JULIÁN SANTIAGO MONTEJO ESPITIA - Uniandes
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i BIO PRECIPITACIÓN DE CARBONATO DE CALCIO: UNA ALTERNATIVA PARA LA REPARACIÓN DE FISURAS EN CONCRETO JULIÁN SANTIAGO MONTEJO ESPITIA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ D.C.
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BIO PRECIPITACIÓN DE CARBONATO DE CALCIO: UNA ALTERNATIVA
PARA LA REPARACIÓN DE FISURAS EN CONCRETO
JULIÁN SANTIAGO MONTEJO ESPITIA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
BOGOTÁ D.C.
BIO PRECIPITACIÓN DE CARBONATO DE CALCIO: UNA ALTERNATIVA
PARA LA REPARACIÓN DE FISURAS EN CONCRETO
JULIÁN SANTIAGO MONTEJO ESPITIA
PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL
ASESOR:
JUAN FRANCISCO CORREAL DAZA Ph.D.
CO-ASESORA:
JOHANNA HUSSERL ORJUELA Ph.D.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL
BOGOTÁ D.C.
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Agradecimientos.
En primer lugar, agradezco a mis padres, mi hermana, a Bongo y al resto de mi familia por
apoyarme durante todo mi proceso de formación integral como Ingeniero Civil; sin su paciencia,
esfuerzo y compañía este logro nunca hubiera sido alcanzado.
También agradezco a mis amigos Juan David, Federico, Christian, Natalia, Salomé y todos
aquellos que me ayudaron a superar cada uno de los obstáculos académicos y personales
enfrentados a lo largo de toda mi carrera, así como por apoyarme, llenarme de inspiración y
motivación para el desarrollo de este proyecto de investigación.
A mi asesor, Juan Francisco Correal Daza, quien siempre me acompañó y escuchó como su
monitor de mecánica de materiales, representante estudiantil y estudiante de proyecto de grado.
A mi co-asesora Johana Husserl, porque sin sus conocimientos y su guía no hubiera podido
llevar a cabo este proyecto.
Por último, le agradezco a todo el personal de los laboratorios de Ingeniería Civil e
Ingeniería Ambiental, que me brindaron los conocimientos, materiales y comentarios necesarios
para realizar los ensayos requeridos para el desarrollo de este proyecto. Agradezco especialmente
a Alex, Alberto, Diego, Melco y Andrés del laboratorio de estructuras; a Olga, Andrés, Ana María,
Adelaida y Juliana del laboratorio de microbiología y residuos sólidos por todo su apoyo, paciencia,
ayuda y compañía.
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Tabla de contenido
Agradecimientos. ................................................................................................................................. i
Índice de Figuras. ................................................................................................................................ iv
Índice de Tablas. .................................................................................................................................. v
Índice de Gráficas. ............................................................................................................................... vi
Índice de Ecuaciones. .......................................................................................................................... vi
1. Resumen ..................................................................................................................................... vii
1.1 Abstract. ............................................................................................................................. vii
2. Introducción ................................................................................................................................ 1
2.1 Justificación ......................................................................................................................... 1
2.2 Objetivo y Alcance ............................................................................................................... 2
3. Marco Teórico ............................................................................................................................. 3
3.1 Generalidades del Concreto ................................................................................................ 3
3.1.1 Fisuración del concreto ............................................................................................... 4
3.1.2 Capacidad de auto reparación del concreto ............................................................... 8
3.2 Bio Precipitación de Carbonato de Calcio ........................................................................... 9
4. Estado del Arte .......................................................................................................................... 10
4.1 Auto-reparación de Concreto por Bio-precipitación de Carbonato de Calcio. ................. 10
4.1.1 Ensayos y estudios realizados ................................................................................... 11
....................................................................................................................................................... 13
4.2 Ensayos para la Fisuración del Concreto ........................................................................... 18
4.2.1 Ensayos a tracción indirecta ...................................................................................... 18
4.2.2 Ensayos a tracción directa ......................................................................................... 22
5. Metodología. ............................................................................................................................. 28
5.1 Aislamiento de bacterias. .................................................................................................. 28
5.1.1 Toma de muestras. .................................................................................................... 29
5.1.2 Dilución de muestras. ................................................................................................ 29
5.1.3 Siembra en medio sólido. .......................................................................................... 30
5.1.4 Evaluación de resistencia a pH. ................................................................................. 31
iii
5.1.5 Tinción de Gram. ....................................................................................................... 32
5.2 Construcción y fisuración de probetas de concreto ......................................................... 34
5.2.1 Diseño de probetas de concreto. .............................................................................. 34
5.2.2 Construcción de probetas de concreto. .................................................................... 35
5.2.3 Fisuración de probetas de concreto. ......................................................................... 36
5.2.4 Corte de cilindros. ..................................................................................................... 37
5.3 Inoculación de bacterias en las probetas de concreto. ..................................................... 37
5.4 Verificación de los cambios en las probetas fisuradas. ..................................................... 38
6. Resultados. ................................................................................................................................ 40
6.1 Resultados microbiológicos. .............................................................................................. 40
6.2 Resultados de ensayos a compresión. .............................................................................. 43
5.2.3 Diseño de mezcla. ............................................................................................................ 43
5.2.4 Resultados finales de ensayos a compresión. .................................................................. 44
6.3 Resultados de los ensayos a tracción directa. ................................................................... 44
5.3.1 Deformación unitaria escogida para los ensayos. ............................................................ 44
5.3.2 Resultados de los ensayos a tracción directa. .................................................................. 45
6.4 Resultados del proceso de tratamiento a cilindros fisurados. .......................................... 47
6.5 Resultados de ensayos a tracción indirecta. ..................................................................... 54
5.4.1. Dimensiones de las probetas. ......................................................................................... 54
5.4.2 Resultados mecánicos de los ensayos a tracción indirecta. ............................................. 56
7. Conclusiones. ............................................................................................................................ 65
8. Comentarios y Recomendaciones. ............................................................................................ 68
Bibliografía ........................................................................................................................................ 69
Anexo 1. ............................................................................................................................................. 72
Anexo 2. ............................................................................................................................................. 75
Anexo 3. ............................................................................................................................................. 78
iv
Índice de Figuras.
Figura 1. Curvas Esfuerzo Vs. Deformación de acero y concreto. ....................................................... 8
Figura 2. Vista al microscopio de las placas precipitadas. (Jonkers & Schlagen, 2009) .................... 12
Figura 3. Probetas ensayadas. ........................................................................................................... 13
Figura 4. Comparación de concentración de oxígeno y máximo espesor de fisura reparada. (Wiktor
& Jonkers, 2011) ................................................................................................................................ 13
Figura 5. Ensayos de permeabilidad en discos de concreto. (Boelens, Goedhart, Jagers, &
Oldenkamp, 2012) ............................................................................................................................. 14
Figura 6. Resumen de tratamientos aplicados. (Van Tittelboom, De Belie, De Muynck, & Verstraete,
2010) ................................................................................................................................................. 16
Figura 7. Resultados de pruebas de ultrasonidos para fisuras con profundidad de 100 mm(A) y 200
mm (B). (Van Tittelboom, De Belie, De Muynck, & Verstraete, 2010).............................................. 16
Figura 8. Resultados de TGA. (Van Tittelboom, De Belie, De Muynck, & Verstraete, 2010) ............ 17
Figura 9. Esquema de ensayo a flexión con cargas a los tercios. ...................................................... 19
Figura 10. Esquema de ensayo a flexión cargada en la mitad de la luz. ........................................... 20
Figura 11. Fotografías tomadas de ensayo brasilero en el laboratorio de estructuras de la
Universidad de los Andes. ................................................................................................................. 21
Figura 12. Distribución de esfuerzos en la sección transversal de un cilindro durante un ensayo
brasilero. (Herrera Santos, 2013) ...................................................................................................... 22
Figura 13. Esquematización de ensayo D2936. ................................................................................. 23
Figura 14. Probetas utilizadas para análisis de corrosión. (Amleh, 1996) ........................................ 24
Figura 15. Distribución de esfuerzos triangular en la zona de formación de una fisura. (Bazant,
ASCE, & Oh, 1983) ............................................................................................................................. 26
Figura 16. Metodología general planteada. ...................................................................................... 28
Figura 17. Procedimiento para el aislamiento de bacterias. ............................................................. 29
Figura 18. Dilución de muestras.a) preparación de muestra incicial. c)agitación en vortex. c) mezcla
homogénea. ...................................................................................................................................... 30
Figura 19. Inoculación de medios. a) toma de muestra con micro pipeta. b) aplicación en medio
sólido. C) distribución con rastrillo. ................................................................................................... 31
Figura 20. Proceso de siembra y traspaso de microorganismos. (www.sumanasinc.com). a)
esterilización del aza. b) toma de colonias. c) pase o siembra. ........................................................ 32
Figura 21. Procedimiento a seguir para la tinción de Gram. (Quintero Martínez, 2011) ................. 33
Figura 22. Probetas de concreto construidas. .................................................................................. 35
Figura 23. Formaleta recién fundida. ................................................................................................ 36
Figura 24. Montaje experimental para ensayos a tracción directa. ................................................. 37
Figura 25. Recipientes que albergan cilindros de concreto fisurado en LB. ..................................... 38
Figura 26. Cultivo microbiológico con ph 11. .................................................................................... 40
Figura 27. Resultado tinción de Gram vista con un aumento de 40 X. ............................................. 41
Figura 28. Precipitado a ph 10........................................................................................................... 41
v
Figura 29. Cristales de carbonato de calcio y bacterias. a) Aumento 100X. b) aumento en detalle de
la figura a). ......................................................................................................................................... 43
Figura 30. Gráfica de Fuerza vs. Tiempo para los ensayos a compresión realizados en cilindros. .. 44
Figura 31. Cilindros obtenidos de los cortes. .................................................................................... 46
Figura 32. Crecimiento previo al aislamiento. .................................................................................. 48
Figura 33. Crecimiento luego del aislamiento. .................................................................................. 48
Figura 34. Comparación de cultivos aislados. ................................................................................... 49
Figura 35. Vista general de fisuras reparadas en probeta T1P2. ...................................................... 50
Figura 36. Vista de fisuras parcial y totalmente reparadas en la probeta T1P1 al estereoscopio. ... 51
Figura 37. Vista al estereoscopio de fisuras parcial y totalmente reparadas en la probeta T1P2. ... 51
Figura 38. Cambio en fisuras con un ancho mayor a 0.5 mm en probeta T2P4. .............................. 52
Figura 39. Corrosión en el acero bajo la acción de LB con un ph de 9.5. .......................................... 53
Figura 40. Corrosión en el acero baja la acción de agua. .................................................................. 53
Figura 41. Coloración blanca en la cara inferior de probetas sumergidas en medio LB. .................. 54
Figura 42. Primer tipo de falla en probetas con barra de acero. ...................................................... 57
Figura 43. Bifurcación de fisuras en consecuencia de la discontinuidad de esfuerzos dada la barra
de acero de refuerzo. ........................................................................................................................ 58
Figura 44. Segundo tipo de falla para probetas con una barra de acero embebida. ........................ 58
Índice de Tablas.
Tabla 1. Carbonato de calcio al microscopio. .................................................................................... 42
Tabla 2. Diseño de mezcla. ................................................................................................................ 43
Tabla 3. Ejemplo ilustraciones de fisuras. ......................................................................................... 47
Tabla 4. Diámetro y Longitud promedio de las diferentes probetas sometidas a ensayos de tracción
indirecta. ........................................................................................................................................... 55
Tabla 5. Desviación estándar y media de los diámetros y longitudes promedio medidas para todas
las probetas falladas a tracción indirecta. ......................................................................................... 55
Tabla 6. Resultados a tracción directa en probetas Tipo I. ............................................................... 59
Tabla 7. Resultados de ensayos a tracción indirecta en probetas con fisuración Tipo II. ................. 60
Tabla 8. Resultados de ensayos a tracción indirecta en probetas tratadas con agua. ..................... 61
Tabla 9. Resultados de ensayos a tracción indirecta de probetas tratadas con LB sin inoculación de
bacterias. ........................................................................................................................................... 62
Tabla 10. Resultados de ensayos a tracción indirecta en probetas inoculadas con microorganismos.
........................................................................................................................................................... 63
Tabla 11. Resultados de ensayos de tracción directa en cilindros dejados a la intemperie. ............ 64
Tabla 12. Diferencia porcentual entre las probetas sumergidas en agua y lb con ph 9.5 con
respecto a las dejadas a la intemperie. ............................................................................................. 66
Tabla 13. Registro fotográfico probetas T1P2-T1P4. ........................................................................ 72
Tabla 14. Registro fotográfico probetas T1P5-T1P8. ........................................................................ 73
vi
Tabla 15. Registro fotográfico fisuras probetas T1P9-T1P12. ........................................................... 74
Tabla 16. Registro fotográfico fisuras tipo T2P1-T2P4. ..................................................................... 75
Tabla 17. Registro fotográfico fisuras en probetas T2P5-T2P8. ........................................................ 76
Tabla 18. Reporte fotográfico fisuras T2P10-T2P12. ........................................................................ 77
Tabla 19. Resumen de propiedades de probetas sometidas a tracción indirecta. ........................... 78
Índice de Gráficas.
Gráfica 1. Carga Vs. Deformación para la probeta número 12. ........................................................ 45
Gráfica 2. Resultados a tracción indirecta de probetas sin fisurar. .................................................. 57
Gráfica 3. Resultados a tracción indirecta de probetas con fisuración Tipo I. .................................. 59
Gráfica 4. Resultados de ensayos a tracción indirecta de probetas con fisuración Tipo II. .............. 60
Gráfica 5. Resultados de ensayos a tracción indirecta en probetas tratadas con agua.................... 61
Gráfica 6. Resultados de ensayos a tracción indirecta en probetas tratadas con LB sin inoculación
de microorganismos. ......................................................................................................................... 62
Gráfica 7. Resultados de ensayos a tracción indirecta en probetas inoculadas con
microorganismos. .............................................................................................................................. 63
Gráfica 8. Resultados ensayos a tracción indirecta en probetas dejadas simplemente a la
intemperie. ........................................................................................................................................ 64
Índice de Ecuaciones.
Ecuación 1. Módulo de rotura flexión a los tercios. .......................................................................... 19
Ecuación 2. Módulo de rotura flexión carga en punto medio. ......................................................... 20
Ecuación 3. Resistencia a tracción de concreto en ensayo a tracción indirecta. .............................. 21
Ecuación 4. Espesor máxima promedio de fisuras. ........................................................................... 25
Ecuación 5. Espesor promedio de fisuras. ........................................................................................ 25
Ecuación 6. Espesor mínimo de fisuras. ............................................................................................ 26
Ecuación 7. Energía de fractura......................................................................................................... 26
vii
1. Resumen
En el presente documento se presenta un estudio acerca de la utilización de bio precipitación
de Carbonato de Calcio por medio de microorganismos con el fin de reparar las fisuras formadas en
elementos de concreto, hasta tal punto de dotar a este material con la capacidad de auto reparación.
De esta manera, se presenta esta investigación en tres módulos principales; la primera parte
consiste en el estado del arte y el estudio bibliográfico de los avances realizados en este tema
dentro de algunos estudios previos, paso seguido, en un segundo módulo, se presenta el
planteamiento y el desarrollo de un procedimiento experimental a seguir para el estudio de este
fenómeno, desde una fase inicial de aislamiento de microorganismos, hasta los ensayos mecánicos
realizados para el estudio de los posibles impactos de la bio precipitación de Carbonato de Calcio
dentro de elementos de concreto.
Finalmente, se presenta el análisis de los resultados obtenidos a lo largo del procedimiento
experimental planteado previamente.
1.1 Abstract.
This document present a study about bacteria´s bio precipitation of Calcium Carbonate and his
utilization in order to repair cracks presented in the surface of some concrete elements, until
developing the capability of self-healing in this material.
Through three different modules it is presented the research developed, starting with a literature
review about some advances and research made previously around the world about this issue; then,
it is presented a second part with the planning and development of an experimental procedure,
including all the process, since strain isolation of the bacteria to some mechanical tests in order to
verify a possible change of concrete because of bio precipitation of Calcium Carbonate.
Finally, an analysis of results obtained from mechanical experimental tests is presented along
the last module in order to present appropriate and objective conclusions for this research project.
Finally, an analysis of results obtained from mechanical experimental tests is presented along the
last module in order to present appropriate and objective conclusions for this grade project.
1
2. Introducción
El presente proyecto de grado fue realizado con el fin de dar inicio a un estudio sobre la
reparación de fisuras en concreto por medio de bio precipitación de carbonato de calcio; esto como
un paso previo a la utilización de este método en el proceso de auto reparación en este material. De
esta manera, este proyecto cuenta con una parte teórica y una parte experimental.
Dentro de la parte teórica se realizó un estudio del arte de los avances en el fenómeno de la
precipitación de carbonato de calcio para la reparación y la auto reparación de fisuras en elementos
de concreto, así como de los diferentes ensayos mecánicos estandarizados y no estandarizados que
puedan permitir la formación de fisuras en este material.
Por otro lado, la parte experimental comenzó con el aislamiento de microorganismos que
precipiten carbonato de calcio en la ciudad de Bogotá, como un estudio de la viabilidad de la
utilización de esta tecnología a nivel distrital y nacional. Finalmente, se realizó un procedimiento
experimental que permitió fisurar elementos de concreto para evaluar tanto los cambios mecánicos
de este material al estar sometido a este tipo de procesos, como la efectividad de este con los
microorganismos aislados.
