CEMIE-OCÉANO

Luis Emilio Rendon Díaz Mirón y Samantha Kerberina Rendón Lara

Universidad Internacional de Cuernavaca (UNINTER)

Solución y Gestión Regulatoria Especializada S. de R.L. de C.V

RESUMEN

En la actualidad no se conoce material alguno que permanezca completamente inerte al intemperismo, los cambios químicos, bioquímicos, y que sea inmune al deterioro físico.

El concreto no es la excepción, pero bajo lo que pueden considerarse condiciones normales de trabajo tiene una larga vida; el concreto hecho por los romanos antiguos a partir de cementantes naturales sigue hoy en excelentes condiciones. Tomando esto como ejemplo en la actualidad se desea que los concretos modernos sean más resistentes al intemperismo o proceso de meteorización; descomposición de minerales y rocas que ocurre sobre o cerca de la superficie terrestre cuando estos materiales entran en contacto con la atmósfera, hidrosfera y la biosfera bajo el efecto de ciertas bacterias.

INTRODUCCIÓN

El ejemplo más preclaro del biodeterioro del concreto es el estropicio que se presenta en los sistemas de drenaje hidráulicos:

Una explicación sobre simplificada del fenómeno reza como sigue: [Martínez, 2007]

“El agua de drenaje suele contener sustancias ácidas, salinas o muy corrosivas que penetran en las grietas o micro-grietas que suelen darse en el concreto. Al penetrar la humedad acidificada y hacer contacto con el acero se reduce la alcalinidad del concreto, dejando al acero desprotegido y se inicia la oxidación. Al oxidarse el hierro se expande porque los óxidos de hierro son mucho más voluminosos que el hierro. Las fuerzas expansivas de los óxidos de hierro aumentan notablemente el tamaño de las grietas en el concreto, y en consecuencia la penetración del agua de drenaje se facilita más. Se produce entonces un proceso muy grave que lleva al desmoronamiento del concreto reforzado con acero. Se ha encontrado que la parte superior del entubado es la zona más vulnerable del drenaje profundo, debido a que muchos de los agentes ácidos del drenaje tienden a evaporarse y condensarse en la parte interna superior del entubado. Las evidencias reportadas del daño estructural del drenaje profundo son los trozos de concreto desprendidos por el efecto expansivo de la corrosión de las barras de refuerzo principalmente en la parte superior del drenaje profundo. Las barras de refuerzo que quedan expuestas al agua se van disolviendo y acaban con la integridad de la estructura”.

Esta explicación tendría que ser más amplia, pues no dice qué sucede cuando el concreto no está reforzado con varillas de fierro. Por mucho tiempo el biodeterioro del concreto en los sistemas de drenaje se explicó como una reacción química del concreto con los sulfatos. Los expertos en cemento y concreto hablan del cemento resistente a los sulfatos. Existe una gran variedad de sulfatos en las aguas residuales; uno que está siempre presente en ellas es el sulfato de calcio, que es parcialmente soluble. La reacción de este sulfato con el aluminato de calcio hidratado del cemento forma ettringita, un sulfo-aluminato de calcio que se expande al hidratarse provocando el desmoronamiento del concreto. Pero se requiere una gran cantidad de sulfatos solubles para producir este efecto, lo cual no es muy frecuente. Además, en el proceso de deterioro del concreto en los drenajes hay desprendimiento de sulfuro de hidrógeno y presencia de azufre elemental, de manera que se necesita algo más que una reacción entre el aluminato de calcio hidratado y los sulfatos para explicar el deterioro de los sistemas de drenaje de concreto; se trata entonces de un fenómeno que es más complejo.

¿Es el deterioro del concreto un ataque químico directo?

¿Hay en el agua del drenaje sustancias ácidas, salinas o muy corrosivas suficientes para provocar un ataque químico directo? Esta pregunta nos lleva a otra explicación muy popular del deterioro del concreto. Las industrias descargan ácidos y sustancias corrosivas en grandes cantidades, las cuales corroen directamente la superficie del concreto. Como señala Lorenzo Martínez en su artículo, los “agentes ácidos en el agua del drenaje tienden a evaporarse y condensarse en la parte interna superior del entubado”, lo que deteriora la corona interior de los tubos. No obstante, por alarmante que sea, esta situación no es muy común, o al menos no tan común como el deterioro de los sistemas de drenaje de concreto, por esta razón hay que buscar otra explicación.

