto en un plazo de 3 días. Otro punto en el que se podría utilizar es en columnas, donde, con un adecuado tiempo de fraguado, posee una buena capacidad a compresión, sin embargo, no se descarta el uso de refuerzos como varillas de acero. Por otro lado, se espera que su desempeño sea óptimo en estructuras de transporte de aguas como canales, que permita reparar las fisuras y evitar las filtraciones. Finalmente, es importante decir que su uso en estructuras de alto flujo de impacto y de sometimiento a carga constante, como senderos peatonales y andenes donde uso sería efectivo debido a su capacidad de autoreparación que dará una mayor longevidad a la estructura. Una de las principales ventajas de este material es que cuenta con la certificación LEED, la cual consiste en promover y galardonar los edificios sostenibles. Además de desarrollar una cultura “verde”. Por otro lado, promueven los aspectos sobre reducir el uso de energía y ayudar al medio ambiente, lo cual cumple este material, ya que disminuye el gasto energético al disminuir el número de mantenimientos que se le debe hacer a la estructura. Ahora bien, en cuanto a limitaciones, se evidencia que existe una reducción en la resistencia a compresión. Sin embargo, esta no es significativa en el caso de la resistencia a 5
flexión. Dado esto, teniendo en cuenta el uso potencial del material no representa una característica para descartar su uso. Por otro lado, el ancho de la grieta persiste como una limitación al momento del autocurado. No obstante, su solución está en proceso. 1. Aspectos técnicos En presencia de oxígeno dentro de la grieta, las esporas bacterianas encapsuladas se activan y convierten el lactato de calcio (CaC6H10O6), presente en el agente de curación, a carbonato de calcio CaCO3 (piedra caliza) y agua mediante el uso de oxígeno:
Este descubrimiento fue logrado gracias al científico holandés Henk Jonkers quién demostró, con la ayuda de diversos ensayos, el cierre de fisuras por la formación de cristales. Con relación a este aspecto, encontró que el consumo de oxígeno en una muestra de agua fue mucho más rápido que en una solución Buffer: en el primer caso duró 2.5 horas y empezó casi inmediatamente después de la inmersión, y en el segundo duró 8 días y comenzó a las 20 horas de inmersión. Esto se explica porque el lactato de calcio se demora más en disolverse en el Buffer. No obstante, los valores más alto de consumo fueron 5.5 micromolar para el agua después de una hora y 26 micromolar para el Buffer después de 170 hr de inmersión. En la Figura 2 se puede observar con mayor detalle.
Figura 2. Gráficas del consumo de oxígeno en el agua y en el buffer
En general, se prepararon 15 morteros prismáticos de dimensiones 40 mm, 40 mm y 160 mm con un agujero en el centro de 5 mm de diámetro, como se observa en la Figura 2. Estos permanecieron 34 horas en el proceso de fraguado y posteriormente se sometieron a 28 días de curado en una habitación con temperatura de 20 °C y humedad relativa de 95 % (Tziviloglou, Wiktor, Jonkers y Schlangen, 2016, p. 119). Al finalizar este periodo de tiempo, se indujo una abertura de 350 micrómetros en cada uno de los especímenes con una velocidad de 0.5 micrómetros por segundo, por medio del método de prueba de resistencia a flexión con carga central, y se trató de evitar fracturas comprometedoras. Luego, se eligieron 12 muestras de tres mezclas distintas, cuya composición se muestra en la Tabla 1, y se sometieron seis a inmersión en agua y seis a ciclos húmedos y secos, en condiciones de temperatura 20°C con humedad relativa durante 28 a 56 días (Tziviloglou, Wiktor, Jonkers y Schlangen, 2016, p. 119). 6
Figura 3. Modelo de los 3 especímenes en estudio.