2.1 Justificación
Aunque el concreto es quizás uno de los materiales más utilizados en la construcción alrededor
del mundo, por su naturaleza es vulnerable a presentar fisuras y grietas a lo largo de su vida útil,
esto debido a solicitaciones físicas, químicas y ambientales que en muchos casos son inevitables.
Por esta razón, se han generado una gran cantidad de métodos, materiales y metodologías que
permiten la reparación de las fisuras con el fin de evitar la entrada de agentes corrosivos como el
agua y el cloro que generen altos daños en el acero de refuerzo; sin embargo, actualmente han
surgido nuevas tecnologías que buscan dotar al concreto de la capacidad de auto reparación con el
fin de evitar el proceso constante de interventoría y capacitación de mano de obra.
De esta manera, el presente proyecto plantea el estudio de la reparación de concreto por bio
precipitación de carbonato de calcio, como paso previo a la aplicación de este proceso como agente
auto reparador dentro del concreto por medio de bacterias aisladas en la ciudad de Bogotá.
2
2.2 Objetivo y Alcance
El objetivo principal del presente proyecto es el planteamiento y la implementación de una
metodología que permita el estudio de la reparación de fisuras en concreto por medio de bio
precipitación de carbonato de calcio, desde el aislamiento de las bacterias requeridas hasta un
planteamiento del método a utilizar para la evaluación de los cambios presentes en el material
sometido a este proceso.
Ahora, como objetivos secundarios se plantean el estudio del estado del arte de la utilización de
la bio precipitación de carbonato de calcio como un agente auto reparador del concreto, además del
planteamiento de sugerencias y recomendaciones para próximos estudios a realizar.
3
3. Marco Teórico
3.1 Generalidades del Concreto
Desde su inicio como material de construcción, en épocas cercanas al Antiguo Egipto, el
concreto se ha convertido en el material de construcción más utilizado alrededor el planeta debido a
su alta resistencia, gran maleabilidad, bajos costos y resistencia a condiciones climáticas adversas,
pese a su simple composición a base de agregados finos y gruesos, cemento (por lo general
hidráulico tipo Portland), aire y agua (Pérez Fletes, 2013). Debido a lo anterior, es correcto realizar
una breve descripción de este material.
Para comenzar, el concreto es un material semejante a la piedra debido a su composición; que
inicia como una mezcla de apariencia líquida con una maleable que se deposita en una serie de
moldes o formaletas con la forma y las dimensiones requeridas para la estructura a fabricar; paso
seguido, el cemento y el agua reaccionan químicamente, conformando una pasta con la capacidad
de unir los materiales provenientes de los agregados y constituyendo una masa totalmente sólida
luego del proceso de fraguado. Cabe resaltar que se debe adicionar una mayor cantidad de agua de
la requerida para generar la reacción con el cemento con el fin de proporcionar a la mezcla una
mayor ductilidad. Además de esto, es necesario proporcionar una cantidad adicional durante los 28
días posteriores al proceso de vertido en la formaleta, con el objetivo de lograr la resistencia óptima
deseada, proceso que se conoce como curado.
Como es de esperar, las propiedades del concreto dependen directamente de las proporciones
adicionadas de cada uno de sus diferentes componentes y de la calidad y homogeneidad del proceso
de mezclado; proporcionando una gran variedad de posibilidades para obtener diferentes valores de
resistencia a compresión, a tensión, maleabilidad, tiempo de fraguado, entre otros. Por esta misma
razón, se debe contar con una supervisión total del proceso de fabricación del hormigón si se quiere
obtener la resistencia adecuada del mismo.
Por otro lado, la gran acogida de este material no se reduce a sus características descritas
previamente, sino también a la fácil obtención de sus diferentes componentes en casi cualquier
lugar del mundo; factor que permite su implementación con costos relativamente bajos.
Sin embargo, como cualquier otro material, el concreto presenta también una lista de
debilidades, en donde históricamente se ha resaltado tanto su falla súbita debido a que es un
material relativamente frágil, como su baja resistencia a solicitaciones de tracción. Para solucionar
este problema, desde la segunda mitad del siglo XIX, se ha considerado factible la utilización de
acero con el fin de reforzar al concreto debido a su alta resistencia a tracción; este refuerzo se ha
hecho normalmente a partir de barras de acero con una sección transversal con una forma circular y
una superficie con una serie de estrías que las dotan de una gran rugosidad, permitiendo una
adherencia perfecta entre el acero de refuerzo y el concreto cuando las barras se colocan dentro de
las formaletas antes de verter la mezcla del concreto con el fin de que resulten totalmente
embebidas dentro de este material.
4
Esta primera combinación entre concreto y acero recibe el nombre de concreto u hormigón
reforzado, y permite una unión casi perfecta entre los dos materiales, en donde el acero proporciona
principalmente la resistencia a tracción dentro del material, mientras que el concreto provee la
buena resistencia a compresión, la manejabilidad, la resistencia al fuego, entre otros. De esta
manera, se ha incentivado a producir aceros cuya resistencia a la fluencia es mucho mayor a la de
los aceros convencionales, así que permiten mayores deformaciones últimas en el rango plástico del
material; deformaciones que superan hasta en un grado de magnitud a las del concreto y que, en
consecuencia, incentiva la formación de fisuras y grietas tanto en la parte interna como en la
superficie del material.
Finalmente, esta aparición de fisuras dentro del hormigón, consecuencia de su baja resistencia a
tracción, es de gran relevancia dentro de la construcción debido a que aparte de provocar un gran
impacto visual, pueden facilitar la corrosión del acero de refuerzo al interior del material en
consecuencia de la exposición del mismo a agentes químicos y una mayor humedad por medio de
las fisuras generadas (Nilson & Darwin, 1999). Siguiendo este orden de ideas, a continuación se
presenta una breve descripción de las demás causas de la formación de fisuras en el hormigón, a
parte de las razones mecánicas descritas previamente, posibles soluciones y reparaciones de las
mismas.
3.1.1 Fisuración del concreto
El estudio de la presencia de fisuras en elementos de hormigón ha sido de gran relevancia
dentro de la Ingeniería de materiales debido a la gran variabilidad de sus parámetros geométricos y
requisitos de formación, que a su vez, impiden un fácil análisis de su desarrollo. Siguiendo este
orden de ideas, el estudio de la formación de fisuras en concreto se ha dividido principalmente en la
formación de micro fisuras a compresión y fractura.
Por un lado, según el comité 224R.1 de la ACI, el análisis de las microfisuras a compresión fue
de gran relevancia en las primeras etapas del hormigón como material de construcción, debido a que
su formación se presenta en la zona de unión entre la pasta cementicia y los diferentes agregados.
De esta manera, en los primeros modelos matemáticos de este material se asumía que tanto la pasta
cementicia como los agregados tenían una relación lineal y elástica entre los esfuerzos axiales y la
deformación unitaria y el rango inelástico era generado por la formación de estas pequeñas fisuras
causadas por la adherencia entre los dos componentes del material; sin embargo, a partir de los años
70, varios ensayos permitieron concluir que la pasta cementicia tenía un comportamiento no lineal,
de esta manera, la no linealidad del hormigón como un todo no depende tanto de la formación de
micro fisuras como si lo hace de la respuesta mecánica de los materiales que lo componen.
Por otro lado, en el caso de la fractura, esta se relaciona principalmente con la propiedad del
hormigón de ser un material frágil en tracción; esta característica permite que al estar sometido a
tracciones directas o indirectas, el hormigón sea vulnerable a presentar macro fisuras en
consecuencia de la ruptura de este. En el caso del concreto reforzado, las fisuras se dividen en dos
principales grupos: fisuras primarias y fisuras secundarias.
5
Por un lado, las fisuras primarias son aquellas que son visibles desde la superficie de un
elemento de concreto, mientras que las secundarias son aquellas que se propagan en el interior pero
que no sobresalen superficialmente (Broms, 1965). Aunque su tipología es diferente, estos dos
tipos de fisuras tienen un gran impacto sobre el concreto, disminuyendo su resistencia a tracción,
aumentando su permeabilidad y vulnerabilidad con respecto a sustancias corrosivas para el acero de
refuerzo y los demás componentes del material que pueden reducir considerablemente su vida útil.
Finalmente, se puede concluir que la formación de fisuras tanto en la superficie como al interior
del concreto pueden ser causadas por todo tipo de solicitaciones, al verse implicadas tanto en
procesos de compresión como de tensión, y tienen un gran impacto tanto en las propiedades
mecánicas como en la durabilidad del material.
Habiendo aclarado la importancia que se debe dar a las fisuras dentro del concreto debido a su
gran utilización dentro de la construcción de obras civiles, a continuación se presenta un breve
resumen de las principales causas de la fisuración dentro de este material que han sido reconocidas
por el comité ACI 224.1R de 1993, titulado Causas, Evaluación y Reparación de Fisuras en
Estructuras de Hormigón. Cabe resaltar que estas causas se dividen en dos grandes grupos:
fisuración del concreto en estado plástico y fisuración del concreto en estado endurecido.
3.1.1.1 Fisuración del concreto en estado plástico.
Se define como estado plástico el estado en el que se encuentra el concreto desde su vertimiento
en una formaleta hasta su forma endurecida, en este estado las fisuras son causadas por dos
fenómenos diferentes: la retracción plástica y la precipitación de los agregados.
Para comenzar, la fisuración por retracción plástica se genera por una pérdida de humedad muy
rápida, en consecuencia de factores ambientales como altas temperaturas en el aire y en el material,
la humedad relativa del medio y la velocidad del viento sobre la superficie del elemento de concreto
a examinar. De esta manera, si estos factores ambientales permiten la evaporación del agua a una
velocidad mayor a la que puede ser reemplazada, se espera un cambio volumétrico en la superficie
del concreto, que se traduce en contracciones en esta zona; además de esto, por lo general estas
contracciones superficiales son menores a las ocurridas al interior del concreto, generando así una
restricción interna a las tracciones superficiales, que se ven reflejadas en la presencia de fisuras
superficiales.
Ahora, las fisuras por precipitación de los agregados son causa directa de la restricción ejercida
por el acero de refuerzo al hormigón en su proceso de asentamiento en estado plástico, lo que a
menudo genera la formación tanto de fisuras entre el refuerzo y la superficie del concreto como de
zonas vacías en la región adyacente al refuerzo, afectando de manera directa la adherencia entre el
acero y el hormigón.
6
3.1.1.2 Fisuración del concreto en estado endurecido
Luego del proceso del estado plástico, el concreto entra a un estado endurecido hasta alcanzar
su máxima resistencia, estado en el cual se reconocen un total de 9 principales causas de falla, de las
cuales a continuación se describirán las 7 principales.
3.1.1.2.1 Retracción por secado
La retracción por secado en concreto endurecido es un fenómeno similar a la retracción plástica,
en donde los cambios de humedad dentro de un elemento de concreto permiten una contracción
volumétrica de hasta el 1%. Sin embargo, en el caso del hormigón endurecido, la retracción es un
proceso directamente proporcional a la cantidad de agua o humedad dentro de la mezcla e
inversamente proporcional a la cantidad de agregados de la misma; de esta manera, los agregados
permiten reducir la contracción volumétrica hasta un valor cercano al 0.06%.
3.1.1.2.2 Tensiones de origen térmico
En estructuras masivas de concreto se pueden generar altos gradientes de temperatura desde la
superficie en dirección al interior de las mismas. De manera general, este gradiente está dado por la
diferencia en las velocidades de enfriamiento y calentamiento de cada una de estas dos regiones
dentro del hormigón al estar sometido a incrementos internos o externos de temperatura; diferencia
que ocasiona cambios volumétricos diferenciales entre las fibras externas e internas del concreto y
que a su vez se traduce en tensiones de tracción que pueden exceder los esfuerzos admisibles del
concreto y formar fisuras en el mismo. Un proceso normal dentro de la fabricación de este material
es la reacción exotérmica presente dentro del proceso de hidratación del cemento.
3.1.1.2.3 Reacciones químicas
Aunque la mayoría de las causas de la fisuración del concreto son de origen físico, hay también
una serie de reacciones químicas al interior de este material que dan origen a expansiones
volumétricas internas y a su vez a la formación de fisuras en la superficie de este.
Algunas de estas expansiones volumétricas internas están dadas por la reacción entre la sílice
activa presente en los diferentes agregados y los álcalis producidos durante el proceso de
hidratación del cemento, presentes en los aditivos o en otras fuentes externas como el agua de
curado; esta reacción denominada álcali-sílice se refleja en la formación de un gel que extrae agua
de zonas adyacentes dentro del hormigón, provocando aumentos locales de volumen y en
consecuencia algunas tensiones de tracción que pueden generar fisuras si se exceden los esfuerzos
límite del concreto a tensión. Otros ejemplos típicos de este fenómeno son las reacciones álcali-
carbonato, y la formación de sulfo aluminato de calcio al interior del material.
7
3.1.1.2.4 Meteorización
Otra causa recurrente de la fisuración en el concreto es la meteorización, que tiene un gran
impacto sobre la superficie de este material cuando las condiciones climáticas lo someten a ciclos
de humedecimiento y secado, calentamiento y enfriado o congelamiento y deshielo. Al estar
sometido a estos ciclos, el flujo de agua y humedad generado entre la superficie del hormigón y el
medio circundante causa una gran erosión sobre la superficie del material, provocando una gran
cantidad de fisuras superficiales de una baja profundidad pero que dotan al concreto de una
apariencia similar a si este estuviera a punto de desintegrarse.
3.1.1.2.5 Corrosión de las armaduras
En algunas ocasiones, la humedad y el oxígeno pueden aumentar de manera considerable,
permitiendo la corrosión de las barras de acero de refuerzo y la consecuente formación de óxidos e
hidróxidos de hierro, cuyo volumen es considerablemente mayor al del hierro metálico original. De
esta manera, al aumentar el volumen de las barras de acero de refuerzo, el concreto puede ser objeto
de la formación de fisuras, a tal punto de presentar descascaramiento en la superficie del elemento.
3.1.1.2.6 Prácticas constructivas inadecuadas
Aunque el concreto es un material muy utilizado en el desarrollo de diferentes obras civiles,
dentro de los procesos constructivos que lo involucran hay una serie de prácticas recurrentes que
pueden provocar una mayor formación de fisuras tanto en su interior como en su exterior. Algunas
de estas prácticas se nombran a continuación:
Uso de agua adicional para aumentar la trabajabilidad de la mezcla, que a su vez
aumenta la capacidad de retracción del material.
La falta de curado o ausencia de este, causa tanto la disminución de la resistencia del
concreto como una mayor retracción del mismo.
La compactación inadecuada y la falta de apoyo en los encofrados, que puede generar
el asentamiento de los agregados y su consecuente fisuración.
La ubicación incorrecta de las juntas de construcción; práctica que puede provocar la
abertura de las mismas en zona de tensión elevadas.
3.1.1.2.7 Cargas aplicadas externamente
Por último, la manera más común de generar fisuras sobre la superficie de un elemento de
concreto, estructural o no estructural, es sometiéndolo a esfuerzos de tracción, ya sea de manera
directa o indirecta, debido a la baja resistencia de este material a este tipo de solicitaciones.
De esta manera, a continuación se presenta de manera gráfica las curvas típicas de esfuerzo-
deformación tanto para el concreto como para el acero a compresión tomada de Nilson & Darwin
(1999):
8
Figura 1. Curvas Esfuerzo Vs. Deformación de acero y concreto.
De esta manera, se observa como la resistencia a compresión del concreto ( ) depende
directamente de la velocidad de aplicación de la carga, y como tiene una falla súbita a una
deformación unitaria cercana a 0.003, lo que se conoce como una falla frágil; por otro lado, aunque
no se observa en la gráfica presentada anteriormente, el acero, caso contrario al concreto, presenta
una relación Esfuerzo Vs. Deformación unitaria similar a una elasto-plástica, que le permite una
falla frágil al alcanzar grandes deformaciones luego de su punto de fluencia sin cambios en el
esfuerzo actuante.
3.1.2 Capacidad de auto reparación del concreto
Aunque existe una gran variedad de técnicas para reparar fisuras en elementos de concreto,
como la aplicación de epóxidos y la costura de estas con grapas de acero, se requiere un proceso
constante de revisión de una estructura para verificar el posible agrietamiento, lo que se traduce en
un aumento de costos en procesos de interventoría y mano de obra; razón por la cual, se ha sugerido
el estudio de técnicas que permitan una reparación autónoma por parte del concreto sin necesidad
de intervención alguna, para que así se cumplan los valores máximos de fisuras sugeridos por ACI
224 R, que son de 0.41 mm, 0.3 mm y 0.18 mm para ambientes de humedad baja, humedad alta y
con una gran salinidad, respectivamente.
De esta manera, se ha encontrado una serie de procesos que permiten la reparación autógena del
material para fisuras de hasta 0.05 mm (Stuckrath, Serpell, Valenzuela, & López, 2013). Estos
procesos son:
9
Segunda hidratación: proceso en el cual el cemento presente en el material que no entró
en contacto con el agua en el proceso de fabricación de la mezcla, es hidratado por un
aumento en la humedad interna del concreto.
Precipitación de carbonato de calcio: proceso mediante el cual el presente en la
atmósfera entra en contacto con el presente en el concreto, causando una
reacción química que se traduce en la formación de ( que puede llegar a sellar
las fisuras presentes en el concreto.
Hinchazón de la pasta de cemento.
Bloque por impurezas.