Deterioro microbiológicamente inducido

La Agencia para la Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA, por sus siglas en inglés) ha reconocido el fenómeno que denominó corrosión microbiológicamente inducida del concreto. Esto significa que existen bacterias que disuelven el concreto de la infraestructura hidráulica para agua residual. Son bacterias que generalmente forman una película gelatinosa que se pega en la parte seca de los tubos de drenaje, la llamada corona interior, y generan ácido sulfúrico que disuelve el concreto. Para que esto ocurra, se necesita una porción seca del tubo de manera que las reacciones bioquímicas de generación de ácido sulfúrico se lleven a cabo de una manera protegida y así no se lave ni disuelva el ácido sulfúrico biogenerado.

El mecanismo del biodeterioro

En el fondo de los tubos de drenaje, donde se encuentran residuos sólidos (azolve) sumergidos en un agua residual con una mínima cantidad de oxígeno disuelto, es posible encontrar sulfatos. En este ambiente anaerobio las bacterias reductoras de sulfatos (BRS), como la del género Desulfovibrio, reducen estas sustancias y producen sulfuros (sulfuro de hidrogeno, figura 1).

Figura 1. Ilustración del mecanismo del biodeterioro, (1) Tubo de concreto (2) torrente de agua residual (3) bio-película con bacterias anaerobias reductoras de sulfatos, (4) atmósfera interna saturada de H₂S que se desprende del torrente y (5) bio-película con bacterias oxidantes de azufre (BOA).

Los sulfuros generados se disuelven parcialmente en el torrente y se desprenden de éste por la turbulencia; entonces se difunden en la atmósfera interior del tubo de albañal, donde parte de ellos son oxidados a azufre elemental que se deposita en la superficie del tubo y en los respiraderos del drenaje (figura 2).

En la atmósfera interior del tubo el sulfuro de hidrógeno en forma de gas, así como parte del azufre elemental suspendido como polvo muy fino, penetran la bio-película de las bacterias oxidantes de azufre (BOA) en la corona del tubo, en donde son oxidados a ácido sulfúrico; con este ácido biogenerado, las bacterias disuelven el concreto y extraen una nueva cantidad de sulfatos y minerales de azufre.

Figura 2. Pared del pozo de visita cubierta con azufre elemental.

El concreto que se desprende, rico en minerales de azufre y sulfatos, cae al fondo del tubo (figura 3), con lo que provee a las bacterias reductoras de sulfatos (BRS) de nueva materia prima rica en sulfatos para producir más sulfuros.

Figura 3. Corrosión de la corona del tubo, (6) derribos de tubo de concreto que caen al fondo del tubo y enriquecen los azolves con sulfatos.

Es necesario mencionar que el adelgazamiento de la corona del tubo también provoca un debilitamiento estructural.

La figura 4 muestra la imagen de un vídeo tomado en el interior de un drenaje, en ella puede corroborarse que el biodeterioro afecta principalmente a la corona interior del tubo.

Figura 4. Apariencia de los Tubos de concreto cuando son afectados por el biodeterioro.

¿Azufre para tiempos de escasez?

En los pozos de visita de los drenajes es común encontrar azufre elemental depositado (figura 2). Pareciera que los microorganismos guardaran azufre para tiempos de escasez. Este fenómeno, que se origina por la oxidación del sulfuro de hidrógeno a azufre elemental, puede muy bien ser un tipo de simbiosis de bacterias como la Beggiatoa, la Chromatium o la Chlorobium para que toda bacteria que necesite azufre lo use, mostrando así su preferencia por las reservas de azufre sólido insoluble.

Son tres los criterios que normalmente se siguen para diagnosticar el biodeterioro en los drenajes:

a) La medición de un pH ácido en las paredes de los pozos de visita.
b) La detección de bacterias neutrófilos del azufre en los tubos.
c) La presencia de depósitos de azufre elemental en las paredes de los pozos de visita de los drenajes.

La EPA se ha dedicado con ahínco a tratar de determinar el cómo se desarrolla este fenómeno, al caracterizar mediante técnicas genéticas los consorcios bacterianos responsables de la corrosión del concreto, y dilucidando los mecanismos que lo hacen posible. Sin embargo, dado que el concreto es un producto manufacturado la respuesta a esta problemática debe enfocarse en el por qué; así, las preguntas las preguntas obvias son: ¿por qué se corroe el concreto? y ¿qué debemos hacer para mitigar este biodeterioro?

La respuesta a la primera pregunta es que el concreto se corroe porque contiene una importante cantidad de compuestos de azufre. Estos compuestos y los sulfatos se consideran esenciales en la composición del concreto y pueden clasificarse como: sulfato de calcio añadido como coadyuvante del fraguado y minerales de azufre que naturalmente se hallan presentes en las materias primas utilizadas para fabricar el cemento Portland, como arcanita (sulfato de potasio), aftitalita (sulfato doble de potasio y sodio), singenita, langbeinita, thenardita y un sinnúmero de minerales que contienen sulfatos.