Los resultados arrojaron que las fisuras de las muestras B en los dos métodos de curado desaparecieron en gran medida o por completo a diferencia de las mezclas REF y CTRL donde solo se observó un cierre parcial o total en la inmersión durante 28 y 56 días. En las imágenes de microscopia estereoscópica se evidencia que no hubo sellamiento, o bien, fue insignificante en los ciclos húmedo-seco para estas mezclas. De manera que, también se puede afirmar que la inmersión es más efectiva que en los ciclos húmedo-seco. Adicionalmente, fue posible observar el sellamiento con la formación de cristales de carbonato de calcio cúbicos o romboédricos asimétricos en clúster, que claramente fueron más diminutos en las muestras REF y CRTL con respecto a la mezcla B aún después de 56 días. Sin embargo, durante los 28 días de tratamiento curativo en muestras REF CTRL, los cristales que se crearon fueron considerablemente más pequeños que los que se forman en las grietas de las muestras B. Para observar con detalle, dirigirse a la Figura 4 del Anexo 1. Finalmente, Henk Jonkers pudo concluir que no hay límite para el largo de la grieta, pero si para el ancho, el cual no debe exceder los 8 mm. Ahora bien, con base a los materiales bituminosos o mezclas asfálticas al realizar reparaciones en sitio las pérdidas de resistencia debido al agrietamiento son casi del 30 % (Amado, 2015). Debido a esto, es necesaria la realización de reparcheos y remoción de la capa asfáltica con el fin de recuperar la resistencia óptima para la estructura. Otro punto importante es la permeabilidad, ya que los asfaltos no pueden estar sujetos a filtraciones y requieren de una subestructura estable, de tal manera que los fluidos no lo permeen, ya que podrían causar ahuellamiento en la base estructural y deformen el material, volviéndolo de esta manera ineficiente. 2. Aspectos económicos Costo comercial Según el diario The Guardian, mientras el metro cúbico de concreto tradicional puede costar algo menos de US$80, el nuevo material supera los US$110 (BBC Mundo, 2016). Sin embargo, si se analizan el panorama a largo plazo, es posible afirmar que los costos del Bioconcreto serán menores a los del concreto tradicional porque se reducirá significativamente el mantenimiento de las estructuras (edificios, puentes, represas…). Un ejemplo de ello es el puente de la calle Grove que pasa por encima de la I-94 en Ypsilanti, Michigan. Este fue construido con concreto convencional y sus costos anuales de mantenimiento y reparación están cerca a los $ 350.000. Si el mismo puente fuese elaborado con Bioconcreto, se estima una reducción de costos del 50% en el mismo ciclo de vida, proyectado en 60 años. Los ahorros serían de $ 11 millones a lo largo de toda la vida útil del puente, lo que podría evidenciar la eficiencia económica del hormigón modificado a futuro. Costo de instalación Si se tiene en cuenta que el material tiene una composición similar al concreto hidráulico convencional y, además, requiere de los mismos insumos de maquinaria para la instalación del concreto. Al desglosar los costos y asumiendo que la firma constructora tiene una capacidad operativa suficiente, el costo de instalación se traduce únicamente a la mano de obra y los
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gastos energéticos que se puedan presentar por elementos de compactación como el vibrador y la bomba de concreto, para pisos superiores. Ahora bien, dado esto el precio promedio de un obrero en Monterrey se estima en 500 Pesos mexicanos por día, esto es aproximadamente 79 mil pesos por día. (Habbitisimo,s.f.) Por otro lado, si se compara con el uso de concreto asfáltico para los mismos senderos peatonales, económicamente, necesitaría menor inversión inicial, pero, un mantenimiento costoso y menor vida útil. Para usar el asfalto, se requieren mayor inversión comercial por la obtención del asfalto (crudo) y mayor costo de instalación al necesitar maquinaria más pesada que maneje temperaturas muy altas. Además, los costos de mantenimiento de la mezcla asfáltica en una zona con un clima como Monterrey no son conveniente por sismicidad y cambios de temperatura que hacen que se generen fisuras. Para la “piel de cocodrilo”, no se puede considerar insertar el componente biológico que se está implementando porque la bacteria sólo puede vivir en medios alcalinos, el cual carecen los derivados del petróleo como el asfalto.