3.2 Bio Precipitación de Carbonato de Calcio
El carbonato de calcio ( , es un compuesto que se caracteriza principalmente por ser el
componente principal de conchas, esqueletos y cáscaras de huevo, y por su abundancia en todas las
partes del mundo debido a su presencia en una gran cantidad de rocas en forma de minerales como
la calcita y el mármol.
Sin embargo, su implementación no se restringe a la fabricación de materiales, sino que por el
contrario, se ha venido investigando la formación de este compuesto como producto de la actividad
bacteriana con el fin de utilizarlo para solucionar algunos problemas de ingeniería. De esta manera,
se están llevando a cabo una serie de investigaciones que han dado como resultado el mejoramiento
de las propiedades hidráulicas y mecánicas del suelo, la restauración de monumentos fabricados en
calcita, la biorremediación de aguas residuales y el refuerzo y reparación de las fisuras en
hormigón, entre otros (Morales, López González, Garzón, Giménez, & Romero, 2011).
En términos generales, se han encontrado procesos diversos, como la fotosíntesis, que permiten
un aumento local de pH por parte de algunos microorganismos, acto que permite la precipitación de
esta sustancia, principalmente en aguas marinas, aguas dulces y suelos; proceso que tiene como
factores preponderantes la concentración de y carbón inorgánico disuelto en el ambiente, y el
pH del medio (Flórez). Sin embargo, los mecanismos exactos de la precipitación microbiológica de
carbonatos permanecen sin resolver, aunque este proceso ha sido altamente estudiado tanto en
condiciones naturales como en laboratorio.
Finalmente, algunos otros autores, han descubierto que casi todas las bacterias son capaces de
precipitar carbonato de calcio, como consecuencia de procesos metabólicos como la hidrólisis de
úrea, la reducción de sulfatos y la fotosíntesis, afectando este proceso a partir de dos mecanismos
principales que incrementan el pH del medio y disuelven el contenido de carbón inorgánico: afectar
las condiciones químicas locales y portar una carga natural negativa que las convierte en sitios
ideales para la nucleación y la formación de este compuesto (Arrieta Rodríguez, 2011).
10
4. Estado del Arte
Como se ha podido evidenciar previamente, la presencia de fisuras en elementos de concreto es
un factor a tener en cuenta dentro de la construcción y el diseño de estructuras en hormigón debido
a la gran variedad de factores que influyen en su formación, de esta manera, a continuación se
presenta la revisión bibliográfica realizada para el desarrollo de este proyecto.
Cabe resaltar que esta revisión bibliográfica se centra en el estudio de la reparación de concreto
por medio de la bio precipitación de carbonato de calcio, y los ensayos de laboratorio que podrían
utilizarse con el objetivo de generar fisuras sobre la superficie de elementos de concreto, con el fin
de evaluar el efecto de este método de reparación sobre las propiedades mecánicas del material.
4.1 Auto-reparación de Concreto por Bio-precipitación de Carbonato de
Calcio.
Aunque el estudio de la precipitación de carbonato de calcio ha sido inherente al concreto,
actualmente se ha avanzado en lo referente a la reparación de fisuras en concreto utilizando
bacterias para la catalización de esta reacción mediante su actividad metabólica.
De esta manera, se ha creado un nuevo material denominado comúnmente como bio-concreto,
material que tiene la misma composición del concreto convencional, exceptuando por la presencia
de un agente de dos fases que permite la auto-reparación de fisuras superficiales presentes en este
material. Las dos fases de este material son las bacterias catalizadoras de la precipitación de
carbonato de calcio y un agente mineral rico en calcio que hace las veces de este compuesto para la
reacción química necesaria en este proceso (Mors & Jonkers, 2012).
De esta manera, se han estudiado principalmente dos metodologías para la aplicación del agente
de dos fases dentro del concreto; por un lado está el método denominado adición directa, en donde
los dos agentes son incluidos en el concreto desde su proceso inicial de mezclado sin protección
alguna, mientras que la segunda metodología es la encapsulación de los dos agentes mediante la
inmovilización de estos es diversos materiales como arcillas, perlas porosas de vidrio, geles de
sílice y poliuretano, entre otras, siendo la utilización de arcillas el método más práctico, en donde se
impregnan arcillas con los dos agentes con una relación de alrededor del 6% en cuanto al peso y un
tamaño que está entre 2 y 4 mm. Por otro lado, actualmente se encuentra estudiando la posibilidad
de agregar este agente a estructuras ya construidas a partir de morteros o mezclas líquidas a manera
de espray.
Ahora, en cuanto al agente bacteriano, se requieren microorganismos con una gran resistencia
debido al ambiente tan hostil existente dentro de las fisuras en elementos de concreto, con un pH
con valores incluso superiores a 13, lo cual indica un ambiente totalmente adverso si se tiene en
cuenta que la mayoría de microorganismos mueren al estar expuestos a valores mayores a 10
(Arnold, 2011). De esta manera, en las primeras investigaciones realizadas, se lograron aislar
algunos microorganismos en lagos salinos en Rusia y Egipto y en suelos ricos en carbonatos en
España, obteniendo bacterias endolíticas resistentes a ambientes altamente alcalinos. Por otro lado,
11
se ha logrado encontrar algunos tipos de bacterias que pueden formar esporas, permitiéndoles
permanecer en este estado hasta 200 años con una gran resistencia a solicitaciones mecánicas y
químicas, como las condiciones existentes en el proceso de mezclado del concreto, predominando el
uso de bacterias del género Bacillus.
Por otra parte, en cuanto al agente mineral soluble rico en calcio, este se ha utilizado como
fuente de alimento de las bacterias que se activan al entrar en contacto con agua, formando un
compuesto mineral no soluble a base de carbonato de calcio, como lo puede ser el caso de calcita
dependiendo del modo de cristalización del mismo. De esta manera, el mineral precipitado en la
superficie de las fisuras comenzará a sellarlas, en un proceso que se puede comparar con el proceso
ocurrido en el cuerpo humano cuando existe la fractura o la fisuración de un hueso. Algunos de los
compuestos utilizados frecuentemente en la investigación de este material han sido extracto de
levadura, peptona, lactato de calcio y acetato de calcio.
Aunque previamente se presentaron de manera breve los dos componentes del agente de dos
fases, a continuación se presenta el proceso químico que permite la precipitación de como
método para la reparación de fisuras en hormigón:
El primer proceso es el de precipitación de carbonato de calcio que es inherente al
concreto, en donde el entra en contacto con el presente en el concreto,
generando la siguiente reacción química:
El segundo proceso es el de la precipitación de utilizando la actividad
bacteriana como catalizador de la reacción en el momento en que la humedad aumente
al interior de la fisura y active su actividad metabólica. La reacción química presente en
este proceso se presenta a continuación utilizando lactato de calcio como ejemplo:
5 5
Cabe resaltar que al necesitar oxígeno para realizar esta reacción se consume una gran
cantidad de esta sustancia, que es de gran importancia en el proceso de corrosión de las
barras de refuerzo, generando un beneficio adicional en la conservación y protección
del concreto como tal (Jonkers, Bacteria-based self-healing concrete).
4.1.1 Ensayos y estudios realizados
Definido de manera general el bio-concreto, a continuación se presentan algunos casos de
estudio, ensayos realizados y resultados obtenidos sobre las propiedades de este material.
El primer estudio a revisar, fue desarrollado por Henk Jonkers y Erik Schlangen, quienes
utilizaron la bacteria Bacillus pseudofirmus aislada de un lago salino y obtenido de la Colección
Alemana de microorganismos y cultivos celulares (DSMZ)) para evaluar la variación en la
12
resistencia a compresión del concreto utilizando diferentes sustratos ricos en calcio (peptona, lactato
de calcio y glutamato de calcio).
De esta manera, se fabricaron cubos de mortero (de 4 x 4 x4 cm) con cemento tipo Portland y
una relación agua cemento de 0,4; adicionalmente, se agregó una cantidad de cada sustrato a
diferentes probetas de mortero en una proporción del 1% con respecto al peso, además de una
concentración de bacterias cercana a 5,8* , desde el proceso de mezclado de manera
directa. Estas probetas fueron falladas a compresión a los 7 y 28 días de curado y luego incubadas
en un medio básico con glutamato de sodio y extracto de levadura con el fin de examinar su
composición mineral a los 10 días de incubación.
Aunque todos los compuestos utilizados disminuyeron la resistencia a compresión con respecto
al control, el caso más crítico fue el de la peptona con una disminución del 50%, seguido por la
utilización de bacterias y glutamato de calcio, con un 25% de reducción los dos, y por último el
lactato de calcio, que no presentó una disminución significativa de esta propiedad (Jonkers &
Schlagen, 2009).
Además de esto, se presentó una mayor precipitación en los especímenes que contenían
bacterias, a diferencia de los especímenes de control, esto se evidenció claramente por la presencia
de placas en la superficie de las fisuras, como se puede observar en la Figura 2, tomada de este
estudio.
Figura 2. Vista al microscopio de las placas precipitadas. (Jonkers & Schlagen, 2009)
Un segundo estudio a tener en cuenta fue el realizado por Henk Jonkers y Virgine Wiktor,
en donde se preparó una mezcla de concreto con lactato de calcio y un agente bacteriano aislado en
el lago Wadi en Egipto compuesto en un 98,7% por Bacillus alkalinirilicus. En este caso, las
probetas a ensayar fueron prismas de forma rectangular con dimensiones de 16 x 4 x 4 cm con una
barra de Zinc de 4 mm de diámetro y 26 cm de longitud embebida a lo largo de todo el elemento
atravesando por el centro de la sección transversal, como se observa en la Figura 3.
13
En este caso, la manera en que se aplicaron los agentes de auto reparación fue por medio de una
suspensión de estos en arcillas expansivas con tamaño que ronda entre 1 y 4 mm.
De esta manera, se sometieron las probetas a un ensayo de tracción directa, aplicando carga en
las barras de Zinc que sobresalen a los extremos hasta obtener fisuras con un ancho entre 0.05 y 1
mm de espesor. Paso seguido, se sumergieron las probetas en agua con la superficie abierta a la
atmósfera y se monitorearon 5 fisuras constantemente con el fin de verificar el proceso de
reparación de estas con el pasar del tiempo (Wiktor & Jonkers, 2011).
Finalmente, los resultados obtenidos en este estudio concluyeron que la demanda de oxígeno
producto de la actividad microbiana, la cual se vio reflejada en la disminución de la concentración
de oxígeno de manera constante con el tiempo, en comparación al control que presentó una
concentración de oxígeno casi constante (Ver Figura 4 b.). Por otro lado, para un período de 100
días de incubación de las probetas, se obtuvo que para la probeta con el agente de dos fases se
podría reparar fisuras con anchos menores a un valor cercano a 0.5 mm, en contraste con las
probetas de control que mostraron un valor máximo de 0.18 mm para las fisuras reparadas por
procesos de calcificación (Ver Figura 4 a.).
Figura 4. Comparación de concentración de oxígeno y máximo espesor de fisura reparada. (Wiktor & Jonkers,
2011)
Un último caso de estudio, fue el planteamiento de una metodología para verificar la viabilidad
en la utilización de bio-concreto como solución a la presencia de fisuras en el canal de Cruzsacha
en Ecuador (Boelens, Goedhart, Jagers, & Oldenkamp, 2012).
Figura 3. Probetas ensayadas.
16 cm 5 cm
4 cm
5 cm
14
Esta metodología, basada en los estudios de Henk Jonkers, plantea la utilización de un agente
auto reparador de dos fases utilizando la técnica de encapsulación en arcillas, con la utilización de
15 kg de este agente por cada metro cúbico de concreto. En este caso, se plantea una prueba en
campo con la utilización de discos de concreto con un diámetro de 18 cm y un espesor de 2 cm
fabricando algunas de estas con el agente auto-reparante y otras con una mezcla convencional de
concreto a manera de control.
Dentro de la metodología planteada, los discos fabricados serán sometidos a compresión
diametral hasta la falla, y paso seguido se unirán con pegamento y se realizarán ensayos de
permeabilidad colocando los discos en el fondo de una cubeta hueca y se verterán 5 litros de agua
sobre este; de esta manera, se deberá medir la cantidad de agua que se filtra a través de las probetas
de concreto fabricadas, como se ilustra en la Figura 5, tomada de este mismo caso de estudio.
Figura 5. Ensayos de permeabilidad en discos de concreto. (Boelens, Goedhart, Jagers, & Oldenkamp, 2012)
Paso seguido, esta metodología plantea la instalación de las probetas, con y sin agente
reparador, en el fondo del canal con el fin de someterlas a un proceso de incubación bajo la
presencia constante de agua, lo que indica la activación de la actividad bacteriana como en los
demás casos estudiados. De esta manera, se sugiere retirar las probetas del fondo del canal pasadas
20 semanas de su colocación y realizar un segundo ensayo de permeabilidad para comparar el
cambio en esta propiedad entre los dos tipos de materiales utilizados.
Un caso de estudio diferente, en donde se utilizan vigas fisuradas al someterlas a flexión, es el
de (Stuckrath, Serpell, Valenzuela, & López, 2013) realizado en la Universidad Católica de Chile,
en donde se utilizó el mismo diseño de mezcla de mortero utilizado por Jonkers para la fabricación
de probetas prismáticas de 4 x 4 x 16 cm con refuerzo de acero a flexión y a cortante que fueron
curadas en calor por 21 días para simular 56 días de edad (calculado por el método de madurez de
Saul-Nurse) y luego sometidas a flexión hasta que la armadura de refuerzo longitudinal entró en
fluencia.
15
De esta manera, se revisó periódicamente el espesor de las fisuras generadas durante un total de
100 días mientras las probetas estaban sumergidas en agua potable, además, se realizó un análisis
termogravimétrico (TGA) y una calorimetría diferencial de barrido (DSC) con el fin de examinar la
presencia de carbonato de calcio dentro de cada probeta.
Siguiendo este procedimiento para tres diferentes agentes de reparación (lactato de calcio,
bacterias y un agente con la combinación de las dos), se obtuvo que el procedimiento más eficiente
fue el de la utilización de lactato de calcio, con un 90% de reparación promedio de fisuras, seguido
por el tratamiento únicamente con bacterias, con un porcentaje de reparación promedio del 75%,
mientras que el tratamiento con los dos agentes combinados mostraron una reparación total del 61%
en un período de estudio de 100 días. Sin embargo, las pruebas térmicas indicaron que el peak
endométrico para las muestras con un agente de reparación combinado fue mayor al de los otros
dos agentes, así que se puede concluir que el precipitado obtenido en estas es mucho más estable.
Un último estudio a analizar dentro de este proyecto de grado fue el desarrollado por (Van
Tittelboom, De Belie, De Muynck, & Verstraete, 2010), quienes estudiaron la acción de la bacteria
Bacillus sphaericus en la reparación de fisuras debido a su gran habilidad para la precipitación de
carbonato. De esta manera, fue utilizado concreto convencional para la fabricación de diferentes
probetas con dos tipos de fisuración, fisuras estandarizadas y fisuras reales.
En el caso de las denominadas fisuras estandarizadas, se construyeron prismas de 16x16x7 cm,
las cuales fue introducida, durante el estado fresco de la mezcla, una placa metálica de 0.3 mm de
espesor sobre la superficie a una profundidad de entre 1 y 2 mm con el fin de generar una beta
superficial simulando una fisura. Por otro lado, para las fisuras denominadas como naturales, fueron
testeados a tracción indirecta cilindros de concreto de 75 mm de altura y 80 mm de diámetro
obtenidos a maneras de núcleos de prismas con dimensiones de 15x15x60 cm; cabe resaltar que
estos cilindros fueron cubiertos con una resina epóxica de dos componentes con el fin de evitar una
total ruptura de las probetas.
Ahora, las probetas fisuradas fueron sometidas a tres diferentes tratamientos con el fin de
evaluar su acción al reparar las fisuras generadas, estos tratamientos fueron la utilización de resina
epóxica y un mortero de cemento, como tratamientos tradicionales, y la utilización de la bacteria
nombrada previamente inmovilizada en sílica gel inoculada en 7 diferentes medios bacteriológicos
para incentivar su crecimiento. La Figura 6 presenta una breve descripción de los tratamientos
utilizados, haciendo énfasis en los 8 medios utilizados para el tratamiento no tradicional
implementado(bio precipitación).
16
Figura 6. Resumen de tratamientos aplicados. (Van Tittelboom, De Belie, De Muynck, & Verstraete, 2010)
Ahora, luego de realizados los diferentes tratamientos, se realizaron pruebas visuales,
termogravimétricas, ultrasónicas y de permeabilidad sobre las diferentes probetas, que permitieron
obtener los siguientes resultados:
Pruebas de permeabilidad: aunque, como era de esperarse, en general los diferentes
tratamientos permitieron disminuir considerablemente la permeabilidad de los
elementos de concreto de estudio, el tratamiento con bacterias no inmovilizadas en
sílica gel mostraron un incremento en esta capacidad, lo que indica la necesidad de
proteger estos microorganismos contra el ph alto del concreto con esta sustancia.
Pruebas ultrasónicas: en este caso, se verifico el cambio en el tiempo de transmisión de
las ondas para fisuras de 100 y 200 mm antes y después de los diferentes tratamientos,
obteniendo los mejores resultados para las de 100 mm, en donde la mayor reducción en
esta variable se presentó al utilizar epóxico y bacterias inmovilizadas en sílica gel con
CaCl2 (véase Figura 7), mientras que en fisuras con una profundidad de 200 mm, el
epóxico fue el de mejores resultados, con una gran diferencia con respecto a las demás.
Cabe resaltar también la pérdida en la eficiencia con el tratamiento Grout (Mortero de
cemento) debido a su aplicación superficial, en comparación a todos los demás
tratamientos.
