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INTRODUCCIÓN
Con el incremento esperado de las producciones de cemento a nivel mundial, también se elevan las emisiones de dióxido de carbono. Por ello se requiere de la búsqueda de alternativas que hagan más eficiente el uso de este recurso. En este contexto, uno de los materiales más utilizados en la construcción es el hormigón. 1
En la fabricación de este material, los aditivos químicos son un componente esencial y se incluyen en las normas técnicas como materias primas fundamentales para garantizar el cumplimiento de los requisitos de calidad y durabilidad. Estos compuestos introducidos en el hormigón en una dosis inferior al 5 % del peso del cemento, permiten modificar sus propiedades en una forma susceptible de ser prevista y controlada. Se clasifican como: plastificantes, fluidificantes, colorantes, retardadores/aceleradores de fraguado, incorporadores de aire, entre otros. Estos productos no deben tener efectos negativos en otras propiedades del hormigón y su costo debe justificar su empleo. 2,3
Dentro de los aditivos, los plastificantes tienen gran importancia. Se utilizan tanto en hormigones de altas prestaciones como los autocompactables, como en hormigones de consistencia plástica y seca donde se requiera una resistencia elevada con reducción de agua en la mezcla cementicia. Los aditivos tradicionales a base de lignosulfatos y los superplastificantes (SP) a base de naftaleno y melamina dispersan las partículas de cemento floculadas mediante un mecanismo de repulsión electrostática. Cuando no se adicionan plastificantes las partículas se cemento forman aglomerados y retienen agua en su interior lo cual impacta de manera negativa en la resistencia y durabilidad del hormigón. 2 El efecto de los plastificantes se puede comprobar a través del estudio de las propiedades reológicas de pastas, morteros y hormigones. 4,5
Aunque el uso de aditivos es imprescindible para garantizar una adecuada producción de hormigones, por los volúmenes que se requieren para cubrir la demanda constructiva del país y su alto costo a nivel mundial, aún no se logra cubrir la demanda. Esto implica que en la actualidad se utilicen aditivos solo en los hormigones de resistencias superiores a los 25 MPa, que son aproximadamente el 50 % de los hormigones producidos en el país. El resto, por las razones expuestas, se producen sin aditivos, y esto incrementa el consumo de cemento y compromete la durabilidad del material.
Existen varias referencias internacionales del empleo de microorganismos eficientes (MEF), como aditivos plastificantes en hormigones. Los estudios realizados se limitan a validar las propiedades de hormigones con diferentes dosis de estos productos, sin profundizar en el principio activo del producto MEF, ni en las causas de los impactos beneficiosos observados. 4,6,7 Los productos de la familia MEF tienen la ventaja que utilizan materias primas locales (mieles de azúcar, suero de leche) y cultivos de bacterias también locales. 4,8
Con este antecedente, un equipo multidisciplinario de la Universidad Central Marta Abreu de Las Villas se propuso como objetivo desarrollar un aditivo plastificante de fabricación nacional que cumpliera con los requerimientos para emplearse en hormigón premezclado. 9,10,11 Este artículo presenta los principales hitos de este trabajo de más de 10 años de investigación, que terminó en un producto registrado para su empleo comercial.
MÉTODOS
El trabajo se dividió en varias etapas: a) validación del principio activo de un producto de origen biológico, similar en su fabricación al producto MEF, que contribuye a la mejora de la fluidez de pastas de cemento, b) formulación de un producto comercial a partir del principio activo y empleando diferentes tecnologías de producción, y c) introducción a escala comercial del producto. Las 2 últimas fases se enfocan en una formulación del producto que cumpla con los requisitos de la norma cubana NC 228-1:2005, enfocado hacia morteros y hormigones. La última etapa incluyó una prueba industrial en facilidades productivas en el territorio central, supervisada por la entidad registradora en el país.
La validación del principio activo se realizó empleando un producto que se denominará “MEF” como nombre genérico de microorganismos eficientes (inglés). Este producto consiste en el resultado de productos de la fermentación anaeróbica de un cultivo de microorganismos naturales. El inóculo inicial es una combinación de varias especies de bacilos lácticos, microorganismos fototrópicos y levaduras, cultivados en 2 pasos de fermentación bajo condiciones controladas. Se caracterizaron los microorganismos mediante el sistema de identificación microbiana API (BioMerieux).
El producto MEF fue caracterizado siguiendo las especificaciones de la norma cubana NC 228-1:2005: homogeneidad, color, densidad relativa, sólidos totales, pH, contenidos de cenizas, sustancias insolubles. Se realizaron otros ensayos como: conductividad eléctrica y sólidos totales disueltos (STD). Para ello se utilizaron los siguientes equipos: pH-metro HI2211 y conductímetro HI2300. Adicionalmente se empleó la técnica de espectroscopia de absorción atómica (EAA) con llama aire/acetileno para cuantificar los elementos metálicos presentes en el bioproducto. La cantidad de ácido láctico y acético fue cuantificada usando la técnica de cromatografía líquida de alta resolución (HPLC). Finalmente, el contenido de azúcares reductores se determinó por el método de Lane-Eynon, según la norma cubana NC-712: 2009. La caracterización preliminar de los componentes orgánicos se realizó mediante la separación e identificación (cualitativa) de grupos funcionales. Las técnicas más empleadas para la caracterización estructural de compuestos orgánicos son espectroscopías de: ultravioleta-visible (UV-Vis), infrarroja por transformada de Fourier (FTIR).
