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“AÑO DEL DIÁLOGO Y RECONCILIACIÓN NACIONAL” UNIVERSIDAD ANDINA DEL CUSCO FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

COSTOS Y PRESUPUESTOS: TECNOLOGÍA DE CONCRETO INVESTIGACIÓN FORMATIVA

DOCENTE:

Ing. Jorge Álvarez Espinoza

TEMA:

Bioconcreto

ESTUDIANTES:

CUSCO-2018 ÍNDICE

Introducción

3

Objetivos

4

Contenido

5

Conclusiones

9

Bibliografía

10

INTRODUCCIÓN

Uno de los problemas más comunes en las construcciones con concreto son las grietas, este problema tiene muchas razones, desde un mal manejo del concreto durante la construcción, hasta la humedad. Éstas pueden llegar a ser problemáticas, si permiten la entrada de humedad al acero de refuerzo y éste se corroe, disminuyendo así la capacidad estructural del concreto. Debido a esto el científico holandés Henk Jonkers, creo el Bioconcreto que es la unión del concreto tradicional con cepas de bacterias, específicamente la Bacillus pseudofirmus que al alimentarse de lactato de calcio segregan piedra caliza y así rellenan las fisuras. Esto es un gran invento que une la naturaleza con la construcción y nos muestra que la clave a muchas soluciones está en nuestro medio ambiente.

OBJETIVOS

1. Objetivo General 1.1. Determinar que es el Bioconcreto

1.2. Identificar los componentes del Bioconcreto 1.3. Conocer como Contribuye con el Medio Ambiente 2. Objetivos Específicos

2.1. Explicar el funcionamiento del Bioconcreto 2.2. Comparar con el concreto común y conocer algunas ventajas y desventajas 2.3. Determinar si el Bioconcreto es económicamente viable en las obras civiles actuales. 2.4. Identificar si existen Obras Civiles con Bioconcreto

CONTENIDO 1. ¿Qué es el Bioconcreto? El Bioconcreto es un invento del científico holandés Henk Jonkers, que tras 9 años de investigación, en el 2015, logro unir el concreto tradicional con cepas de bacterias, específicamente la Bacillus pseudofirmus que prosperan en ambientes alcalinos. La bacteria Bacillus Pseudofirmus es una bacteria anaerobia facultativa, aeróbica formadora de endosporas, gram positiva, alcalófila y alcalina; esta puede germinar en el concreto e incluso puede sobrevivir durante años sin alimento ni oxígeno. [ CITATION Ros15 \l 10250 ] Esto da la propiedad de propiedad de “autorepararse” al concreto cuando este presenta fisuras.

Henk Jonkers y el Bioconcreto Fuente: The guardian

2. Porque Necesitamos el Bioconcreto La aplicación de concreto está aumentando rápidamente en todo el mundo y, por lo tanto, el desarrollo de concreto sostenible se necesita con urgencia por razones ambientales. Como en la actualidad, aproximadamente el 7% de las emisiones atmosféricas antropógenas totales de CO2 se deben a la producción de cemento, los mecanismos que

contribuirían a una vida útil más larga de las estructuras de concreto harían que el material no solo sea más duradero sino también más sostenible. Un mecanismo de este tipo que recibe cada vez más atención en los últimos años es la capacidad de auto reparación, es decir, la curación autónoma de grietas en el concreto. En este estudio, investigamos el potencial de las bacterias para actuar como agentes de autocuración en el concreto, es decir, su capacidad para reparar las grietas que se producen. Se seleccionó un grupo específico de bacterias formadoras de esporas resistentes al álcali relacionadas con el género Bacillus para este propósito. Las esporas bacterianas agregadas directamente a la mezcla de pasta de cemento permanecieron viables por un período de hasta 4 meses. Una disminución continua en el diámetro del tamaño de los poros durante la colocación de las piedras de cemento probablemente limitó la vida útil de las esporas, ya que los anchos de los poros disminuyeron por debajo de 1 μm, el tamaño típico de las esporas de Bacillus. Sin embargo, como las muestras de piedras de cemento bacterianas parecían producir sustancialmente más minerales que obstruyen las grietas que las muestras de control, la aplicación potencial de las esporas bacterianas como agente de autocuración parece prometedora.