Figura 7. Resultados de pruebas de ultrasonidos para fisuras con profundidad de 100 mm(A) y 200 mm (B). (Van
Tittelboom, De Belie, De Muynck, & Verstraete, 2010)
17
Pruebas térmicas (TGA): en cuanto a estas pruebas, el resultado más concreto obtenido
fue en cuanto a la diferencia en el porcentaje de peso en cuanto a los tratamientos con
bacterias activadas y sin activar (autoclaved), en donde se encontró una gran pérdida de
peso para las activadas en un rango de temperatura entre 500 y 700 °C, lo cual es una
evidencia objetiva de la presencia de carbonato de calcio, compuesto que generalmente
se degradan en este mismo rango de temperaturas. (véase Figura 8).
Figura 8. Resultados de TGA. (Van Tittelboom, De Belie, De Muynck, & Verstraete, 2010)
Ahora bien, aunque anteriormente se han descrito algunos casos de estudio con sus respectivos
ensayos mecánicos y de identificación de carbonato de calcio, uno de los ejes centrales para la
utilización de bio precipitación de carbonato de calcio es la cepa o bacteria a utilizar que permita
este proceso; de esta manera, algunas otras cepas han sido identificadas y estudiadas para este
propósito, como lo son el Bacillus Cohnii (Jonkers, Thijssen, Copuroglu, & Schlangen, 2008) , el
Bacillus pasteurii (Santhosh, Remachandran, Ramakrishnan, & Bang, 2001) (Day, Ramakrishnan,
& Bang, 2003) (Ramakrishnan, R.K. Panchalan, & Bang, 2005), el Bacillus lentus y el Bacillus
spaericus (Dick, y otros, 2006).
Además de lo anterior, como se ha descrito previamente, al aplicar un tratamiento con bacterias
a elementos de concreto se sugiere inmovilizarlas en algún material con el fin de protegerlas de un
medio extremadamente básico, en donde se encuentra en la literatura el estudio de la utilización
exitosa de algunos materiales como geles de sílica y poliuretano (Wang, Tittelboom, De Belie, &
Verstraete, 2012), microcápsulas producto de poli condensaciones con base en melanina (Wang,
Soens, Verstraete, & De Belie, 2014), elementos de vidrio (Wang, Van Tittelboom, De Belie, &
Verstraete, 2010) y tierra de diatomáceas (Wang, De Belie, & Verstraete, Diatomaceous earth as a
protective vehicle for bacteria applied for self-healing concrete), entre otros.
Finalmente, y para concluir este módulo de casos de estudios, se puede observar como la
capacidad de auto reparación del bio-concreto tiene una relación directa con la cantidad de sustrato
utilizado como fuente de calcio y del tipo de sustrato utilizado. Por otro lado, aunque algunos
autores han demostrado que la presencia de los agentes auto reparadores puede causar una
reducción significativa en algunas propiedades mecánicas del material, trae ventajas significativas
en cuanto al ahorro económico a lo largo de la vida útil de la estructura debido a que dentro del
18
concreto se ha estimado que la duración de algunas bacterias en forma de esporas dentro del
hormigón puede llegar a los 50 años, tiempo en el cual se esperaría una disminución en los costos
derivados de la interventoría y la reparación de daños superficiales e internos del concreto como tal
y de las barras de acero de refuerzo en su interior (Sierra).
4.2 Ensayos para la Fisuración del Concreto
Algunos estudios referentes a las propiedades químicas y físicas de materiales derivados del
concreto, como los presentados previamente, presentan una gran variedad de ensayos de laboratorio
y pruebas en campo con el fin de complementar un estudio fundamentado teóricamente. De esta
manera, a continuación se presentan de manera breve algunos ensayos de laboratorio,
estandarizados y no estandarizados, que podrían utilizarse para generar fisuras en elementos de
concreto en pro del correcto desarrollo del presente proyecto.
De esta manera, a continuación se presentan algunos ensayos divididos en dos grandes grupos:
ensayos a tracción directa y ensayos a tracción indirecta.
4.2.1 Ensayos a tracción indirecta
En el caso de los ensayos a tracción en concreto, es común realizar ensayos para la
determinación de la resistencia a tracción, sin embargo, debido a la naturaleza frágil de falla de este
material, es necesario estimar esta propiedad mecánica mediante el uso de ensayos que provocan
esfuerzos de tracción de una manera indirecta.
De esta manera, se han determinado y estandarizado algunos ensayos a tracción indirecta por
algunas entidades y asociaciones como la American Society for Testing Materials (ASTM) y la
ASCE (American Society of Civil Engineers), en donde resaltan los ensayos de elementos a flexión
y el ensayo de compresión diametral, más conocido como ensayo brasilero, que serán descritos a
continuación.
3.2.1.1. Ensayos de elementos a flexión.
De los ensayos estandarizados más recurrentes para determinar la resistencia a tracción del
concreto se encuentran los ensayos a flexión, que a manera de resumen, implican la aplicación de
cargas a una viga de concreto sin refuerzo con sección transversal rectangular simplemente apoyada
con el objetivo de generar esfuerzos axiales de tracción en la fibra inferior de la sección hasta la
falla.
De estos ensayos sobresalen dos principales estandarizados por la ASTM, por un lado se
encuentra el ensayo con una viga simple cargada a los tercios y el ensayo con una viga simple
cargada en el punto medio en dirección gravitacional.
19
Para comenzar, el ensayo con una viga simple con cargas a los tercios, reflejado en la
Figura 9, en donde se puede observar la aplicación de una carga P que por la configuración
geométrica permite la acción de un momento puro en el tercio de luz interior.
De esta manera, para la carga P de falla, según la ASTM C 78, el módulo de rotura del
concreto se puede calcular como:
Ecuación 1. Módulo de rotura flexión a los tercios.
En donde:
R= módulo de rotura del concreto (MPa).
P = máxima carga aplicada (N).
L =longitud de la luz libre (m).
b= ancho medio de la probeta (mm).
d = espesor promedio de la probeta (mm).
Ahora, en el caso de los ensayos a flexión con una viga simple cargada en el punto medio de la
luz libre, este ensayo está estandarizado por la ASTM C293, y se puede observar en la Figura 10.
Figura 9. Esquema de ensayo a flexión con cargas a los tercios.
𝐿
3
𝐿
3
𝐿
3
𝐿
𝐿
3
𝑃
2
𝑃
2
20
Figura 10. Esquema de ensayo a flexión cargada en la mitad de la luz.
De esta manera, la probeta de sección rectangular a ensayar es sometida a una carga P hasta
presentar una falla por tracción en la fibra inferior de la probeta, de esta manera, para esta
configuración, el módulo de rotura de la viga se puede calcular como:
3
2
Ecuación 2. Módulo de rotura flexión carga en punto medio.
En donde:
R= módulo de rotura del concreto (MPa).
P = máxima carga aplicada hasta la falla (N).
L =longitud de la luz libre (m).
b= ancho medio de la probeta (mm).
d = espesor promedio de la probeta (mm).
𝐿
2
𝐿
2
𝐿
𝐿
3
𝑃
21
3.2.1.2. Ensayos de compresión diametral.
Un método adicional para el estudio de la resistencia a tracción del concreto es el ensayo de
compresión diametral, también conocido como ensayo brasilero, que consiste en la aplicación de
una carga vertical de manera radial en dirección al eje de la sección transversal de un cilindro de
concreto.
Este ensayo se ilustra de una manera mucho más gráfica en la Figura 11, en donde se observa el
modo de falla en dirección perpendicular a la carga aplicada.
Figura 11. Fotografías tomadas de ensayo brasilero en el laboratorio de estructuras de la Universidad de los Andes.
Para la correcta aplicación de este método, usualmente se toma la estandarización realizada en
la ASTM C 496, que sugieren realizar la determinación de la resistencia a tracción del concreto
utilizando este método, calculándola como:
2
Ecuación 3. Resistencia a tracción de concreto en ensayo a tracción indirecta.
En donde:
T= Resistencia a tracción del concreto (MPa).
P = máxima carga aplicada hasta la falla (N).
l =longitud del cilindro (mm).
d = diámetro de la probeta (mm).
Cabe resaltar que esta relación entre el esfuerzo a tensión resistente y la carga última aplicada
fue desarrollada por Thomas W Kennedy y W. Ronald Hudson, y se resume en la Figura 12 tomada
22
de Herrera Santos (2013), en donde se puede observar la distribución de esfuerzos verticales en el
esquema de la derecha y la distribución horizontal de esfuerzos en el esquema de la izquierda, en
donde se puede observar un esfuerzo máximo a tracción de
, que corresponde al cálculo
correspondiente al ensayo estandarizado por la ASTM.
Figura 12. Distribución de esfuerzos en la sección transversal de un cilindro durante un ensayo brasilero. (Herrera
Santos, 2013)
Descritos los dos tipos de ensayos típicos a tracción indirecta del concreto, cabe resaltar que
tienen una gran variación entre sí; de esta manera, se ha determinado que aunque los dos ensayos
descritos previamente sobreestiman la resistencia a tracción con respecto a los resultados típicos
obtenidos en ensayos a tracción directa, es el ensayo a flexión o de determinación de módulo de
rotura el que tiende a subestimar más esta propiedad mecánica del concreto, con valores de hasta el
159% en comparación a la resistencia a tracción directa para concretos de más de 62 MPa (224,
1997).
4.2.2 Ensayos a tracción directa
Un caso diferente al de los ensayos a tracción indirecta es el de los ensayos a tracción directa
debido a la dificultad de realizarlos por el modo de falla frágil del concreto; sin embargo, estos
ensayos han sido de gran utilidad tanto para el estudio de la resistencia a tracción del concreto como
para el estudio de la fisuración en este material.
23
De esta manera, a continuación se presenta un breve resumen de algunos ensayos formulados
para el estudio de los dos factores mencionados previamente.
4.2.2.1 Ensayos a tracción directa para la determinación de la resistencia del
concreto.
Aunque la realización de éstos suele ser muy complicada por la heterogeneidad del
material, se suele realizar una serie de ensayos basados en algunos estandarizados para otros
materiales, como lo es el caso del ensayo regido bajo la ASTM D2936. Esta propone un ensayo
a tracción directa para probetas cilíndricas extraídas de rocas, a las cuales se añaden una serie
de mordazas en los extremos con epoxi, a partir de las cuales se ejerce una carga de tensión
directa a la probeta para determinar su material. Este ensayo se ilustra de una mejor manera en
la Figura 13.
4.2.2.2 Ensayos a tracción directa para el estudio de fisuras en concreto.
Además de ser la manera más indicada de hallar la resistencia a tracción de una mezcla de
concreto a estudiar, los ensayos a tracción directa de este material han sido de gran utilidad para el
estudio de la morfología de las fisuras que se forman en la superficie de este material bajo
solicitaciones de este estilo.
De esta manera, algunos de los primeros ensayos registrados que permitieron estudiar la
morfología de las fisuras en elementos de concreto tuvo como finalidad el estudio del cambio en las
propiedades del concreto reforzado bajo la presencia de agentes corrosivos para el acero de
refuerzo, como lo son los cloruros (Amleh, 1996).
Con el fin de verificar la acción de los agentes corrosivos, se fabrican alrededor de 12 cilindros
de concreto de 30.5 MPa con un diámetro de 100 mm y un largo de 1000 mm, además de esto, las
probetas fabricadas deben tener una barra de acero 20 M corrugado de refuerzo a lo largo del eje
Figura 13. Esquematización de ensayo
D2936.
P
P
24
longitudinal de la sección transversal que sobresale 15 cm a cada extremo de los cilindros, como se
ilustra mejor en la Figura 14.
De esta manera, para diferentes estados de corrosión se realizan ensayos a tracción directa
aplicando carga en los extremos sobresalientes de la varilla de refuerzo con el fin de verificar la
degradación en la adherencia entre el concreto y ésta, debido a que este factor es el que permite la
transmisión de cargas entre los dos materiales para diferentes tipos de solicitaciones gracias a su
superficie rugosa.
Finalmente, con el fin de comparar los resultados obtenidos para los diferentes niveles de
corrosión obtenidos, se compararon principalmente los valores de ancho promedio de fisuras y el
porcentaje de pérdida de peso de cada probeta corroída en comparación a su peso antes de
someterse al proceso de corrosión aplicado, esto con el objetivo de evaluar de manera cuantitativa
los cambios ocurridos en los dos materiales a lo largo del estudio.
Por otro lado, un estudio fundamental para el análisis de fisuras en elementos de concreto
sometidos a esfuerzos de tracción directa fue el realizado por Broms (Broms, 1965), en donde se
sometieron a tracción directa de manera similar que la presentada en la Figura 14, pero utilizando
una serie de probetas con una longitud situada entre 6 y 11 pulgadas con diferentes secciones
transversales y número de varillas de acero de refuerzo.
De esta manera, se estudian las fisuras presentes para diferentes niveles de carga aplicando
resina en las mismas y dejándola secar por 30 horas, para luego estudiarlas en profundidad con
cortes realizados con sierras diamantadas.
A manera de resumen, los resultados obtenidos en este estudio reflejan que tanto el ancho
como el espaciamiento de las fisuras presentadas son directamente proporcionales al recubrimiento
de las barras de acero de refuerzo y su deformación unitaria promedio. De esta manera, realizando
una serie de regresiones lineales, se logran deducir las ecuaciones empíricas aproximadas para el
espesor máximo y el espesor promedio de las fisuras presentadas para elementos de concreto
reforzado sometidos a tracción directa.
Figura 14. Probetas utilizadas para análisis de corrosión. (Amleh, 1996)
1000 mm 150 mm
100 mm
150 mm
25
Así, las ecuaciones empíricas halladas se presentan a continuación:
Espesor máximo promedio de las fisuras o .
Este espesor se puede calcular, según este estudio, con la siguiente expresión:
4
Ecuación 4. Espesor máxima promedio de fisuras.
En donde:
= recubrimiento del refuerzo.
deformación unitaria promedio en el acero de refuerzo.
Espesor promedio de las fisuras o .
Este espesor se puede calcular, según este estudio, con la siguiente expresión:
2
Ecuación 5. Espesor promedio de fisuras.
En donde:
= recubrimiento del refuerzo.
deformación unitaria promedio en el acero de refuerzo.
Cabe resaltar que para el desarrollo del presente proyecto de investigación, se profundizará
únicamente en los ensayos que utilizan probetas cilíndricas similares a la de la Figura 14 que
presentan una única barra de refuerzo longitudinal, en cuyo caso, el valor de se puede tomar
como el radio completo del cilindro, aunque Broms (1965) desarrolló algunas relaciones de
equivalencia cuando la configuración es diferente basándose en relaciones geométricas.
Ahora, se han presentado relaciones para el ancho máximo y el ancho promedio de fisuras
en elementos de concreto reforzado a tracción directa, sin embargo una de las únicas relaciones
halladas para el espesor mínimo de éstas fue determinada en el estudio Spacing of Cracks in
Reinforced Concrete (Bazant, ASCE, & Oh, Spacing of Cracks in Reinforced Concrete, 1983)
asumiendo que para un elemento cilíndrico con una barra de refuerzo embebida longitudinalmente
sobre el eje neutro de la sección transversal la transferencia de fuerza cortante entre el refuerzo y el
concreto a su alrededor es constante a lo largo de toda la longitud del mismo, la teoría de fractura
lineal o elástica no se puede utilizar (debido a que está desarrollada para elementos con una longitud
de hasta cien veces el tamaño máximo nominal del agregado, que corresponde a la longitud de
desarrollo para este material), el concreto a utilizar es homogéneo e isotrópico.
Por otro lado, si se desprecia la acción de concreto bajo esfuerzos de tracción, el
espaciamiento promedio entre fisuras se puede calcular como dos veces el recubrimiento del
refuerzo.
De esta manera, basado en la conservación de energía, el espaciamiento mínimo de las
fisuras en el elemento según este estudio se puede calcular como:
26
(
⁄ )
⁄
Ecuación 6. Espesor mínimo de fisuras.
En donde:
k: pendiente de las líneas de esfuerzo asumiendo una distribución de esfuerzos con una
forma triangular en la zona adyacente a la formación de las fisuras que toma un valor
muy cercano a 0.7. Esta distribución de esfuerzos se ilustra de manera más gráfica en la
Figura 15.
Figura 15. Distribución de esfuerzos triangular en la zona de formación de una fisura.
(Bazant, ASCE, & Oh, 1983)
= energía de fractura.
Para el concreto, se ha estimado que puede calcularse como (Bazant, ASCE, & Oh,
1983):
2 2 2 4
Ecuación 7. Energía de fractura.
En donde:
= energía de fractura
.
resistencia a tracción del concreto (psi).
= máximo tamaño del agregado (in).
= módulo de elasticidad del concreto (psi).
= área transversal de la sección transversal del cilindro incluyendo el área de concreto
y el área de la barra.
n = 4.
27
= módulo de elasticidad del concreto.
=
En donde b es el radio de la probeta.
= deformación unitaria promedio en el acero.
De esta manera, si se desprecia la resistencia a tracción del concreto, el espesor mínimo de
las fisuras formadas se puede calcular como el producto entre y .
28
5. Metodología.
Descrito el propósito del presente proyecto y algunos estudios previos realizados para el estudio
y el desarrollo de concreto auto-reparable por bio-precipitación de carbonato de calcio, esta sección
plantea y describe la metodología a implementarse para el estudio de este material a partir de la
utilización de microorganismos aislados en la ciudad de Bogotá, como una variable para la
utilización de bacterias aisladas en lugares remotos como los descritos previamente.
