Resumen

En la actualidad no se conoce material alguno que permanezca inerte ante los cambios químicos o bioquímicos y que sea inmune al deterioro físico. El concreto no es la excepción, aunque bajo condiciones normales de trabajo tiene una vida útil amplia. La mayoría de los cementos modernos no resisten el biodeterioro, proceso por el cual los microorganismos degradan elementos de concreto debido a los productos generados por su metabolismo. Este documento presenta el estado del arte de la información referente a este fenómeno y sobre el daño que infringe a la infraestructura de concreto.

Palabras clave: Concreto; Biodeterioro; Microorganismos

1. INTRODUCCIÓN

Se ha reportado que la infraestructura de concreto sufre biodeterioro cuando se expone al contacto con suelos y agua ricos en materia orgánica y minerales; su adecuado desempeño se altera debido a los cambios que producen los microorganismos en el material. Éstos forman consorcios que interactúan con materiales inorgánicos, orgánicos y su medio ambiente, cuyo fenómeno ocurre en conjunto con procesos físicos y químicos complejos y destructivos. Por lo tanto, es difícil distinguir el grado del daño causado por factores bióticos derivados de los abióticos.

La corrosión de la infraestructura de concreto por microorganismos se ha encontrado en la construcción, así como en presas, muelles, estructuras marinas, puentes, tanques, drenajes, torres de enfriamiento y silos, entre otros. El mecanismo de deterioro (Figura 1) ocurre por la participación de microorganismos tales como bacterias, hongos y algas presentes en concentraciones elevadas [1], que colonizan la superficie del material y cubren poros y micro-grietas, lo que provoca problemas estéticos y estructurales y, por ende, de funcionalidad del elemento de concreto.

Figura 1. Mecanismo de deterioro de concreto y corrosión del refuerzo por la acción de microorganismos [1]

2. BIODETERIORO DEL CONCRETO

La degradación del concreto por microorganismos se debe al incremento en la concentración de carbonatos y compuestos de azufre inorgánicos, que incluyen otros agentes químicamente agresivos de naturaleza abiótica o biótica (ver Figura 2).

Figura 2.  Biodeterioro del concreto de acuerdo con la norma ASTM C 1894 [8].

Las interacciones con los componentes minerales de los materiales juegan un papel esencial en su inducción y proceso de corrosión, bajo el hecho de que el concreto es un material heterogéneo que generalmente está compuesto de cemento portland, agregados (gruesos y finos), agua y aditivos. Los agregados, que constituyen entre el 59 y 75% del volumen de concreto, y la pasta de cemento endurecido, que representa del 25 al 40%, son las dos fases principales que definen propiedades fisicoquímicas diferentes. Sin embargo, muchos factores físicos, químicos y biológicos afectan tanto la pasta de concreto como los agregados [2].

El desempeño del concreto depende principalmente de la fabricación de la mezcla y el mantenimiento del mismo, por lo que mezclas y mantenimientos inadecuados son factores que promueven el deterioro. En el daño del concreto participan también factores físicos externos, por ejemplo, los cambios de temperatura. Por otro lado, la evaporación del agua de la pasta de cemento conduce a la formación de poros que permiten la entrada de humedad del entorno con agentes agresivos como los iones Cl^-, NO₃^-, SO₄^2- y CO₃^2-. Además, algunos microorganismos aprovechan las condiciones y se establecen en la superficie del concreto, cuyas excreciones de sustancias poliméricas extracelulares se depositan en sus poros y modifican la porosidad y permeabilidad. En el caso de concreto poroso en contacto con agua o tierra saturada, la fase de agua es continua en la superficie del material y varios iones pueden entrar fácilmente en la matriz del concreto. Muchas sustancias químicas que incluyen ácidos, álcalis, gases, aceites y grasas, azúcares y muchos otros, son agentes muy corrosivos que causan ataque químico del concreto, como se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1. Compuestos químicos que promueven el deterioro del concreto [2].

Los ácidos orgánicos y minerales, las sales (principalmente sulfatos), el sulfuro de hidrógeno (H₂S), el amoníaco (NH₃) y el dióxido de carbono (CO₂), pueden derivarse de agregados, aire, combustión de gases, aguas, deshielo e impurezas industriales, que pueden atacar la pasta de cemento, el agregado o ambos. Se ha observado que, en general, los agregados naturales (gravas, carbones base, arenas) y los agregados de rocas magmáticas (granitos, basaltos) no sufren daño bajo acción química. Por otro lado, la resistencia química al deterioro de algunos agregados artificiales (clinkers, ceramsitas) es bien conocida, pero las rocas calcáreas naturales y los agregados de la escoria del horno son atacables en ambientes ácidos, que son corrosivos también para la pasta de cemento.