3. Componentes del Bioconcreto 3.1. Bacterias Bacillus pseudofirmus Para crear este bioconcreto, el científico empleó bacterias productoras de piedra caliza. De esta manera, los microorganismos son capaces de cerrar las brechas en la estructura. Para este proceso se utilizó las bacterias ‘Bacillus pseudofirmus’ y ‘Sporosarcina pasteurii’, las cuales se pueden encontrar en lagos altamente salados cercanos a volcanes. Estos microorganismos son capaces de permanecer latentes durante un máximo de 200 años, permitiendo que los edificios con el bioconcreto mantengan por un largo tiempo su habilidad regenerativa. Este ‘material vivo’ es desarrollado mezclando el concreto regular con las dos bacterias y cápsulas de lactato de calcio (alimento de los microorganismos). Con el transcurso del tiempo se formarán las grietas y la lluvia empezará a filtrarse. En ese momento, el agua liberará el lactato de calcio de las cápsulas, que al contacto con

las bacterias provocará que estas se multipliquen y combinen el calcio con iones de carbonato para formar calcita o piedra caliza, la cual cerrará las grietas de las edificaciones. 3.2. Concreto tradicional El concreto convencional tiene una amplia utilización en las estructuras de concreto más comunes. Dependiendo de las dimensiones y cuantía del refuerzo del elemento que se va a vaciar se especifica el tipo de agregado requerido y sus proporciones Todo tipo de estructuras de concreto. Se emplea para: 

Cimentaciones, Columnas, Placas macizas y aligeradas Muros de contención Cimientos Prefabricados, etc.

3.3. Lactato de calcio El lactato cálcico es una sal del ácido láctico que se neutralizó con el carbonato de calcio. El ácido láctico suele producirse en los procesos de fermentación de ciertas frutas. Suele presentarse en forma de polvo blanco soluble en agua, aunque también con el etanol. Posee una fórmula (C3H5O3)2Ca •n H2O (n = 0-5) que puede llegar a presentarse en una estructura pentahidratada. Suele convivir en mezclas racémicas con sus estereoisómeros. Propiedades El lactato cálcico es una sal del ácido láctico que se neutralizó con el carbonato de calcio. El ácido láctico suele producirse en los procesos de fermentación de ciertas frutas. Suele presentarse en forma de polvo blanco soluble en agua, aunque también con el etanol. Posee una fórmula (C3H5O3)2Ca •n H2O (n = 0-5) que puede llegar a presentarse en una estructura pentahidratada. Suele convivir en mezclas racémicas con sus estereoisómeros.

3.4. Cápsulas de plástico biodegradable

4. Funcionamiento del Bioconcreto Al realizar la mezcla del concreto agregamos las cápsulas de plástico biodegradable que contienen las bacterias y el lactato de calcio. Cuando aparecen las fisuras en las estructuras, las capsulas entran en contacto con el agua y se abren, en ese momento las bacterias “germinan”, se multiplican y se alimentan del lactato de calcio; al hacerlo se combina el calcio con iones de carbonato, para formar calcita, o piedra caliza .que reparará, en un período de tres semanas, las grietas existentes.[ CITATION 36017 \l 10250 ] No hay límite para el largo de la grieta que nuestro material puede reparar. Desde centímetros a kilómetros pero para el ancho, sin embargo, sí hay límite: Las grietas no deben tener una amplitud mayor a 8 milímetros.[ CITATION BBC16 \l 10250 ]

Proceso de Auto curación de un muro Fuente: BBC Mundo

Muro con las fisuras ya reparadas Fuente: BBC Mundo

5. Reacciones Quimicas La composición del concreto autorreparante, o en su denominación en el idioma inglés “Self-healing concrete”, consiste en los mismos materiales que se conocen para el concreto convencional (cemento, agua, agregados finos y gruesos, aditivos, etc.) adicionados a las bacterias, las cuales le dan la cualidad de autorregenerante. Cuando el concreto agrietado está expuesto al aire, la humedad o la penetración de agua, por sus grietas, se genera una reacción química que produce calcita para sellarlas. Las bacterias utilizadas por Dr. Jonkers son del tipo “Bacillus”, ya que son capaces de sobrevivir en un ambiente alcalino (pH mayor a 10). La úrea, al entrar en contacto con el aire húmedo del ambiente, se hidroliza y forma amoniaco. CO(NH2)2 + H2O ↔ COOH+2NH3