De esta manera, se plantea un proceso experimental de 4 fases como se describe en la Figura 16
a manera de diagrama.
Siguiendo este orden de ideas, a continuación se presenta una descripción detallada de cada una
de las 4 fases del procedimiento experimental planteado.
5.1 Aislamiento de bacterias.
Con el fin de obtener algún tipo de bacterias que pueda servir para reparar fisuras en concreto,
fue necesario un proceso de aislamiento que se puede dividir en 5 fases principales que van desde la
toma de muestras de un sustrato altamente alcalino hasta una ligera distinción del tipo de bacteria
obtenida por medio de una tinción de Gram. Este proceso, que se explicará detalladamente a
continuación se resume a manera de diagrama en la Figura 13.
Aislamiento de Bacterias
Construcción y fisuración de probetas de concreto
Inoculación de bacterias en las probetas fisuradas
Verificación de los cambios en las probetas fisuradas
Figura 16. Metodología general planteada.
29
5.1.1 Toma de muestras.
Debido a las condiciones adversas a las que se encontrarán las bacterias que hacen parte del
agente reparador del bio-concreto por su alta alcalinidad con valores de pH entre 9 y 13, para su
aislamiento fue necesario definir un sustrato natural con condiciones similares con el fin de estudiar
la disponibilidad de estas.
De esta manera, se evaluaron algunas posibilidades de sustratos indicados para la toma de
muestras requerida, como por ejemplo el suelo adyacente a una planta de producción de cemento, la
cuenca alta del río Bogotá, cenizas de carbón, entre otras; aunque por su asequibilidad se escogió la
toma de cenizas de carbón como una primera posibilidad ya que son alcalinas con un pH que puede
llegar a ser superior a 10 según la clasificación realizada por la ASTM para cenizas volantes
(Caballero & Médico, 2013).
Estas cenizas se tomaron de la parrilla del Restaurante Puerto Arepa ubicado en la ciudad de
Bogotá sobre la Carrera 1 entre las Calles 21 y 22.
5.1.2 Dilución de muestras.
Obtenidas las muestras, para poder realizar una siembra adecuada de las bacterias presentes en
las cenizas tomadas a manera de muestras, estas fueron diluidas en tubos falcon con capacidad de
10 ml a diferentes concentraciones con el fin de que, en el caso de presentar microorganismos, las
colonias que crezcan luego del proceso de sembrado no se confundan con sedimentos o sólidos
presentes en la muestra.
Toma de muestras
Dilución de muestras
Siembra en medio sólido
Evaluación de resistencia a pH
Tinción de Gram
Figura 17. Procedimiento para el aislamiento de bacterias.
30
Así, para realizar un correcto proceso de dilución, en un tubo falcon se colocó 1 ml de
cenizas y se vertió agua destilada hasta completar un volumen de 10 ml (ver Figura 18 a.); paso
seguido, el mismo tubo se colocó sobre un vortex (ver Figura 18 b.) el tiempo necesario hasta
conseguir una mezcla homogénea (ver Figura 18 c.). Por último, para realizar una nueva dilución,
con ayuda de una micropipeta se tomó un volumen de 1 ml de la mezcla obtenida anteriormente, se
colocó en un nuevo tubo falcon y este se llenó hasta un volumen de 10 ml con agua destilada.
a.)
b.)
c.)
Figura 18. Dilución de muestras.a) preparación de muestra incicial. c)agitación en vortex. c) mezcla homogénea.
5.1.3 Siembra en medio sólido.
Ahora, con las diluciones realizadas, es necesario fabricar cultivos microbiológicos con éstas en
medios que provean los nutrientes necesarios para el crecimiento de las bacterias buscadas para el
desarrollo del presente proyecto. De esta manera, para un primer proceso de siembra, se decidió
utilizar medio LB (Luria Bertani) en estado sólido en cajas de Petri. Cabe resaltar que este medio se
compone de 1 gramo de NaCl, 1 gramo de triptona, 0.5 gramos de extracto de levadura y 3 gramos
de agar bacteriológico por cada 100 ml.
Ahora, con los medios producidos, se procede a realizar la inoculación en estos a partir del
siguiente procedimiento:
1. Toma de 100 micro litros de la dilución elegida (ver Figura 19 a.).
2. Vertimiento de los 100 mililitros tomados sobre el medio sólido dentro de una caja de
Petri (ver Figura 19 b.).
3. Esparcimiento de la muestra vertida en el medio sólido con ayuda de un rastrillo de
vidrio esterilizado en el autoclave (ver Figura 19 c.).
31
a.)
b.)
c.)
Figura 19. Inoculación de medios. a) toma de muestra con micro pipeta. b) aplicación en medio sólido. C)
distribución con rastrillo.
Cabe resaltar que para evitar la contaminación de la muestra, este procedimiento se debe hacer
dentro de la cabina de flujo laminar con un mechero encendido luego de haber sido expuesta por 15
minutos a rayos UV.
Luego de este proceso, cada caja de Petri fue correctamente sellada con un para film y se
incubó a 30°C con un monitoreo diario hasta obtener algún crecimiento microbiológico. Cabe
resaltar que este procedimiento debió repetirse para cada concentración hasta obtener algún
resultado.
5.1.4 Evaluación de resistencia a pH.
Luego de obtener resultados durante el proceso de siembra, fue necesario verificar la resistencia
a valores altos de pH de los microorganismos aislados en el proceso de sembrado. Para realizar esta
verificación, se prepararon medios sólidos de LB ajustando el pH a valores de 8, 9, 10, 11 y 12 con
ayuda de una solución de Hidróxido de calcio .
El ajuste de pH para los valores mencionados previamente se realizó por medio de una
titulación con diluido en agua destilada con una concentración de 1 molar y se verificó el
pH con ayuda de un pH-metro electrónico.
Por último, se realizó un proceso de siembra de los microorganismos aislados previamente en
los nuevos medios fabricados con ayuda de un aza y un mechero. Este proceso se realizó en tres
fases: la esterilización del aza con un mechero (ver Figura 20 a), la toma de los microorganismos
del medio inicial con ayuda del aza (ver Figura 20 b) y la siembra o el pase con el aza sobre el
medio sólido o líquido objetivo (ver Figura 20 c). De igual forma que en el proceso de sembrado,
las nuevas cajas de Petri serán incubadas a 30° y serán monitoreadas constantemente, de esta
32
manera, los cultivos que germinen en los nuevos medios serán colocados en una nevera con el fin
de bajar su tasa metabólica y conservarlos.
a)
b)
c)
Figura 20. Proceso de siembra y traspaso de microorganismos. (www.sumanasinc.com). a) esterilización del aza. b)
toma de colonias. c) pase o siembra.
De esta manera, luego de este proceso de siembra, se verificó el ph máximo al cual crecen las
bacterias aisladas previamente entre los seleccionados.
5.1.5 Tinción de Gram.
Por último, dentro del proceso de aislamiento, se fabricaron cultivos en medio LB líquido con
pH 9 y 10, inoculando las bacterias previamente aisladas y seleccionadas; de esta manera se
hicieron tinciones de Gram con el fin de verificar tanto el tipo de la bacteria aislada como la
presencia de cristales de carbonato de calcio. Es importante destacar que se plantea la posible
formación de cristales de carbonato de calcio como la acción de los microorganismos sembrados en
medio líquido en un medio rico en calcio gracias a la titulación realizada con hidróxido de calcio
para obtener el pH requerido.
De esta manera, el procedimiento a seguir para la realización de una tinción de Gram se
presenta a continuación a manera de imágenes, en donde además se puede observar el resultado
esperado tanto para organismos Gram positivos como para Gram negativos (Quintero Martínez,
2011).
33
Figura 21. Procedimiento a seguir para la tinción de Gram. (Quintero Martínez, 2011)
34
5.2 Construcción y fisuración de probetas de concreto
Terminado el proceso de aislamiento de bacterias, se siguió con el proceso de diseño,
construcción y fisuración de las probetas en concreto a estudiar; la descripción de estas tres fases se
presenta a continuación.
5.2.1 Diseño de probetas de concreto.
Con el fin de estudiar la reparación de fisuras en elementos de concreto por bio-precipitación de
carbonato de calcio, a continuación se presenta el resumen de las probetas diseñadas para ser
sometidas a solicitaciones de tracción o tensión directa con el fin de generar fisuras en su superficie.
De esta manera, para comenzar, como materiales para las probetas se utilizará concreto con f´c
de 28 MPa y barras de acero de refuerzo corrugadas #4 de 420 MPa. Siguiendo este orden de ideas,
con estos materiales se plantea el uso de cilindros de concreto con un diámetro de 7.5 cm o 3
pulgadas y una longitud total de 60 cm; además de esto, estas probetas diseñadas cuentan con una
barra de acero de refuerzo de 1 metro de longitud embebida a lo largo de toda la longitud del
cilindro, con un tramo de 20 cm de longitud sobresaliendo a cada lado del cilindro de concreto (ver
), similares a los elementos utilizados por Amleh (1996).
De manera resumida, las dimensiones de las probetas a evaluar se eligieron por las siguientes
razones:
El diámetro de 3 pulgadas corresponde al diámetro mínimo para ensayos a tracción
indirecta, o ensayo brasilero, para el concreto utilizado en el laboratorio de la
Universidad de los Andes que tiene agregados con un tamaño máximo nominal de 1
pulgada.
La longitud de 60 cm del cilindro de concreto se eligió debido a que según la NSR-
10, la longitud necesaria para que una barra de refuerzo corrugada #4 transmita por
completo solicitaciones de tracción a elementos de hormigón se puede calcular
como 44 veces el diámetro nominal de la barra, lo que significa una longitud de
aproximadamente 56 cm. Además, se aproximó a 60 cm con el fin de poder
obtener de cada probeta un número exacto de 4 cilindros de 7.5 cm de diámetro y
15 cm de longitud, las cuales son las dimensiones mínimas permitidas por la ASTM
para ensayos brasileros en el tipo de concreto a utilizar.
35
Figura 22. Probetas de concreto construidas.
5.2.2 Construcción de probetas de concreto.
Diseñadas las probetas de concreto, la construcción de cada una se realizó fabricando una
probeta con una sección de tubería de PVC de 3 pulgadas con una abertura longitudinal y 60 cm de
longitud, dos tapones para tubería de PVC de 3 pulgadas con un orificio de 2⁄ pulgada de diámetro
en el centro geométrico de su sección circular y dos abrazaderas de tubería de 3 a 3 2⁄ de pulgada.
De esta manera, el tramo de 60 cm de tubería fue sellado por un extremo con uno de los dos
tapones y se colocaron las dos amarras repartidas de manera homogénea a lo largo de la tubería;
como paso siguiente se atravesó la barra de 1 metro de longitud atravesando por el orificio del tapón
puesto y asegurando una longitud de 20 cm libre a cada lado de la formaleta. Por último, se vertió el
concreto y se selló el otro extremo de la tubería con el segundo tapón (ver ¡Error! No se encuentra
l origen de la referencia.). Cabe resaltar que para la fabricación de las probetas, debido a sus
dimensiones fue imposible realizar la compactación de concreto en tres capas con ayuda de una
varilla de 600 mm de longitud y 16 mm de diámetro, como lo sugiere la ASTM C31, así que su
compactación se realizó dividida en 3 capas pero con golpes a la formaleta de manera homogénea
con un mazo de caucho hasta que se vea claramente el afloramiento de agua hacia la superficie del
concreto.
Finalmente, el concreto dentro de la formaleta se dejó reposar durante tres días, período de
tiempo en que se desencofró la probeta para iniciar un proceso de curado de 28 días con el fin de
obtener la resistencia óptima del concreto utilizado.
36
Figura 23. Formaleta recién fundida.
5.2.3 Fisuración de probetas de concreto.
Por último, pasado el proceso de curado, se sometió cada probeta a estudiar a una carga de
tracción vertical con una MTS situada en el laboratorio de estructuras de la Universidad de los
Andes realizando ensayos mediante el control de la deformación. De esta manera, para cada
elemento de concreto a fallar, esta se someterá a una deformación axial hasta conseguir una
deformación unitaria tal que al remover la carga del sistema, la deformación unitaria residual en el
acero sea la correspondiente a la necesaria para obtener fisuras con un ancho promedio de 0.5 mm.
El cálculo de esta deformación unitaria necesaria se ilustrará después en la sección de resultados.
37
Figura 24. Montaje experimental para ensayos a tracción directa.
Por otro lado, es importante resaltar que la velocidad escogida para este ensayo fue de 1
5.2.4 Corte de cilindros.
Por último, fisuradas las probetas iniciales de concreto bajo la acción de solicitaciones a manera
de cargas a tracción directa, se cortaron cilindros de 15 cm de longitud 7.5 cm de diámetro con
ayuda de una sierra diamantada, de tal manera que los cilindros obtenidos se clasificarán en dos
tipos, por un lado, los cilindros tipo I, serán aquellos que no presenten fisuras con un espesor
superior a 0.5 mm, mientras que los cilindros tipo II serán aquellos que presenten fisuras con un
ancho o espesor superior a 0.5 mm.
5.3 Inoculación de bacterias en las probetas de concreto.
Con los cilindros de concreto fisurado de 15 cm de largo cortados con la sierra diamantada,
ahora se plantea la metodología a utilizar para inocular las bacterias aisladas durante el desarrollo
del proyecto para verificar si es posible la reparación de las fisuras presentes por bio-precipitación
de carbonato de calcio.
De esta manera, para comenzar, se planteó la observación de cilindros fisurados bajo la
intervención de tres tipos de sustancias; por un lado, se seleccionarán 3 cilindros de cada tipo que
serán sumergidos por completo en agua, otros tres de cada tipo serán sumergidos en LB líquido con
un pH de 9 obtenido por una titulación con hidróxido de calcio y por último, se sumergirán otras 3
probetas de cada uno de los dos tipos en medio LB líquido bajo la acción de las bacterias aisladas
previamente.
En el caso de los cilindros fisurados sometidos a la acción del agua, este se toma como un
control, y cada uno se sumerge en este líquido en un recipiente sin ninguna precaución.
Ahora, para los cilindros sumergidos en LB con y sin bacterias, se construye un recipiente
especial que consta en un tubo de PVC de 4 pulgadas de diámetro y 20 cm de longitud sellado por
completo por un extremo con un tapón de tuberías. Además de esto, cada uno de los recipientes
debe ser limpiado por completo con cloro con el fin de evitar la contaminación del medio LB que
contendrá por su alto contenido de nutrientes.
Por otro lado, para los cilindros a sumergir en medio LB, como precaución, estos fueron
esterilizados cubriéndolos con papel aluminio y colocándolos en un horno a 110° por un tiempo
total de 4 días; paso seguido, en la cabina de flujo laminar, cada cilindro fue colocado en uno de los
recipientes construidos en PVC y se agregó medio LB con un pH 9 hasta sumergir cada cilindro de
manera que una lámina de LB de un espesor entre 1 y 2 cm permanezca por encima del cilindro. Por
último, el extremo de los recipientes que no fue sellado se cubre con algodón y papel aluminio con
38
el fin de evitar una posible contaminación del medio pero a su vez permitir el intercambio de gases
con la atmósfera.
Figura 25. Recipientes que albergan cilindros de concreto fisurado en LB.
Finalmente, para las probetas a sumergir en medio LB líquido bajo la acción de las bacterias
aisladas previamente, el proceso fue similar para las sumergidas únicamente en LB, sin embargo,
antes de sellar el recipiente de PVC con algodón y papel aluminio, se agregan 15 ml de un cultivo
bacteriano sembrado en LB con pH 9 que se deja incubando por un tiempo de 5 días con una perla
de agitación.
5.4 Verificación de los cambios en las probetas fisuradas.
Como última fase en el presente proyecto de investigación, se realiza la verificación de los
cambios en los cilindros de 15 cm de longitud y 7.5 cm de diámetro con la presencia de fisuras en la
superficie. De esta manera, esta verificación se realiza en dos fases, la verificación visual de los
cambios en las fisuras y el cambio de la resistencia mecánica de los cilindros a tracción indirecta.
En el caso de la verificación visual, esta se realiza por medio de un estereoscopio, que permite
notar fácilmente la existencia en las fisuras de las probetas sumergidas en agua, en LB y en LB con
la presencia de bacterias. De esta manera, se realiza una observación constante de los cilindros
sumergidos hasta que presentaron cambios visibles notables en las fisuras superficiales, momento
en el cual se sacan de los recipientes para un proceso de secado natural y los consiguientes ensayos
mecánicos que permiten determinar los cambios en la propiedad mecánica elegida previamente.
Ahora, luego de la verificación final de los cambios de manera visual, se realizan ensayos
brasileros a las diferentes probetas fabricadas luego de estar sumergida en los diferentes medios, de
esta manera, se obtiene el valor de la carga a la cual fallan estos cilindros y se comparan con el
valor de carga obtenida para cilindros fisurados de los dos tipos que no estuvieron sumergidos en
39
ningún medio, cilindros con la barra de acero #4 embebida sin fisurar y cilindros de concreto
convencional sin refuerzo y sin fisurar, todas con las mismas dimensiones (diámetro de 7.5 cm y
longitud de 15 cm).
Además de esto, se compara el valor del esfuerzo resistente a tracción hallado para las
diferentes probetas con el esfuerzo máximo a compresión del concreto utilizado que será
determinado mediante la falla en el laboratorio de 6 cilindros de 10 cm de diámetro y 20 cm de
longitud.