La hidratación del cemento da como resultado la formación de hidróxido de calcio Ca(OH)₂, que reacciona con dióxido de carbono (CO₂); esto es:

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O.                    (1)

El carbonato de calcio (CaCO₃) resultante es escasamente soluble y su formación provoca un endurecimiento de la pasta de cemento y aumenta la resistencia a la compresión del concreto. Este proceso, llamado carbonatación, es considerado favorable para las propiedades de este material. Sin embargo, la formación de carbonatos conduce a un aumento de la contracción del concreto durante el secado, que promueve el agrietamiento del material. Además, la carbonatación del concreto conduce a una menor alcalinidad y, posteriormente, a la corrosión del acero de refuerzo. Tanto el hidróxido de calcio como el carbonato reaccionan con diferentes sustancias químicas, especialmente con ácidos orgánicos e inorgánicos y con algunas sales, mientras que los aluminatos presentes en el concreto reaccionan fácilmente con sulfatos. Los productos de estas reacciones son sales hidratadas que se expanden dentro del concreto y causan fisuras desde adentro.

La actividad metabólica de los microorganismos provoca la liberación de ácidos, como sulfuro de hidrógeno y otros reactivos corrosivos (Tabla 2 y Tabla 3). El crecimiento intenso de microorganismos causa la acumulación de sustancias biogénicas corrosivas en los diferentes materiales de construcción, así como en las edificaciones el concreto [3-6]. La interacción entre el material y los microorganismos presentes en la superficie, en huecos y fisuras o en el espacio intersticial del material y su entorno, da lugar al biodeterioro. Los efectos del metabolismo microbiano son principalmente de naturaleza química y pueden influir en los procesos físicos, por lo que microorganismos como bacterias, algas, líquenes, levaduras y hongos participan también en casos de biodeterioro. Estos actúan individualmente o combinados, que interactúan de manera compleja con los materiales de construcción. La Figura 2 y la 3 muestran las etapas de deterioro del concreto causado por procesos de carbonatación, adherencia de la biopelícula al concreto y la presencia de ácidos biogénicos, con base en la norma ASTM C 1894.

Figura 3.  Sinergia de los microorganismos que forman ácidos biogénicos que promueven el deterioro del concreto de acuerdo con la norma ASTM C 1894.

Tabla 2. Procesos bioquímicos esenciales para el deterioro de los materiales minerales influenciados por microorganismos que indican una agresividad corrosiva especialmente alta [3].

Tabla 3. Sustancias biogénicas y reacciones químicas para el deterioro del concreto influenciado microbiológicamente [3].

*RSC – Compuestos de azufre reducidos (inorgánico)

Las bacterias y los hongos microscópicos son los microorganismos con mayor influencia en el biodeterioro de la infraestructura del concreto [7-13]. Como se comentó anteriormente, los ácidos orgánicos biogénicos como el acético, láctico, butírico y similares son extremadamente agresivos para el concreto, incluido el dióxido de carbono (CO₂), productos del metabolismo de distintos microorganismos. Por ejemplo, dentro de los ácidos minerales biogénicos corrosivos está el ácido nítrico y el ácido sulfúrico, resultado del metabolismo de bacterias nitrificantes y por la de oxidación del azufre (SOB) respectivamente, que oxidan también el sulfuro de hidrógeno biogénico (H₂S), gas que liberan bacterias reductoras de sulfato (SRB). Todas estas sustancias químicas de origen biológico reaccionan fácilmente con los componentes del concreto (Tabla 3) y causan su deterioro [14].

La desintegración de la matriz de concreto, asociada con los productos biogénicos, es más intensa comparada con la presencia de una sola sustancia corrosiva sobre la superficie del concreto. Así mismo, el tipo de ataque es difícil de predecir, ya que varios microorganismos indican diferentes actividades metabólicas.

En resumen, los productos generados por los Ácidos Orgánicos Biogénicos (Dióxido de carbono biogénico, Ácido nítrico biogénico, Sulfuro de hidrógeno biogénico y ácido sulfúrico) provocan el deterioro del concreto. Sus efectos incluyen el aumento de la humedad y la acidez (el pH disminuye a valores inferiores a 5), disminuyen la resistencia tanto a compresión como a flexión [10, 15, 16], además de asociarse con la formación de la ettringita (CaO)₆(Al₂O₃)(SO₃)₃ -32H₂O (llamada la sal de Candlot) y a veces thaumasita CaSiO₃-CaCO₃-CaSO₄-5H₂O [17, 18]. Al cristalizar, estas sales aumentan su propio volumen aproximadamente al doble respecto a su volumen original, lo que genera la expansión del concreto hasta conducir a su agrietamiento y desintegración. La velocidad de deterioro puede ser de 1.27 cm (1/2 ") a 1.9 cm (3/4") por año, dependiendo de la calidad del concreto.