En segundo lugar, el carbonato del concreto se hidroliza y pasa a formar dos productos, amoníaco y ácido carbónico. NH2 COOH+H2O ↔ NH3+H2 CO3 En tercer lugar, a partir de los productos obtenidos, se presentan dos reacciones, de las cuales se forman bicarbonato, amonio e iones de hidróxido; estas reacciones generan un aumento en el pH. HCO3 ↔ HCO3- + OH2NH3+ H2O ↔ 2NH(|4)- + 2OH En cuarto lugar, por el aumento del pH, se desplaza el equilibrio del bicarbonato para formar iones de carbonato. 2OH- + HCO3 - + H+ +2NH4 + ↔ CO3 2- + 2NH4 + + 2H2O Finalmente, las bacterias utilizadas accionan en dos reacciones. En la primera reacción, la pared celular, por tener carga negativa, atrae del entorno al que está sometido el concreto Ca2+. Luego, el ion de carbonato se precipita y da como producto piedra caliza. Cell + Ca2+ ↔ Cell - Ca2+ Cell + Ca2+ + CO3 2- ↔ Cell - CaCO3 En resumen, el concreto, al estar sometido a la intemperie, tiende a producir reacciones químicas naturales. Sin embargo, al tener como componente las bacterias, presenta reacciones que le permiten generar materia que repare las grietas, lo cual aumenta su tiempo de vida 6. Económicamente viable El Bioconcreto aún debe de superar la prueba más dura: el mercado. 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 por eso el producto puede ser prohibitivo para grandes proyectos de infraestructura.[ CITATION Ros15 \l 10250 ] Aunque puede ser más caro que el concreto tradicional, pronto se nota el beneficio económico porque ahorra en costos de mantenimiento. Sólo en Europa se gastan al año US$6.800 millones en reparar construcciones

debilitadas

es

por

esto

que

el

Bioconcreto

puede ahorrar miles de millones de dólares en el mantenimiento de estructuras tan variadas como edificios, puentes o represas.[ CITATION BBC16 \l 10250 ]

La Universidad Técnica de Delft tiene en el mercado un spray, hecho sobre la base del mismo principio, que puede aplicarse directamente a pequeñas grietas.

7. Comparación con el Concreto Tradicional

Efectos en las propiedades mecánicas: Mientras que el concreto común tiene un comportamiento frágil, el concreto basado en la ingeniería flexible tiene un comportamiento más dúctil. Los ensayos de medición de deformaciones por tracción en el concreto autorregenerante, realizados en laboratorios, resultaron ser 5 veces mayor respecto al concreto convencional. En un concreto con bacterias, la resistencia a la tracción es mejor que un concreto convencional (ver tabla 1). · La resistencia a la compresión del concreto fue mejorada en un 14.92% mediante la adición de Bacillus subtilis, mientras que el B. sphaericus mejora la resistencia a la compresión del concreto en un 30,76 % a 3 días, 46,15 % a 7 días y 32.21 % a 28 días, en comparación con el concreto convencional (ver tabla 2).

Efectos en l La capacid

ue la de un concreto

convencional. Este resultado se obtuvo de un ensayo llamado Capillary Water Suction que muestra el aumento o la reducción relativa de la absorción de agua. Por otro lado, Willem De Muynck realizó este ensayo comparando la capacidad de absorción de la bacteria (B. Sphaericus) con la capacidad de la mezcla, la cual resultó tener un valor mayor.

[ CITATION Pon10 \l 10250 ]

Efectos en la durabilidad del concreto: 

La mayor cantidad de gastos en reparación son a causa de las fisuras que aparecen durante el periodo útil del concreto. De esta manera, contar con esta tecnología evita realizar gastos, pérdidas de tiempo e incomodidades a los residentes en sus propiedades.



Si bien un concreto con estas características tiene un equivalente de 3 veces el costo de producción necesario respecto al concreto habitual, estos son compensados con eludir gastos de reparación producto de las fisuras en el tiempo.



No es afectado por la composición química de la lluvia con cierto grado de acidez; por tanto, en temporadas de lluvia, cuando se tiene suficiente tiempo de contacto concretofluido, debido a la permeabilidad del concreto (el cual está en función a las fisuras o grietas presentes), el agua no lo penetra.