40
6. Resultados.
A continuación se presentarán los resultados obtenidos a lo largo del presente proyecto de
investigación divididos en tres módulos principales; por un lado el primer módulo que expone los
resultados preliminares obtenidos a nivel microbiológico, un segundo módulo en donde se
encuentran los resultados obtenidos en los ensayos a tracción directa de las probetas de concreto y
un tercer y último módulo que expone los resultados finales del presente proyecto de investigación.
6.1 Resultados microbiológicos.
En cuanto a los resultados microbiológicos, fue posible un aislamiento de bacterias hasta un ph
con un valor de 12 a partir de una segunda dilución de las cenizas tomadas durante el proceso de
muestreo, aunque para los pases semanales se trabajó normalmente con un ph de 11(ver Figura 26).
Figura 26. Cultivo microbiológico con ph 11.
Ahora, como parte del proceso preliminar de distinción de las bacterias aisladas se realizó
una tinción de Gram, obteniendo cocos con una tinción de Gram positiva (Ver Figura 27).
41
Figura 27. Resultado tinción de Gram vista con un aumento de 40 X.
Ahora, con el fin de detectar la presencia de cristales de carbonato de calcio, se realizaron
pruebas con vinagre sobre muestras centrifugadas a 7300 rpm durante 15 minutos, sin embargo
esta prueba no dió resultados positivos.
De esta manera, se realizó un cultivo líquido a un ph de 10 y otro a un ph de 9 y se realizó
una nueva tinción de Gram para verificar la presencia de cristales de carbonato de calcio al
microscopio; cabe resaltar que, como era de esperar, después de una semana el cultivo que
presentó una mayor precipitación fue el de mayor valor de ph (Figura 28).
Figura 28. Precipitado a ph 10.
Ahora, antes de presentar los resultados obtenidos en la tinción de Gram, se presentan las
observaciones al microscopio de muestras de carbonato de calcio analítico y comercial
utilizadas en los laboratorios de ingeniería ambiental de la Universidad de los Andes. Estos
resultados se muestran a continuación de manera gráfica a manera de tabla:
42
Tabla 1. Carbonato de calcio al microscopio.
Aumento\Tipo Comercial Analítico
40 X
100 X
Como se puede observar, se pueden distinguir dos tipos principales de cristales, por un lado
se encuentran algunos de gran tamaño con formas geométricas bien definidas, pero también se
encuentran otros a manera de pequeños granulos con formas redondeadas similares a células pero
sin presentar algún cambio en cuanto a coloración con la tinción de Gram.
Identificados los cristales de carbonato de calcio al microscopio, a continuación se
presentan dos imágenes tomadas al de dos muestras de los cultivos en medio líquido fabricados
previamente, en donde se ve la presencia de partículas similares a los cristales observados
anteriormente. De esta manera, en la Figura 29 se puede observar la presencia de cristales similares
a los de carbonato de calcio con un tono pardo en comparación a las células que presentan una
coloración violeta muy fuerte dada la tinción de Gram realizada.
43
a.)
b.)
Figura 29. Cristales de carbonato de calcio y bacterias. a) Aumento 100X. b) aumento en detalle de la figura a).
6.2 Resultados de ensayos a compresión.
El primer ensayo mecánico realizado sobre el concreto a utilizar fue el de cilindros (de 10 x 20
cm) a compresión con el fin de determinar la resistencia a compresión de este material (conocida
como ) que generalmente se relaciona con las demás propiedades mecánicas de este.
De esta manera, los resultados de estos ensayos se presentan a continuación en dos módulos en
donde se presenta tanto el diseño de mezclas utilizado como el valor de la resistencia a compresión
del concreto hallada experimentalmente.
5.2.3 Diseño de mezcla.
Para comenzar, se utilizó un diseño de mezcla utilizado en la clase de Materiales en
Ingeniería Civil dentro de la Universidad de los Andes y se corrigió la cantidad de agua de acuerdo
a la humedad de los agregados utilizados, obteniendo las siguientes cantidades para la preparación
de 1 de concreto de 28 MPa:
Tabla 2. Diseño de mezcla.
Componente Cantidad [kg]
Agua 209.2
Cemento 358.2
A.Fino 954.9
Grava Fina 426.6
Grava Gruesa 338
44
5.2.4 Resultados finales de ensayos a compresión.
Ahora, en cuanto a los ensayos a compresión axial, se construyeron 4 cilindros con un diámetro
de 10 cm y una longitud de 20 cm que fueron fallados a compresión en los laboratorios de
ingeniería civil de la Universidad de los Andes, obteniendo la gráfica de Fuerza vs. Tiempo que se
presenta a continuación:
Figura 30. Gráfica de Fuerza vs. Tiempo para los ensayos a compresión realizados en cilindros.
Como se puede observar, la segunda probeta a ensayar presentó un valor de resistencia mucho
más bajo que los tres restantes, esto se debió a que esta probeta presentó una gran segregación de
agregados que tuvo como consecuencia la disminución de la resistencia a compresión del material
en esta probeta; de esta manera, este resultado fue omitido, obteniendo un valor promedio para la
resistencia a compresión de 16.44 Ton, es decir de 21 MPa, así que se obtuvo una resistencia
significativamente menor a la esperada.
6.3 Resultados de los ensayos a tracción directa.
Aunque ya se presentaron los resultados microbiológicos obtenidos durante el desarrollo de este
proyecto, a continuación se presenta el desarrollo y los resultados obtenidos al realizar los ensayos a
tracción directa.
5.3.1 Deformación unitaria escogida para los ensayos.
Como se mencionó en la metodología, fue necesario definir la deformación unitaria del
acero a la cual el concreto presentaría fisuras con un espesor promedio de 0.5 mm.
45
De esta manera, utilizando la Ecuación 5, se halló que la deformación unitaria requerida
para este ancho de fisuras debe ser del orden de 0.33%, sin embargo, debido a que al momento de
descargar la probeta, el acero tenderá a volver a su estado original, se realizó el cálculo de la
deformación unitaria requerida para obtener una deformación residual del 0.33%.
Este cálculo se realizó asumiendo un comportamiento totalmente elasto-plástico del acero
con un módulo de elasticidad de 200 GPa y un esfuerzo de fluencia de 420 MPa (debido a las
propiedades del acero utilizado en la fabricación de las probetas), obteniendo una deformación
unitaria total de 0.54% aproximadamente; de esta manera, cada probeta será sometida a esta
deformación para que que la deformación unitaria residual en el acero corresponda a 0.33%
despreciando los efectos del concreto a tracción.
5.3.2 Resultados de los ensayos a tracción directa.
Para cada uno de los ensayos realizados con ayuda de una MTS en el laboratorio de
estructuras de la Universidad de los Andes, se obtuvieron las curvas de Fuerza Vs. Deformación de
cada probeta, de esta manera, para cada uno de los 12 ensayos realizados se obtuvo una curva como
la presente en la Gráfica 1.
Gráfica 1. Carga Vs. Deformación para la probeta número 12.
De esta manera, se obtuvo que la carga a la cual fue sometida cada probeta fue de
aproximadamente 5.8 toneladas, valor muy similar al de fluencia de una barra de acero #4, que por
su área nominal de 129 sugerida por la NSR-10 y su esfuerzo de fluencia de 420 MPa, fluye a
una carga de 5.52 toneladas fuerza, lo que indica que el aporte del concreto es casi nulo debido a su
baja capacidad a tracción y su progresiva fisuración.
46
Ahora, realizados los ensayos a tracción directa, se marcaron las fisuras visibles que se
obtuvieron y se realizaron cortes para obtener cilindros de 7.5 cm de diámetro y 15 cm de longitud.
Figura 31. Cilindros obtenidos de los cortes.
De esta manera, se seleccionaron los cilindros del tipo I (todas las fisuras con espesor
menor a 0.5 mm) y tipo II (probetas con fisuras que superan los 0.5 mm de espesor) y se tomaron
los 12 cilindros de cada tipo con las fisuras mejor desarrolladas y más representativas. Estos
cilindros de cada tipo fueron clasificados en 4 tipos dependiendo en el cual serían incubados (medio
LB líquido con y sin bacterias, agua y sin estar sumergidas).
Por último, para cada probeta se seleccionó una fisura y se marcó un tramo de
aproximadamente 2 cm de longitud con el fin de ser comparado antes y después del proceso de
incubación. De esta manera, se tomó el registro fotográfico de las fisuras escogidas a partir de tres
tomas típicas: la primera toma ilustra el ancho de la fisura medida con una regla de fisuras que tiene
una escala en mm, la segunda toma es la vista general con un aumento de 0.65X en un
estereoscopio y la última toma es un mayor aumento de la fisura en el estereoscopio (con un
aumento de 4X para fisuras tipo I y 2X para fisuras tipo II).
Ahora, por otro lado, en la Tabla 3 se muestra un ejemplo de las fotografías tomadas para
dos diferentes fisuras. Cabe resaltar que para cada fisura, esta fue identificada con un código de la
forma TXPY, en donde X es el tipo de cilindro y Y el número de la probeta. El registro fotográfico
de los cilindros tipo I se presentan en el Anexo 1. y las de los cilindros tipo II, este se presenta en el
Anexo 2.
47
Tabla 3. Ejemplo ilustraciones de fisuras.
Aumento\Probeta Probeta T1P5 Probeta T2P1
Medición
Aumento x0.65
Mayor Aumento
6.4 Resultados del proceso de tratamiento a cilindros fisurados.
Ahora, entendiendo como “tratamiento” al proceso de sumergir los cilindros de concreto
previamente fisurados en diferentes medios, a continuación se presentan los resultados más
relevantes de esta etapa dentro del proceso de investigación.
Primero, cabe resaltar que las diferentes probetas (de los dos diferentes tipos de fisuración a
estudiar) fueron divididas en 4 grupos y sometidas a diferentes “tratamientos”; de esta manera, un
total de 6 cilindros fueron sumergidos en agua, otros 6 sumergidos en medio LB líquido con un ph
de 9.5, otros en el mismo medio pero inoculado con las bacterias aisladas previamente y por último,
los últimos 6 cilindros fisurados fueron colocados a la intemperie, sin estar sumergidos en ningún
medio o substancia.
48
Luego de una semana de ser sometidos a los diferentes “tratamientos”, fue tomada una
muestra de los medios LB (con y sin inoculación de bacterias) con el fin de verificar la actividad
microbiana dentro de estas. De esta manera, efectivamente se encontró la presencia de
microorganismos en las muestras provenientes de medios inoculados previamente; este crecimiento
se puede observar en la Figura 32 y en la Figura 33.
Figura 32. Crecimiento previo al aislamiento.
Figura 33. Crecimiento luego del aislamiento.
Paso seguido, se realizaron pases de algunas colonias obtenidas en los medios luego de una
semana a LB sólido en cajas de Petri con el fin de verificar que morfológicamente sean similares o
49
iguales a las aisladas previamente dentro de este proyecto de investigación, y que fueron inoculadas
en estos mismos medios. De este proceso, se obtuvo como resultado un cultivo con la misma
morfología de los inoculados previamente, lo que permite concluir que aparentemente no existió
ninguna contaminación durante la semana de duración de esta etapa del proceso experimental. La
comparación de los cultivos obtenidos antes y después de este proceso se observan a continuación
en la Figura 34.
a). Aislados luego de sumergir las probetas
b). Aislados antes de sumergir las probetas
Figura 34. Comparación de cultivos aislados.
Ahora, verificada la presencia de actividad bacteriana dentro de las probetas de concreto
fisuradas a estudiar, se procedió a realizar un análisis visual de los resultados obtenidos.
De esta manera, al igual que al examinar la morfología y el tamaño de las fisuras resultantes
de los ensayos a tracción directa, las probetas fueron examinadas al estereoscopio con el fin de
verificar algún cambio en el tamaño o la morfología de estas. Así, se obtuvo que a diferencia de las
probetas sumergidas en medios LB líquido con ph de 9.5 con una inoculación de bacterias, no se
presentó ningún cambio alguno en las fisuras que pudiera ser observado visualmente.
Como se mencionó previamente, las probetas que presentaron ciertos cambios en algunas
fisuras fueron las sometidas a la acción de bacterias, presentando resultados notorios en las fisuras
tipo I y cambios mínimos en las Tipo II.
En el caso de las probetas tipo I, las que presentaron una mayor reparación de fisuras fueron
las denominadas T1P1 y T1P2. A continuación se presenta una vista general de algunas fisuras
reparadas por completo en la probeta T1P2, en donde se puede observar una serie de vetas de color
blanco a lo largo de algunas fisuras.
50
Figura 35. Vista general de fisuras reparadas en probeta T1P2.
Ahora, de manera más detallada, se presenta un acercamiento con ayuda de un
estereoscopio a algunas fisuras parcial o totalmente reparadas, en la probeta T1P1 (véase la Figura
36) y en la probeta T1P2 (véase Figura 37), con un ancho máximo reparado de 0.12 mm
aproximadamente.
51
Figura 36. Vista de fisuras parcial y totalmente reparadas en la probeta T1P1 al estereoscopio.
Figura 37. Vista al estereoscopio de fisuras parcial y totalmente reparadas en la probeta T1P2.
Por otro lado, en el caso de las probetas con una fisuración tipo II, se encontró un cambio
mínimo en las diferentes fisuras, con la presencia de una delgada película blanca sobre la superficie
de algunas de las fisuras (véase Figura 38).
52
Figura 38. Cambio en fisuras con un ancho mayor a 0.5 mm en probeta T2P4.
Ahora, cabe resaltar que el registro fotográfico no fue realizado para todas las fisuras
estudiadas previamente y presentes en el
Anexo 1. y el Anexo 2., debido a la inexistencia aparente de cambios en las fisuras estudiadas en las
probetas sumergidas en agua, medio LB con ph 9,5 sin inoculación de bacterias y sin sumergir.
Además de esto, en las probetas que presentaron grandes cambios en las fisuras, no hubo mayor
cambio en las fisuras estudiadas en estos anexos.
Otro cambio notable dentro de las probetas fue en lo referente a la corrosión del acero de
refuerzo dada las condiciones o el medio al cual fueron expuestas. De esta manera, para las probetas
sumergidas en medio LB (con o sin inoculación de microorganismos), el acero embebido en el
concreto utilizado presentó una coloración de color marrón oscuro con un delgado borde color
naranja pasada una semana de inmersión en este medio (véase Figura 39), mientras que el acero
perteneciente a las probetas sumergidas únicamente en agua tomaron una coloración similar a un
tono naranja(véase la Figura 40).
53
Figura 39. Corrosión en el acero bajo la acción de LB con un ph de 9.5.
Figura 40. Corrosión en el acero baja la acción de agua.
Finalmente, en esta etapa experimental se obtuvo que para algunas de las probetas
sumergidas en LB con ph 9.5 (con o sin inoculación de microorganismos), la cara inferior
sumergida presentó una coloración blanca (véase Figura 41), que se evidencio como consecuencia
de la precipitación de una pequeña cantidad de hidróxido de calcio presente en el medio que no fue
totalmente diluido durante su proceso de mezcla o esterilización. Este fenómeno se presentó a
menudo al preparar medios con un ph igual o superior a 10, dando las pautas para utilizar un valor
de ph menor a este.
54
Figura 41. Coloración blanca en la cara inferior de probetas sumergidas en medio LB.
6.5 Resultados de ensayos a tracción indirecta.
A continuación se presentan los resultados obtenidos en los ensayos de tracción indirecta de
cilindros de concreto a partir de dos diferentes módulos. Por un lado, el primer módulo se encarga
de presentar las dimensiones promedio aproximadas de cada una de las probetas a fallar, mientras
que el segundo módulo se encarga de presentar los resultados finales de los ensayos.
5.4.1. Dimensiones de las probetas.
Antes de presentar los resultados obtenidos en estos ensayos, se presenta a continuación el
diámetro (d) y la longitud promedio (L) de las probetas, obtenidos al realizar la medición de cada
una de estas variables un total de 3 veces para cada probeta. De esta manera, a continuación se
presentan los resultados promedio de estas mediciones a manera de tabla, en donde se presentan
tanto los resultados provenientes de las probetas fabricadas sin la presencia de una barra de acero
embebida, como los provenientes cilindros con la presencia de la barra de acero embebida pero sin
ser fisurados previamente bajo ensayos de tracción directa (nombrados de la manera Xs y Xc
respectivamente, en donde el valor de X representa el número de la probeta a estudiar).
55
Tabla 4. Diámetro y Longitud promedio de las diferentes probetas sometidas a ensayos de tracción indirecta.
Nombre d [cm] L [cm] Nombre d [cm] L [cm]
1c 7.722 14.963 T1P6 7.620 15.335
1s 7.759 15.350 T1P7 7.679 15.027
2c 7.715 15.016 T1P8 7.783 14.838
2s 7.724 15.100 T1P9 7.781 14.799
3c 7.729 15.112 T2P1 7.783 15.063
3s 7.730 15.194 T2P10 7.770 14.545
4c 7.746 15.208 T2P11 7.651 14.903
4s 7.757 15.555 T2P12 7.634 15.000
T1P1 7.598 15.215 T2P2 7.786 15.089
T1P10 7.737 14.654 T2P3 7.548 14.882
T1P11 7.544 14.882 T2P4 7.691 14.725
T1P12 7.695 15.328 T2P5 7.471 14.664
T1P2 7.614 14.746 T2P6 7.723 14.910
T1P3 7.737 15.379 T2P7 7.757 14.884
T1P4 7.772 15.642 T2P8 7.703 14.859
T1P5 7.679 15.673 T2P9 7.746 15.068
Al analizar estos resultados se obtuvieron los valores de desviación estándar y media que se
presentan a continuación:
Tabla 5. Desviación estándar y media de los diámetros y longitudes promedio medidas para todas las probetas
falladas a tracción indirecta.