3. Aspectos ambientales La industria cementera es la responsable del 5% de las emisiones de dióxido de carbono a nivel mundial. En general, la emisión de gases de efecto invernadero (GEI) está en el orden de 900 a 1000 kg de CO2 por cada tonelada de Clinker gris producido. El 62% de estos resulta de la descarbonatación del calcio en la caliza y el 38% de la combustión de sustancia s químicas necesarias para calcinar y sintetizar el Clinker. Eso sin contar con las emisiones provenientes de la extracción mineral de las calizas y arcillas, y del transporte del material de las canteras a las obras de construcción. Si se empezará a utilizar el hormigón de autosanación es posible reducir los costos ambientales en un 21,3% a pesar de que la producción del cemento se realice de la misma forma, porque se reduciría entre 191,7 y 213Kg de CO2 por cada tonelada de Clinker gris producido. (ConcretOnline, s.f.) Comparando ambientalmente con el asfalto, la producción y manipulación del crudo emite dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno. Estos gases son más volátiles y afectan en mayor medida las fuentes de agua que el dióxido de carbono. Sin embargo, no es una diferencia significativa entre el impacto que genera la producción del hormigón y la del concreto asfáltico. 4. Aspectos de durabilidad El promedio de vida de la superestructura de un puente de Bioconcreto se estimó en más de 60 años, superando el ciclo de vida de la misma estructura en concreto tradicional por 40 años y en concreto reforzado por 20 años aproximadamente. Por otro lado, el ciclo de vida de una estructura de asfalto, se estima aproximadamente en 15 años. Discusión Con base en la investigación, se puede afirmar que las propiedades del Bioconcreto son similares a las del concreto hidráulico convencional. En cuanto a consistencia, el material propuesto presenta una mayor manejabilidad muy probablemente por el uso de áridos ligeros en vez de arena. En relación a la densidad, esta mantiene una relación 1:1.40 aproximada mente con el concreto convencional, debido al porcentaje de cámaras de aire presentes en la mesoestructura del concreto. Respecto al contenido de aire se observa que el del Bioconcreto es mayor, en una diferencia de porcentajes aproximada del 9%, lo que representa ser casi el triple del aire que se esperaría estuviera en un espécimen de concreto convencional. Por otro lado, la durabilidad aumentó significativamente respecto al concreto convencional y aunque se 8
redujo un poco la resistencia a compresión y flexión, hay que resaltar que estas propiedades resultaron apropiadas para la normativa SMIE (Reglamento de Construcción en México). Teniendo en cuenta los balances económicos, la relación de costos a corto plazo es mayor en el caso del Bioconcreto. Sin embargo, al hacer una proyección de Flujo de caja Libre a 10 años, los costos de mantenimiento superan y compensan los costos iniciales realizados para adquirir el material. Finalmente, los costos de producción e instalación no representan una mayor variación con otros tipos de concreto convencionales, ya que la maquinaria a utilizar y las especificaciones de instalación son similares, a excepción del cuidado de no causar abrasión en la superficie. Conclusión 1. El mortero de peso ligero con el agente de curación a base de bacterias incorporado muestra un mejor sellado de grietas, sobre todo cuando se someten a un régimen de curación más realista, es decir, los ciclos de secado húmedo, que la inmersión continua en agua. La prueba de que este comportamiento mejorado proviene de la actividad bacteriana se apoya en las mediciones de consumo de oxígeno y observaciones ESEM. 2. La sustitución de la arena peso normal por áridos ligeros, conduce a una reducción de la resistencia a la compresión del mortero a base de bacterias. Sin embargo, este material podría utilizarse donde se necesita una estructura de peso ligero, o como una capa externa en una estructura de peso normal como los senderos peatonales. 3. El agente de curación basado en bacterias consiste en esporas bacterianas y compuestos orgánicos incorporados en la matriz de hormigón. Este mismo, se encapsula, con el fin de inmovilizar y protegerlo de trituración durante la mezcla y de la alta alcalinidad de la matriz de cemento. Luego, tras la formación de grietas, las cápsulas ligeras débiles se rompen; el agente de curación se activa y llena la grieta abierta por precipitación de CaCO3. 4. Esta nueva tecnología permite reparar las microfisuras en el concreto cuya aparición pudo ser causada por fluctuaciones de temperatura, humedad, aplicación de cargas continuas, y ayuda a reducir la permeabilidad a fluidos agresivos como ácidos. Por ende, es adecuado, estructuralmente, para los senderos del megaproyecto Esfera City Center por las cargas que soportará y las condiciones climáticas a las que se someterá.