No presenta corrosión en las estructuras marinas (debido a las sales y ácidos del mar) o en los sótanos (debido a la cercanía a la capa freática).

 En la autorreparación se reduce la permeabilidad, ya que las grietas llegan a reducirse de un ancho de 0.5mm a uno de 0.35mm; por ello, este tipo de concreto presenta mejores propiedades en estado endurecido con respecto al convencional 8. Obras Civiles con Bioconcreto Como parte de las evaluaciones a las que se somete al bioconcreto, Henk Jonkers informó que se ha utilizado este material para construir canales de irrigación en Ecuador, un país altamente sísmico. Con el fin de que si existen rajaduras este puede auto repararse.[ CITATION Nie95 \l 10250 ]

Canales de Irrigación en Ecuador Fuente: Google Imágenes

CONCLUSIONES

1. El Bioconcreto es el concreto tradicional mezclado con cepas de la bacteria Bacillus pseudofirmus esta bacteria puede segregar piedra caliza y así da la propiedad de “auto repararse” al concreto cuando este presenta fisuras. 2. Los componentes del Bioconcreto son:    

Bacterias Bacillus pseudofirmus Concreto tradicional Lactato de calcio Cápsulas de plástico biodegradable

3. Al realizar la mezcla del concreto agregamos las cápsulas de plástico biodegradable que contienen las bacterias y el lactato de calcio. Cuando aparecen las fisuras en las estructuras, las capsulas entran en contacto con el agua y se abren, en ese momento las

bacterias “germinan”, se multiplican y se alimentan del lactato de calcio luego segregan piedra caliza .que reparará, en un período de tres semanas, las grietas existentes 4. Como en la actualidad, aproximadamente el 7% de las emisiones atmosféricas antropógenas totales de CO2 se deben a la producción de cemento 5. Las bacterias utilizadas por Dr. Jonkers son del tipo “Bacillus”, ya que son capaces de sobrevivir en un ambiente alcalino (pH mayor a 10). 6. En un concreto con bacterias, la resistencia a la tracción es mejor que un concreto convencional La resistencia a la compresión del concreto fue mejorada en un 14.92% mediante la adición de Bacillus subtilis, mientras que el B. sphaericus mejora la resistencia a la compresión del concreto en un 30,76 % a 3 días, 46,15 % a 7 días y 32.21 % a 28 días, en comparación con el concreto convencional 7. Presenta algunas ventajas como: Evita realizar gastos, pérdidas de tiempo e incomodidades a los residentes en sus



propiedades. 

Autorreparación se reduce la permeabilidad, ya que las grietas llegan a reducirse



No presenta corrosión en las estructuras marinas

8. Presenta algunas Desventajas como 

Costo es 3 veces superior



Realizado por Especialistas

9. Actualmente el Bionconcreto no es viable económicamente para obras civiles de gran envergadura, debido a su alto precio y que aun no esta en el mercado. Pero se tiene un spray con la misma composición para reparar pequeñas fisuras que esta actualmente en el mercado. 10. La única obra civil con Bioconcreto actualmente registrada esta en Ecuador en sus canales de riego, aquí es donde Henk Jonkers decidió probar su invento debido a que es un país altamente sisimico.

BIBLIOGRAFÍA

360 EN CONCRETO. (8 de Junio de 2017). Bioconcreto. Obtenido de 360EN CONCRETO: http://www.360enconcreto.com/blog/detalle/bioconcreto-solucion-para-construccionde-infraestructura BBC MUNDO. (28 de 8 de 2016). El revolucionario bio-concreto, el material que se repara a sí mismo. Obtenido de BBC MUNDO: https://www.dinero.com/internacional/articulo/el-revolucionario-bio-concreto-y-susaplicaciones-en-la-construccion/231297 Nielsen, P., Fritze, D., & Priest, F. G. (1995). Phenetic diversity of alkaliphilic Bacillus strains: proposal for nine new species. En P. Nielsen, D. Fritze, & F. G. Priest, Microbiology.Microbiology. (págs. 1745–1761). Spinks, R. (29 de Junio de 2015). The Guardian. Obtenido de The self-healing concrete that can fix its own cracks: https://www.theguardian.com/sustainablebusiness/2015/jun/29/the-self-healing-concrete-that-can-fix-its-own-cracks...