Variable σ (cm) μ (cm)
d 0.078 7.699
L 0.282 15.050
Como se puede observar, el valor promedio de los diámetros fue cercano a 3 pulgadas, lo
que se esperaba de acuerdo al método constructivo, mientras que el valor promedio para la longitud
de las probetas fue muy cercano al valor de referencia de 15 cm tomado como una aproximación
estimada de 6 pulgadas; de esta manera, la relación entre la longitud y el diámetro promedio fue de
1.956, valor ubicado dentro del admisible para este tipo de ensayos. Por otro lado, la desviación
estándar de las muestras fue entre 2 y 3 órdenes de magnitud menor es a los valores promedio de
estas, lo que es señal de una muestra casi homogénea entre las mediciones realizadas.
Finalmente, a continuación se presenta el resumen de los resultados obtenidos luego de
realizar los ensayos de tracción directa en los cilindros para verificar los posibles cambios en esta
propiedad mecánica del material al estar sometido a los diferentes medios como fue descrito
previamente.
56
5.4.2 Resultados mecánicos de los ensayos a tracción indirecta.
Ahora, en cuanto a los resultados de los ensayos de tracción indirecta realizados durante el
presente proyecto de investigación, estos serán presentados a continuación en dos diferentes
secciones; dentro de la primera sección se presentaran los resultados referentes a las probetas que
no fueron fisuradas previamente, mientras que en la segunda sección se presentarán los resultados
obtenidos para las probetas que fueron sometidas previamente a ensayos de tracción directa con el
fin de ser fisuradas.
Finalmente, los resultados completos de estos ensayos se presentan en la Tabla 19 dentro de
la sección denominada “Anexo 3.”.
5.4.2.1 Resultados a tracción indirecta de probetas no fisuradas.
En el caso de las probetas de concreto no fisurado mediante ensayos de tracción directa,
fueron fabricados un total de 8 cilindros divididos en 2 grupos, por un lado se construyeron 4
probetas con una barra de acero embebida al igual que para las probetas fisuradas, mientras que las
4 probetas restantes fueron construidas con la misma mezcla de concreto pero sin la presencia de la
barra de refuerzo.
De esta manera, las 8 probetas fueron falladas con una velocidad de carga de 14
hasta
llegar a la falla. Ahora, con las cargas máximas resistentes de cada probeta fue calculada la carga
resistente por unidad de longitud que fue capaz de soportar cada uno de los diferentes cilindros con
el fin de tomar en consideración la variación existente en las dimensiones de las diferentes probetas.
Los resultados obtenidos mostraron un valor de la resistencia promedio de 25.65 y 23.75
y desviaciones estándar de 0.92 y 4.17
para probetas con y sin presencia de la barra de
acero de refuerzo respectivamente; esto indica que las probetas sin la presencia de acero de refuerzo
soportaron una carga por unidad de longitud mayor en un 8% a las que si presentaban la barra de
acero de refuerzo, además de esto, la confiabilidad en los resultados obtenidos en estas también fue
mucho mayor, con una desviación estándar de un orden de magnitud menor a la de las probetas con
acero de refuerzo.
Estos resultados se pueden ver de manera gráfica a continuación, en donde el centro de cada
circulo, que representa un tipo diferente de probetas, presenta una intersección con el eje vertical en
el valor que indica la carga objetivo, mientras que el radio de estos representa de manera
aproximada la desviación de los datos obtenidos para las diferentes probetas de cada tipo:
57
Gráfica 2. Resultados a tracción indirecta de probetas sin fisurar.
Por último, a la hora de realizar los ensayos, se encontró que las probetas sin barra sufrían
una ruptura inmediata luego de llegar a su última carga, dividiendo la probeta en dos partes casi
iguales, sin embargo, la falla en las probetas con la barra embebida presentaron dos tipos de fallas
típicas, por un lado, estuvieron aquellas probetas que fallaron de manera similar a las que no tenían
la barra de acero embebida (véase Figura 42), mientras que otras probetas, principalmente las que
presentaban fisuras de gran tamaño, presentaron un comportamiento un poco diferente, en el que
luego de presentar un pico de carga y una disminución en esta, volvían a ganar resistencia debido al
aplastamiento de las probetas.
De esta manera, el segundo tipo de falla se vio influenciado por la discontinuidad de
esfuerzos debido a la presencia de la barra que se vio reflejada en una bifurcación de la primera
fisura generada (véase Figura 43), efecto que impide la separación total de la probeta en dos
secciones y que la induce a un efecto de aplastamiento debido a que las fisuras generadas por la
carga también se prolongan a lo largo de las que fueron previamente formadas a partir de ensayos
de tracción directa (para casos posteriores de estudio que presentaron fisuración) (véase Figura 44).
Así, se puede verificar gran variación en los resultados finales de resistencia dada la presencia de la
barra de acero.
Figura 42. Primer tipo de falla en probetas con barra de acero.
58
Figura 43. Bifurcación de fisuras en consecuencia de la discontinuidad de esfuerzos dada la barra de acero de
refuerzo.
Figura 44. Segundo tipo de falla para probetas con una barra de acero embebida.
5.4.2.2 Resultados a tracción indirecta en probetas previamente fisuradas.
Presentados los resultados obtenidos para probetas sin fisuración previa, esta sección se
encarga de mostrar los resultados obtenidos en los ensayos de tracción indirecta para las probetas
fisuradas por medio de ensayos de tracción directa.
De esta manera, estos resultados se presentan a continuación en dos diferentes secciones, en
donde primero serán agrupadas según el tipo de fisuración con el fin de evaluar la incidencia de
cada uno de los diferentes “tratamientos” sobre su resistencia, y luego serán agrupadas según el
“tratamiento” aplicado a cada probeta con el fin de evaluar la incidencia del tipo de fisuración en la
resistencia mecánica del material utilizado.
59
5.4.2.2.1 Clasificación de probetas según el tipo de fisuración presente.
Dentro de este literal, serán presentados los resultados de los ensayos de tracción indirecta
para tres tipos diferentes de probetas: Tipo I y Tipo II. De esta manera, cada uno de estos dos tipos
de probetas serán subdivididos en 4 grupos: Agua, Bacterias, LB ph 9.5 e Intemperie, según las
condiciones a que fueron expuestas por una semana luego de los ensayos a tracción directa.
5.4.2.2.1.1 Resultados en probetas Tipo I.
A continuación se presentan los resultados obtenidos para este tipo de probetas a manera de
tabla:
Tabla 6. Resultados a tracción directa en probetas Tipo I.
Variable Agua Bacterias LB Intemperie
Carga Promedio (Ton/m) 18.672 16.798 15.059 17.782
Desviación de los datos (Ton/m) 2.788 1.312 0.682 1.775
Así, se puede observar como las probetas dejadas sumergidas en agua fueron en promedio
las de mayor resistencia, con un valor superior en un 23% a los resultados obtenidos para probetas
sumergidas en medio LB con un ph de 9.5 que resultaron ser lo menores; por otro lado, luego de las
probetas sumergidas en agua, las de mayor resistencia promedio fueron las que fueron dejadas
simplemente a la intemperie y luego las sumergidas en un medio LB con inoculación de bacterias,
con una diferencia de 18 y 11,5% sobre las de menor resistencia, respectivamente.
Con el fin de ilustrar de una manera más entendible los resultados, se presenta a
continuación una gráfica similar a la utilizada para presentar los resultados de resistencia para
probetas sin fisurar (Gráfica 2):
Gráfica 3. Resultados a tracción indirecta de probetas con fisuración Tipo I.
60
Finalmente, la Gráfica 3, permite observar cómo, aunque las probetas tratadas únicamente
con agua obtuvieron el mayor valor promedio de resistencia, fueron estas las que obtuvieron una
menor confiabilidad en los resultados, mientras que los cilindros tratados con LB sin inoculación de
microorganismos tuvieron la mejor confiabilidad de los resultados aunque dieron como resultado el
menor valor promedio de resistencia.
5.4.2.2.1.2 Resultados en probetas Tipo II.
A continuación se presentan los resultados obtenidos para este tipo de fisuración a manera
de tabla:
Tabla 7. Resultados de ensayos a tracción indirecta en probetas con fisuración Tipo II.
Variable Agua Bacterias LB Intemperie
Carga promedio (Ton/m) 14.784 11.919 12.627 20.400
Desviación Estándar (Ton/m) 2.217 1.037 1.380 1.801
Así, se puede observar como las probetas dejadas a la intemperie fueron en promedio las de
mayor resistencia, con un valor superior en un 41.6% a los resultados obtenidos para probetas
sumergidas en medio LB con un ph de 9.5 y con inoculación de bacterias que resultaron ser los
menores; por otro lado, luego de las probetas sumergidas en agua, las de mayor resistencia
promedio fueron las tratadas con agua y luego las sumergidas en un medio LB sin inoculación de
bacterias, con una diferencia de 19.38 y 5.61% sobre las de menor resistencia, respectivamente.
Al igual que para las probetas con fisuración Tipo I, a continuación se presenta el resumen
de los resultados obtenidos a manera de gráfica:
Gráfica 4. Resultados de ensayos a tracción indirecta de probetas con fisuración Tipo II.
61
De esta manera, la Gráfica 4, permite observar de manera gráfica la diferencia en la
confiabilidad, o variación de los datos, en donde se encontró una máxima diferencia entre los
obtenidos al tratar las diferentes probetas con bacterias y con agua, con un valor cercano al 50% de
esta última.
5.4.2.2.2 Clasificación de probetas según el tratamiento aplicado.
A continuación se presentan los resultados para cada uno de los 4 tratamientos utilizados
sobre diferentes probetas con el fin de determinar la incidencia del tipo de fisuración en la
resistencia a tracción indirecta del concreto utilizado.
5.4.2.2.2.1 Resultados en probetas sumergidas en agua.
Los siguientes son los resultados promedio de resistencia para los dos diferentes tipos de
fisuración y la desviación estándar de cada muestra compuesta por 3 probetas:
Tabla 8. Resultados de ensayos a tracción indirecta en probetas tratadas con agua.
Variable Tipo I Tipo II
Resistencia promedio (Ton/m) 18.672 14.784
Desviación estándar (Ton/m) 2.788 2.217
De esta manera, se pudo observar como la resistencia promedio fue superior en un 26.3 %
en probetas Tipo I en comparación a las probetas Tipo II, aunque tuvieron una desviación estándar
un 26% mayor, lo que indica una mayor dispersión de los resultados.
Finalmente, al igual que en los casos estudiados previamente, los resultados se resumen a
continuación a manera de gráfica:
Gráfica 5. Resultados de ensayos a tracción indirecta en probetas tratadas con agua.
62
5.4.2.2.2.2 Resultados en probetas sumergidas en medio LB con un ph de 9.5.
A continuación se presentan los valores de resistencia promedio y desviación estándar
obtenido para los dos tipos de fisuración sometidos a este tipo de “tratamiento”:
Tabla 9. Resultados de ensayos a tracción indirecta de probetas tratadas con LB sin inoculación de bacterias.
Variable Tipo I Tipo II
Resistencia promedio (Ton/m) 15.059 12.627
Desviación estándar (Ton/m) 0.682 1.380
De esta manera, se puede observar como las probetas con fisuración Tipo I tuvieron una
resistencia promedio mayor en un 19.26% en comparación a las de fisuración Tipo II; además de
ser más resistentes, las probetas Tipo I presentaron una variación cercana a un 50% delas probetas
Tipo II, mostrando una mayor confiabilidad de los resultados.
Finalmente, se presentan los resultados de manera gráfica con el fin de ilustrar las
diferencias obtenidas para los dos tipos de fisuración de una manera más didáctica:
Gráfica 6. Resultados de ensayos a tracción indirecta en probetas tratadas con LB sin inoculación de
microorganismos.
5.4.2.2.2.3 Resultados en probetas sumergidas en medio LB con inoculación e bacterias.
En el caso de probetas bajo la acción de actividad microbiana, se obtuvieron los siguientes
resultados para la resistencia promedio y desviación estándar de las muestras:
63
Tabla 10. Resultados de ensayos a tracción indirecta en probetas inoculadas con microorganismos.
Variable Tipo I Tipo II
Resistencia promedio (Ton/m)
16.798 11.919
Desviación estándar (Ton/m) 1.312 1.037
De esta manera, se pudo observar cómo, de nuevo, las probetas Tipo I tuvieron una resistencia
promedio mayor a la de las probetas Tipo II con una diferencia porcentual cercana al 40.94%,
aunque este tipo de probetas tuvo una desviación estándar mayor en un 26.56%, lo cual indica una
mayor variabilidad en los resultados, es decir, una menor confiabilidad de estos.
Finalmente, se presentan los resultados obtenidos a manera de gráfica:
Gráfica 7. Resultados de ensayos a tracción indirecta en probetas inoculadas con microorganismos.
5.4.2.2.2.4 Resultados en probetas dejadas a la intemperie.
Por último, en cuanto a las probetas que no fueron sumergidas en ninguna substancia
durante una semana, sino que fueron dejadas a la intemperie, se obtuvieron los resultados que se
presentan a continuación a manera de tabla:
64
Tabla 11. Resultados de ensayos de tracción directa en cilindros dejados a la intemperie.
Variable Tipo I Tipo II
Resistencia promedio (Ton/m) 17.782 20.400
Desviación estándar (Ton/m) 1.775 1.801
En este caso, a diferencia de los anteriores, se presentó un valor mayor para probetas con
una fisuración Tipo II en comparación a las Tipo I, con una diferencia porcentual cercana al 15%, y
una desviación estándar similar para ambos tipos.
Ahora, en la siguiente gráfica se permite una mejor visualización de los resultados
obtenidos experimentalmente:
Gráfica 8. Resultados ensayos a tracción indirecta en probetas dejadas simplemente a la intemperie.
65
7. Conclusiones.
Para comenzar, se pudo verificar la viabilidad para encontrar bacterias capaces de sobrevivir a
ambientes adversos extremadamente básicos, como lo es el concreto con su valor de ph superior a
10, lo que permite pensar inmediatamente en una potencial aplicación de estas para la reparación de
fisuras en elementos de concreto por medio de bio precipitación de carbonato de calcio ( ,
como primer paso antes de plantear un estudio experimental y teórico de una manera profunda
sobre la implementación de este sistema en pro de su auto reparación por medio de esta
metodología, para lograr así una adaptación de los estudios del profesor Henk Jonkers en Holanda
al ámbito Colombiano.
Ahora, habiendo logrado el aislamiento de una bacteria que sobreviva a las condiciones
aclaradas previamente y dados los resultados visuales presentados en el capítulo previo, se puede
deducir de manera objetiva que el funcionamiento de la metodología experimental planteada a lo
largo del presente proyecto de investigación fue un éxito, puesto que permitió realizar un control
preciso y aceptable del ancho de las fisuras en los elementos de concreto fabricados. Además de
esto, para el denominado Tipo I de fisuración, se logró una aparente reparación total de algunas
fisuras, lo cual indica que para fisuras con un espesor de hasta 0.12 mm, aproximadamente, se
alcanzó el objetivo de reparación aplicando la bio precipitación de carbonato de calcio; sin
embargo, el alcance del presente proyecto de grado permite realizar una nueva interrogante: ¿Existe
un cambio en las propiedades mecánicas del concreto al implementar esta técnica alternativa de
reparación?
Durante los ensayos de tracción indirecta, o ensayos brasileros, realizados con el fin de verificar
algún cambio en las propiedades mecánicas del material bajo diferentes tratamientos aplicados
durante un período de una semana (algunos sumergidos en agua, otros en medio LB líquido con ph
9.5, otros en LB con inoculación de bacterias y algunos dejados simplemente a la intemperie), se
pudo observar la tendencia de las probetas con fisuración Tipo I a presentar una mayor resistencia
que las Tipo II, siendo el caso más notable el de las probetas tratadas con bacterias, con una
diferencia en la resistencia de un 41%, seguido por el tratamiento con agua que presentó una
diferencia cercana al 26% y por último se encontró el tratamiento únicamente con medio LB, que
presentó una diferencia poco menor al 20%.
Por otro lado, cabe resaltar que las probetas dejadas a la intemperie presentaron un
comportamiento un poco diferente, en donde la probeta T2P8 fue capaz de soportar una carga por
unidad de longitud muy superior al valor promedio para las demás muestras de este tipo (mayor en
un 10%), lo que es también muestra de la gran dispersión y aleatoriedad de los resultados causada
por la presencia de la barra de acero embebida en las probetas, que causó una disminución en la
resistencia cercana al 8% y un aumento en la desviación estándar de los resultados obtenidos para la
máxima carga por unidad de longitud resistente de casi 350%. Ahora, este comportamiento fue
quizás la causa que generó que para las probetas dejadas a la intemperie, las probetas con una
fisuración Tipo II presentaran una mayor resistencia que las de Tipo I con una diferencia en la
resistencia cercana a un 15%, siendo un caso atípico en comparación a los demás resultados
presentados previamente.
66
Habiendo presentado los resultados anteriores que permiten concluir casi con total certeza
(debido a que solamente se encontró un resultado en contra) que la resistencia es inversamente
proporcional al ancho de fisuras presente dentro de la probeta, lo cual era de esperar, y que además,
según los resultados experimentales obtenidos, la mayor diferencia porcentual entre los resultados
obtenidos al comparar los dos tipos de fisuración fue el de aplicar un tratamiento a las probetas a
partir de bacterias y un medio rico en calcio.