En consecuencia, la respuesta a la segunda pregunta, ¿qué debemos hacer para mitigar el deterioro?, es eliminar toda traza de azufre de la composición del concreto. Sin embargo, corregir la composición del cemento Portland y la del concreto no es trivial, sino algo muy complicado por dos razones; la primera, que el fabricante de cemento está convencido de que el azufre es benéfico para el cemento y la segunda, que retirar todo compuesto de azufre de la materia prima puede ser difícil y costoso.

¿Existe un concreto resistente al biodeterioro?

Hasta ahora no se conoce material alguno que permanezca completamente inerte ante los cambios químicos o bioquímicos, y que sea inmune al deterioro físico. El concreto (mezcla de un cemento y agregados pétreos) no es la excepción; bajo lo que pueden considerarse condiciones normales de trabajo, el concreto tiene una larga vida. Hay concreto hecho por los antiguos romanos a partir de cementantes naturales que sigue en excelentes condiciones.

Los principales factores que influyen en la durabilidad del concreto son: su resistencia a la compresión, densidad, absorción, contenido y tipo de cemento (composición del cemento), características de los agregados, alcalinidad total, espesor de la cubierta de concreto sobre el refuerzo y los aditivos. Para lograr el mejor desempeño del cemento Portland, cuando se anticipa la exposición del concreto al deterioro característico de las aguas residuales, usualmente se recomienda utilizar cemento tipo RS, esto es, resistente al ataque de los sulfatos. El concepto de “resistente al ataque de los sulfatos”, referido en la norma oficial NMX-C-414-ONNCCE-1999, especifica: “Se consideran cementos resistentes al ataque de los sulfatos, aquellos que por su comportamiento cumplan con el requisito de expansión limitada de acuerdo con el método de prueba establecido”. Sin embargo, como este cemento también contiene sulfato de calcio y compuestos de azufre, no resiste el biodeterioro.

Motivados por la gran problemática que representa el mantenimiento de los túneles del sistema de drenaje del Distrito Federal, nos abocamos a obtener un cemento y un concreto resistente al biodeterioro. Para ello se formularon varios cementos sin sulfatos ni compuestos de azufre; después de varios años de investigación, el resultado fue una patente ya otorgada con el título # 282541, que puede consultarse en este enlace:

http://www.pymetec.gob.mx/patentex.php?pn_num=MX0008444&pn_clasi=A&pn_fecha=2002-03-12

Esta patente y otra patente (WO 2013191524 a1) ampliada y corregida, [https://www.google.com/patents/wo2013191524a1?cl=es] que se encuentra en proceso de producción y explotación comercial, especifican claramente que para proteger el concreto de una corrosión microbiológicamente inducida, éste se debe formular totalmente sin azufre.

Se recomienda revisar la norma

La norma mexicana NMX-C-414-ONNCCE (2004) para la fabricación del cemento tipo Portland no toma en consideración alguna la variable del biodeterioro ni el mecanismo por el que actúa. Además, recomienda utilizar indistintamente cemento ordinario, cemento puzolánico y cemento compuesto (que la misma norma considera similares en su resistencia al deterioro en aguas residuales), sin tomar en cuenta que el cemento compuesto contiene grandes cantidades de calcita altamente reactiva al ataque del ácido biogénico, por lo que es fácilmente disuelta.

Es interesante notar que cuando la contaminación del agua residual llega al extremo de impedir la proliferación bacteriana, difícilmente hay biodeterioro del concreto. Por el contrario, cuando el agua residual es rica en materia orgánica y además permite la proliferación de consorcios bacterianos, el biodeterioro se presenta en todo su esplendor y parece claro que los compuestos de azufre en el concreto son su principal fuente de energía.

Lecturas recomendadas

Lara-Magaña, M.E., Li-Liu, X. y Rendon-DiazMiron, L.E., La importancia de la composición del cemento portland en la mitigación del biodeterioro en la infraestructura hidráulica de concreto. Ingeniería hidráulica en México, vol. XXIV, núm. 2, pp. 139-146, abril-junio de 2009.

http://repositorio.imta.mx:8080/cenca-repositorio/bitstream/123456789/46/1/216150.pdf

Martínez, Lorenzo (2007), “Drenaje profundo… el factor corrosión”, Crónica, México, 25 de julio. http://www.cronica.com.mx/nota.php?id_nota=313847

Rendon, L.E., M. E. Lara y M. Rendon (2012) “The Importance of Portland cement Composition to Mitigate Sewage Collection Systems Damage”, MRS Proceedings, 1488 http://dx.doi.org/10.1557/opl.2012.1547

Norma mexicana (NMX-C-414-ONNCCE-2004), Organismo Nacional de Normalización y Certificación de la Construcción y Edificación, S. C. (2004), Diario Oficial de la Federación del 27 de julio de 2004.