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Referencias bibliográficas BBC Mundo. (Agosto 26, 2016). El revolucionario bio-concreto, el material que se repara a sí mismo. Recuperado de http://www.bbc.com/mundo/noticias-37199563 Benjamin, J., Ahmed, A., Ito, M., Liu, J., Hicks, D., Pagni, S., et al. (2011, Septiembre). The genome of alkaliphic Bacillus pseudofirmus OF4 reveals adaptations that support the ability to grow in an external pH range from 7.5 to 11.4. En Environ Microboi. DOI: 10.1111/j.1462-2920.2011.02591.x Bioconstrucción y energía alternativa. Esfera city center Monterrey (ECCM). Un innovador modelo de desarrollo inmpoviliario y sostenible. Recuperado de: http://bioconstruccion.com.mx/blog.html?id=96 Club
planeta. Conoce Monterrey y su clima. Recuperado http://www.elclima.com.mx/conoce_monterrey_y_su_clima.htm
de:
Concreto Online. Niveles actuales de emisiones y consumo de energía y materias primas. Recuperado de http://www.concretonline.com/index.php?option=com_content&task=view&id=739& Itemid=35 Ecologistas en acción. (2015, Septiembre) Emisiones en España: Cemento. Recuperado de http://www.ecologistasenaccion.org/article30586.html Habitissimo. Cotización albañiles en Nuevo León. Recuperado https://www.habitissimo.com.mx/presupuesto/albaniles/nuevo-leon
de
I am civil engineer. (2016, Octubre) Self Healing Bioconcrete a live concrete. Recuperado de http://www.iamcivilengineer.com/2016/10/self-healing-bioconcrete-liveconcrete.html IDRD. Andenes, senderos y plazoletas de adoquines o losetas. Manual de especificaciones técnicas de diseño y construcción de parques y escenarios públicos. Recuperado de: http://www.idrd.gov.co/especificaciones/index.php?option=com_content&view=articl e&id=752&Itemid=706 IDU.
(2008) Guía de movilidad peatonal. Recuperado de: http://app.idu.gov.co/otros_serv/Download/2008/guia_de_movilidad_peatonal.pdf
IDU.
Especificaciones técnicas. Recuperado http://app.idu.gov.co/espec_tecnicas/Capitulo_7/701-11.pdf
de
Instituto Municipal de Planeación Urbana y Convivencia de Monterrey (2013). Plan de desarrollo urbano del municipio de Monterrey 2013-2025. Recuperado de: http://portal.monterrey.gob.mx/pdf/2013_2025.pdf Jonkers, H. M. Bacteria-based self-healing concrete. Delft University of technology. Delft, the Netherlands. Recuperado de http://heronjournal.nl/56-12/1.pdf Light Weight Aggregates (LWA) Recuperado de http://ospcboard.org/ckeditor/CKFiles/24Feb-2015LIGHT%20WEIGHT%20AGGREGATES%20(LWA).pdf Make a Smart city. (2015, Junio) Self-Healing or “Living” concrete. Recuperado de https://makeasmartcity.com/tag/bio-concrete/
10
Sierra Beltran, M. G., Jonkers, H. M., Mors, R. M., & Mera-Ortiz, W. (2015, June). Field application of self-healing concrete with natural fibres as linings for irrigation canals in Ecuador. In ICSHM 2015: Proceedings of the 5th International Conference on Self Healing Materials, Durham, USA, 22-24 June 2015. Universidad de Pittsburg. Utilizing self-healing concrete in structures. Recuperado de: http://www.pitt.edu/~dml75/paper.html ConcretOnline ( s.f. ) Niveles actuales de emisiones y consumo de energia y materias primas. Cementos. Recuperado de: http://www.concretonline.com/index.php?option=com_content&task=view&id=739& Itemid=35 Amado, J. F. (2015) Análisis del sistema de reparación de pavimentos flexibles por inyección neumática de mezclas asfálticas en frio, tecnología Velocity Patching. Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas. Recuperado de:
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Anexo 1 Tabla 1. Diseño de mezclas de los morteros
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Tabla 2. Propiedades en estado fresco de los morteros
Figura 4. Cristales de carbonato de calcio en los tres morteros para inmersión y los ciclos húmedo-seco
Figura 5. Campesinos limpiando el canal
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Figura 6. Estudiantes colaborando en la creación del canal en Ecuador
Figura 6. Canal 5 meses después
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