Demostrando experimentalmente que al tratar las probetas con bacterias hay una mayor
diferencia entre la resistencia obtenida para los dos tipos de fisuración, que concuerda con los
registros visuales presentados previamente en donde se logró reparar por completo algunas fisuras
con un espesor relativamente pequeño, ahora es prudente realizar un nuevo interrogante: Con
respecto a los tratamientos aplicados a las diferentes probetas, ¿qué diferencia mecánica hubo entre
estos?
Realizados los ensayos a tracción indirecta fueron necesarios tres controles con el fin de
verificar el impacto, sea positivo o negativo, de la acción de las bacterias aisladas sobre las probetas
de concreto fabricadas. De esta manera, debido a la corrosión presente en el acero de refuerzo
dentro de las probetas, el primer paso fue comprobar el cambio en la resistencia a tracción indirecta
entre las probetas sumergidas en agua y en LB con ph de 9.5 con respecto a las probetas dejadas a la
intemperie. El cambio porcentual se presenta a continuación a manera de tabla, aclarando que en los
cuatro casos estudiados (según tipo de fisuración y tratamiento) un valor positivo representa un
incremento en la resistencia, medida como carga última por unidad de longitud, y un valor negativo
representa una disminución:
Tabla 12. Diferencia porcentual entre las probetas sumergidas en agua y lb con ph 9.5 con respecto a las dejadas a
la intemperie.
Tratamiento\Fisuración Tipo I Tipo II
Agua 5,01% -27,53%
LB con ph 9,5 -15,31% -38,10%
De esta manera, se puede observar como la pérdida en la resistencia es directamente
proporcional al ancho de fisuras presente en cada probeta y es mucho mayor al utilizar medio LB a
diferencia del tratamiento con la aplicación únicamente de agua, de esta manera, se puede observar
también un incremento en la resistencia para probetas Tipo 1 sumergidas en agua con respecto al
control, lo cual puede ser causa del fenómeno de re hidratación del cemento, en donde algunas
partículas de cemento que no fueron hidratadas durante el proceso de mezclado entran en contacto
con el agua en el cual se sumergen las probetas, generando la reacción química que lo convierte en
un agente ligante. Por otro lado, aunque la presencia de agua se encuentra en los dos casos
estudiados, como se explicó en el marco teórico del presente proyecto, la precipitación de carbonato
de calcio, inherente al concreto, baja el valor del ph en la zona adyacente al acero de refuerzo,
incrementando la corrosión en este; así, los resultados experimentales demuestran de manera
implícita la diferencia en la corrosión del acero de refuerzo al presentar una mayor disminución en
la resistencia al estar sometido a un medio LB con ph de 9.5 rico en calcio.
67
Ahora, al comparar los resultados obtenidos para probetas sumergidas en LB con y sin
inoculación de bacterias, se obtuvo que para probetas con la presencia únicamente de fisuras con un
espesor pequeño (Tipo I), la utilización de bacterias mostró una mejoría en la resistencia, con un
valor superior en un 12%, mientras que para las probetas Tipo II, presentó una valor promedio de
resistencia un 6% menor.
Finalmente, con los resultados obtenidos y analizados previamente, se puede concluir que, a
pesar del poco tiempo disponible para realizar los diferentes tratamientos a las probetas fisuradas,
hubo una gran variedad en los resultados para cada uno de estos, en donde se resalta la gran
disminución en la resistencia del concreto a tracción indirecta por la corrosión en el acero al estar
sometido a un medio LB con una gran concentración de calcio, pero que en parte fue contra restada
por la actividad microbiológica en las probetas con fisuras de espesores menores a 0.5 mm, con una
reparación total de algunas fisuras con espesores cercanos a 1.2 mm.
68
8. Comentarios y Recomendaciones.
Finalizado de manera satisfactoria el presente proyecto de investigación, a continuación se
presenta una lista de comentarios y recomendaciones en pro del desarrollo de estudios futuros:
En cuanto al medio a utilizar para proveer a las bacterias de los nutrientes necesarios
para su actividad metabólica, se sugiere la utilización de un ph un poco más bajo para
evitar una posible precipitación de hidróxido de calcio que podría llegar a afectar los
resultados visuales dentro de las fisuras a estudiar; sin embargo, los resultados
obtenidos mostraron que el medio utilizado funcionó de una correcta manera.
Como se pudo observar, los resultados obtenidos para una semana de tratamiento de las
diferentes probetas mostró algunos cambios relevantes dentro de las muestras, sin
embargo, para estudios futuros se plantea la fabricación de curvas que permitan
determinar el cambio en el espesor de las fisuras con respecto al tiempo en que han sido
tratados, con el fin de verificar la viabilidad de este método de reparación de fisuras en
concreto.
Aunque fue posible realizar el aislamiento de bacterias que sobreviven a las
condiciones presentes dentro de las fisuras en elementos de concreto, se plantea un
estudio sobre otras bacterias con las mismas características. Para esto, se plantea un
muestreo dentro del suelo de una cementera o una clinckera, en donde se esperaría un
ph lo suficientemente elevado para el correcto aislamiento de microorganismos aptos
para darle continuidad a la investigación.
En cuanto a las probetas fabricadas, aunque la metodología desarrollada permite una
fácil y correcta formación de fisuras así como una evaluación visual del desarrollo
dentro de estas, la presencia de la barra de acero embebida produce una gran dispersión
de los resultados mecánicos ante ensayos de resistencia, así que si se desea realizar un
análisis detallado y con una gran precisión en los resultados, se sugiere plantear una
nueva metodología que permita eliminar la aleatoriedad proveniente de esta variable.
En cuanto a la medición de la resistencia, al aplicar esta metodología, se sugiere realizar
la comparación de esta variable a partir de la determinación de la carga resistente por
unidad de longitud, como fue realizado en el presente proyecto, debido que al utilizar
simplemente la carga resistente no se estaría teniendo en cuenta la variación existente
en la geometría de las diferentes probetas; además, si se realiza la comparación a partir
de la Ecuación 3, no se tendría en cuenta la discontinuidad generada por la presencia de
la barra de acero embebida en el concreto.
69
Bibliografía
224, C. A. (1997). Fisuración de Miembros de Hormigón en Tracción Directa. ACI 224.2R-92. ACI.
American Concrete Institute. (2013). Causas, Evaluación y Reparación de Fisuras en Estructuras de
Hormigón. ACI 224.1R. Farmington Hills, Míchigan, Estados Unidos de América.
Amleh, L. (Julio de 1996). Influence of Corrosion of Reinforcing Bars on the Bond Between Steel
and Concrete. Montreal, Canadá: McGill University.
Arnold, D. (marzo de 2011). Self Heling Concrete. Ingenia-Emerging Technology.
Arrieta Rodríguez, M. T. (2011). Biomineralización aplicada a la mitigación de procesos erosivos
superficiales, en un suelo tropical en la ciudad de Medellín. Medellín, Antioquia, Colombia:
Universidad Nacional de Colombia.
ASTM. (1 de Julio de 2008). Standard Test Method for Direct Tensile Strength of Intact Rock Core
Specimens. D2936.
ASTM. (1 de Agosto de 2010). Standard Test Method for Flexural Strength of Concrete (Using
Simple Beam With Center-Point Loading). C 293/C293M.
ASTM. (Agosto de 2011). Standard Test Method for Splitting Tensile Strength of Cylindrical
Concrete Specimens. C496/C496M.
ASTM. (Septiembre de 2012). Standard Practice for Making and Curing Concrete Test Specimens in
the Field. C31/C31M-12.
ASTM. (Febrero de 2013). Standard Test Method for Flexural Strength of Concrete (Using Simple
Beam With Third-Point Loading). ASTM C78/C78M.
Bazant, Z., ASCE, & Oh, B. (Septiembre de 1983). Crack Spacing in Reinforced Concrete:
Approximate Solution. Journal of Structural Engineering, 109(9), 2207-2212.
Bazant, Z., ASCE, & Oh, B. (Noviembre de 1983). Spacing of Cracks in Reinforced Concrete. Journal
of Structural Engineering, 109(9), 2207-2212.
Boelens, R., Goedhart, J., Jagers, S., & Oldenkamp, R. (febrero de 2012). A Concrete Solution for a
Concrete Problem. Self-healing concrete. Delft, Holanda.
Broms, B. (Octubre de 1965). Crack Width and Crack Spacing in Reinforced Concrete Members.
62(10), 1237-1256.
Caballero, A. L., & Médico, O. A. (2013). Caracterización y posible uso de cenizas resultantes de la
combustión del carbón, en la futura Termocentral de lecho fluidizado. Río Turbio
(Argentina). Hacia un sistema de gestión integral de los residuos sólidos. Santa Cruz,
Argentina: Universidad Nacional de la Patagonia Austral.
70
Day, J., Ramakrishnan, V., & Bang, S. (16-18 de Julio de 2003). Microbiologically induced sealant for
concrete crack remediation. 16th Engineering Mrchanics Conference. Seattle, Washington,
Estados Unidos.
Dick, J., Windt, W., Graef, B., Saveyn, H., Meeren, P., De Belie, N., y otros. (2006). Biodeposition of
a calcium carbonate layer on degraded limestone by Bacillus species,. Biodegradation, 17,
4, 357-367.
Flórez, J. (s.f.). Estabilización de suelos con biocemento. Bogotá, Colombia: Universidad de Los
Andes.
Herrera Santos, C. (Mayo de 2013). Estudio del fallo en uniones adhesivas con materiales
compuestos. Proyecto fin de Carrera-Ingeniería Aeronáutico. Sevilla, España: Universidad
de Sevilla.
Jonkers, H. (s.f.). Bacteria-based self-healing concrete. (D. U. Technology, Ed.) Delft, Holanda.
Jonkers, H., & Schlagen, E. (2009). A two component bacteria-based self-healing concrete.
Concrete Repair, Rehabilitation and Retrofitting II. Delft, Holanda.
Jonkers, H., Thijssen, A., Copuroglu, 0., & Schlangen, E. (23-25 de Junio de 2008). Application of
bacteria as self-healing agent for the developement of sustainable concrete. 1st
International Conference on BioGeoCivil Engineering. Delft, Holanda.
Ministerio de Ambiente, V. y. (s.f.). Reglamento Colombiano de Construcción Sismo Resistente-
NSR-10. Bogotá D.C., Colombia: Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica (AIS).
Morales, L., López González, Garzón, E., Giménez, A., & Romero, E. (2011). Crecimiento de Cristales
de CaCO3, como Resultado de la Actividad Microbiológica en Suelos. revista de la sociedad
española de minerología.
Mors, R., & Jonkers, H. (11 de abril de 2012). Bacteria-Based Self Healing Concrete-Introduction.
Second International Conference on Microstructural-related Durability of Cementitious
Composites. Amsterdam, Holanda.
Nilson, A., & Darwin, D. (1999). Concreto, concreto reforzado y concreto preesforzado. En A.
Nilson, & E. A. H. (Ed.), Diseño de Estructuras de Concreto (L. Yamín L., Trad., 20 ed., págs.
1-2). Santa fé de Bogotá, Colombia: McGraw-Hill Interamericana, S.A.
Pérez Fletes, M. O. (4 de febrero de 2013). La importancia del concreto como material de
construcción. Tepic, Nayarit, México: Instituto tecnológico de Tepic.
Quintero Martínez, Á. M. (2011). Microorganisms in Concrete. (M. Sánchez Silva, & A. J. Martínez
León, Edits.) Bogotá, Colombia: Universidad de los Andes.
71
Ramakrishnan, V., R.K. Panchalan, & Bang, S. (20-25 de Marzo de 2005). Improvement of concrete
durability by bacterial mineral precipitation. 11th International Conference on Fracture.
Turin, Italia.
Santhosh, K., Remachandran, S., Ramakrishnan, V., & Bang, S. (2001). Remediation of concrete
using microorganism. American Concrete Institute Materials Journal 98.
Sierra, G. (s.f.). Concretos Auto-Reparables. México: Instituto de Ingeniería UNAM.
Stuckrath, C., Serpell, R., Valenzuela, L., & López, M. (2013). Auto-reparación del hormigón:
mejorarla por medio de la precipitación de carbonato de calcio. Santiago, Chile: idiem.
Van Tittelboom, K., De Belie, N., De Muynck, & Verstraete, W. (2010). Use of bacteria to repair
cracks in concrete. Cement and Concrete Research(40), 157-166.
Wang, J., De Belie, N., & Verstraete, W. (s.f.). Diatomaceous earth as a protective vehicle for
bacteria applied for self-healing concrete. Journal of Industrial microbiology &
biotechnology, 39, 4, 567-577.
Wang, J., Soens, H., Verstraete, W., & De Belie, N. (2014). Self-healing concrete by use of
microencapsulated bacterial spores. Cement and Concrete Research(56), 139-152.
Wang, J., Tittelboom, K., De Belie, N., & Verstraete, W. (2012). Use of silica gel or polyurethane
immobilized bacteria for self-healing concrete. Construction and Building Materials, 532-
540.
Wang, J., Van Tittelboom, K., De Belie, N., & Verstraete, W. (28-30 de Junio de 2010). Potential of
Applying Bacteria to Heal Cracks in Concrete. Second International Conference on
Sustainable Construction Materials and Technology.
Wiktor, V., & Jonkers, H. (2011). Quantification of crack-healing in novel bacteria-based self-
healing concrete. Cement & Concrete Compisites. Delft, Holanda: Delft University of
Technology.
www.sumanasinc.com. (s.f.). Obtenido de
www.sumanasinc.com/webcontent/animations/content/streakplate.html
72
Anexo 1. A continuación se presenta el registro fotográfico de probetas tipo I.
Tabla 13. Registro fotográfico probetas T1P2-T1P4.
Probeta\Aumento
Medición de fisuras.
Aumento de 0.65X
Aumento de 4X
T1P1
T1P2
T1P3
T1P4
73
Tabla 14. Registro fotográfico probetas T1P5-T1P8.
Probeta\Aumento
Medición de fisuras.
Aumento de 0.65X
Aumento de 4X
T1P5
T1P6
T1P7
T1P8
74
Tabla 15. Registro fotográfico fisuras probetas T1P9-T1P12.
Probeta\Aumento
Medición de fisuras.
Aumento de 0.65X
Aumento de 4X
T1P9
T1P10
T1P11
T1P12
75
Anexo 2.
A continuación se presenta el registro fotográfico de las fisuras en probetas tipo II.
Tabla 16. Registro fotográfico fisuras tipo T2P1-T2P4.
Probeta\Aumento
Medición de fisuras.
Aumento de 0.65X
Aumento de 2X
T2P1
T2P2
T2P3
T2P4
76
Tabla 17. Registro fotográfico fisuras en probetas T2P5-T2P8.
Probeta\Aumento
Medición de fisuras.
Aumento de 0.65X
Aumento de 2X
T2P5
T2P6
T2P7
T2P8
77
Tabla 18. Reporte fotográfico fisuras T2P10-T2P12.
Probeta\Aumento
Medición de fisuras.
Aumento de 0.65X
Aumento de 2X
T2P9
T2P10
T2P11
T2P12
78
Anexo 3.
A continuación se presenta una tabla que permite resumir las propiedades tanto geométricas
de las probetas sometidas a ensayos de tracción indirecta, como su resistencia a este tipo de
solicitación:
Tabla 19. Resumen de propiedades de probetas sometidas a tracción indirecta.
Nombre d(m) l(m) tratamiento carga (Ton) carga distribuida(Ton/m)
1c 0,077 0,150 intemperie 3,170 21,188
1s 0,078 0,153 intemperie 3,850 25,080
2c 0,077 0,150 intemperie 3,494 23,267
2s 0,077 0,151 intemperie 4,044 26,780
3c 0,077 0,151 intemperie 3,138 20,765
3s 0,077 0,152 intemperie 3,947 25,975
4c 0,077 0,152 intemperie 4,529 29,780
4s 0,078 0,156 intemperie 3,850 24,749
t1p1 0,076 0,152 LB+bacterias 2,329 15,309
t1p10 0,077 0,147 intemperie 2,653 18,102
t1p11 0,075 0,149 intemperie 2,362 15,868
t1p12 0,077 0,153 agua 3,300 21,528
t1p2 0,076 0,147 LBph9,5 2,329 15,795
t1p3 0,077 0,154 LBph9,5 2,297 14,935
t1p4 0,078 0,156 LB+bacterias 2,782 17,786
t1p5 0,077 0,157 LBph9,5 2,265 14,448
t1p6 0,076 0,153 LB+bacterias 2,653 17,299
t1p7 0,077 0,150 intemperie 2,912 19,376
t1p8 0,078 0,148 agua 2,750 18,532
t1p9 0,078 0,148 agua 2,362 15,957
t2p1 0,078 0,151 LBph9,5 1,682 11,168
t2p10 0,078 0,145 intemperie 2,879 19,795
t2p11 0,077 0,149 agua 1,844 12,373
t2p12 0,076 0,150 intemperie 2,847 18,979
t2p2 0,078 0,151 LB+bacterias 1,941 12,864
t2p3 0,075 0,149 LBph9,5 2,070 13,912
t2p4 0,077 0,147 LB+bacterias 1,779 12,083
t2p5 0,075 0,147 LB+bacterias 1,585 10,810
t2p6 0,077 0,149 LBph9,5 1,909 12,801
t2p7 0,078 0,149 agua 2,491 16,736
t2p8 0,077 0,149 intemperie 3,332 22,425
t2p9 0,077 0,151 agua 2,297 15,243
79