3. CÓMO PROTEGER AL CONCRETO CONTRA EL BIODETERIORO

Los métodos para mitigar el biodeterioro de estructuras de concreto incluyen modificar el diseño de mezcla; aplicar recubrimientos que pueden rociarse, pintarse o enrollarse sobre la superficie de concreto; así como emplear revestimientos. La modificación de la mezcla implica aumentar la alcalinidad, que produce un efecto inversamente proporcional en la velocidad de deterioro. Por ejemplo, un concreto resistente al ataque microbiológico debe mostrar una relación agua-cemento w/c ≤ 0.45 y una profundidad de penetración de agua < 2.0 cm, con aditivos específicos que incluyen polipropileno u otras fibras poliméricas y biocidas [19]. Los aditivos pueden prepararse como sistemas compuestos bacteriostáticos, los cuales protegen el concreto durante un amplio periodo de tiempo [19-20]. La selección de biocidas depende del tipo de microorganismo que se establece en el concreto [17], cuyo uso simultáneo con la capa protectora, así como su adición al recubrimiento, son casos frecuentes de empleo [20-21].

Vale la pena notar que, a pesar del conocimiento actual de la cinética y mecanismos del deterioro inducido por microorganismos (MID), muchos problemas relacionados con el deterioro biológico de los materiales aún no se han resuelto. Por lo tanto, es recomendable realizar mayor investigación sobre los procesos del biodeterioro y los métodos de protección de estructuras de concreto contra estos procesos.

       4. REFERENCIAS                                                                         

[1] Sand, W. (2001). Microbial corrosion and its inhibition. Biotechnology: Special Processes, 10, 265-316.

[2] Portland Cement Association. (2002). Types and causes of concrete deterioration. Portland Cement Association: Skokie, IL, USA.

[3] Cwalina, B., & Dzierżewicz, Z. (2006). Korozja biologiczna konstrukcji żelbetowych (Biological corrosion of reinforced concrete constructions). In XXI Polish Conference „Warsztat Pracy Projektanta Konstrukcji”, Szczyrk (pp. 79-108)..

[4] Heitz, E., Flemming, H. C., & Sand, W. (1996). Microbially influenced corrosion of materials. Chapter, 8, 105-120.

[5] De Belie, N., Richardson, M., Braam, C. R., Svennerstedt, B., Lenehan, J. J., & Sonck, B. (2000). Durability of building materials and components in the agricultural environment: part I, the agricultural environment and timber structures. Journal of Agricultural Engineering Research, 75(3), 225-241..

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[7] Herb, S., Stair, J. O., Ringelberg, D. B., White, D. C., & Flemming, H. C. (1995). Characterization of biofilms on corroded concrete surfaces in drinking water reservoirs. Water science and technology, 32(8), 141-147. [8] ASTM C1894-22 Standard Guide for Microbially Induced Corrosion of Concrete Products

[9] Kaltwasser, H. (1976). Destruction of concrete by nitrification. European journal of applied microbiology and biotechnology, 3(3), 185-192.

[10] Sand, W., & Bock, E. (1991). Biodeterioration of mineral materials by microorganisms—biogenic sulfuric and nitric acid corrosion of concrete and natural stone. Geomicrobiology Journal, 9(2-3), 129-138.

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[12] Gu, J. D., Ford, T. E., Berke, N. S., & Mitchell, R. (1998). Biodeterioration of concrete by the fungus Fusarium. International biodeterioration & biodegradation, 41(2), 101-109..

[13] Fagerlund, G. (1997). Trwałość konstrukcji betonowych. Warszawa: Arkady. (Durability of concrete constructions).

[14] Vincke, E., Boon, N., & Verstraete, W. (2001). Analysis of the microbial communities on corroded concrete sewer pipes–a case study. Applied Microbiology and Biotechnology, 57(5), 776-785..

[15] Paajanen, L., Ritschkoff, A. C., & Viitanen, H. (1994). Effect of insulation materials on the biodeterioration of buildings. VTT Publication, 791..

[16] Wazny, J. (1978). INFLUENCE OF WOOD-DESTROYING FUNGI ON CONCRETE. In J. Wazny, Proc. 4 th Internat. Biodeterioration Symp, Berlin 1978, 59-62.

[17] Schmidt, M., Hormann, K., Hoffman, F. J., & Wagner, E. (1997). Concrete with greater resistance to acid and to biogenic sulfuric acid corrosion. Betonwerk+ Fertigteil-Technik, (4), 2-8.

[18] Carse, A. (2002). The design of durable concrete structures in aggressive ground conditions. Roads, Structures and Soils in Rural Queensland, 1-14.

[19] Shook, W. E., & Bell, L. W. (1998). Corrosion control in concrete pipe and manholes. In Proc., Int. Conf. Water Environment federation, Orlando, Fa.

[20] SINANEN ZEOMIC CO., LTD (s.f.). Antimicrobial concrete additive Zeomighty, consultado desde http://www.zeomic.co.jp/english/05_01_zeomighty.html

[21] Videla, H. A., & Herrera, L. K. (2005). Microbiologically influenced corrosion: looking to the future. International microbiology, 8(3), 169.

PÉREZ José Trinidad
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LÓPEZ Abraham
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