La validación del impacto del bioproducto se realizó en pastas, morteros y hormigones, todos producidos con cemento Portland. El estudio en pastas se realizó para una relación agua/cemento constante de 0,40. El bioproducto fue usado en dosis de (2; 3,5 y 5) %. El aporte al flujo, pérdida de la plasticidad en el tiempo y por ciento de reducción de agua se analizó empleando el ensayo del minicono, según lo descrito en la norma cubana NC-235:2013, y la evaluación de las propiedades reológicas empleando un viscosímetro que permite establecer la relación entre el torque (T) y la tensión de ruptura. Se estudió además la consistencia normal y tiempos de fraguado, siguiendo el protocolo de la norma cubana NC-524:2015.
El calor de hidratación de las mismas pastas fue medido usando la técnica de la calorimetría isotérmica, como una medida del impacto del bioproducto sobre la cinética de la hidratación del cemento.
Los estudios en hormigón sirvieron para validar el impacto del producto a escala nano y microestructural. Para esto se empleó la técnica de nano-indentación de las fases hidratadas (C-S-H) en hormigones. Se estudiaron 2 series de hormigón, una producida con un plastificante comercial y otra producida con el producto MEF. La nanoindentación fue realizada con un nanoindentador CSM UNHT en el Laboratorio de Caracterización Químico-Mecánica de la Universidad Laval; a una penetración máxima de 250 nm, y fue mantenida por 600 s con una punta Berkovich para el indentador. La carga y descarga se realizó a un rango de penetración de 50 nm/s. Se comparó la respuesta elástica, dureza y comportamiento visco-elástico a largo plazo de las muestras estudiadas, parámetros que han demostrado correlacionar con macro propiedades en hormigones como la fatiga o la resistencia a compresión. 12
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La caracterización microbiológica del producto MEF detectó la presencia de levaduras y bacterias que crecieron de forma sinérgica. Algunas de las especies identificadas fueron Lactobacillus collinoides, Lactobacillus paracasei sub. paracasei, Lactobacillus acidophilus, Lactobacillus buchneri, Bacillus spp. (B. circulans, B. licheniformis, B. pumilus, B. subtilis), Paenibacillus spp. (P. polymyxa) y Brevibacillus spp. Las levaduras incluyen especies que pertenecen a Candida y Saccharomyces entre otros. 13) En el producto final el crecimiento microbiano se inhibe por el pH bajo.
El bioproducto cumple con los requisitos de la norma cubana NC 228-1:2005. Aunque tiene un pH ácido, estudios realizados en hormigones reales a los que se mide el pH de la solución de poros demuestran que el pH de esta no cambia en las dosificaciones empleadas (hasta un 5 % del peso de cemento). (9 El bioproducto tiene bajo contenido de sólidos totales, de ahí las dosis relativamente altas en su empleo. Esto está relacionado con la tecnología de producción empleada. El espectro infrarrojo del bioproducto presenta las bandas asignadas a los grupos funcionales orgánicos presentes, que son los principales responsables de la repulsión que se produce cuando el ácido láctico y acético es adsorbido en la superficie de los granos de cemento y cambia su carga eléctrica. 7,9,10,13 Este mecanismo explica el efecto dispersante del producto.
Los ensayos de pastas de cemento en el minicono demostraron que el bioproducto contribuyó a disminuir el contenido del agua de amasado desde (7,61-11,51) % en las pastas de cemento a las dosis ensayadas, por lo que se puede clasificar como un aditivo tipo plastificante. Además, se observan efectos de retardo sobre los tiempos de fraguado (tanto iniciales como finales) en los resultados del ensayo de la aguja de Vicat, y a medida que se incrementan las dosis de adición del bioproducto, estos son mayores. 11,14
Los estudios de reometría realizados evidencian la reducción de la tensión de ruptura (figura 1), en comparación con la pasta sin aditivo. La baja concentración de este producto (2,32 % sólidos totales) impide llegar a resultados similares a los de productos comerciales, con 22,1 % de sólidos totales. Los tiempos de flujo de pastas de cemento medidos a través del ensayo del cono Marsh muestran el efecto del bioproducto sobre la viscosidad y a la tensión de fluencia del sistema.
Los efectos presentados son producto del efecto dispersante del producto MEF sobre las partículas de cemento a las dosis evaluadas, es decir, con su utilización se contribuye a evitar la floculación de los granos de cemento. 9,11 Estos efectos beneficiosos deben a la presencia de ácidos carboxílicos. 3,11,15
El ensayo de calorimetría isotérmica confirmó que la presencia del bioproducto modifica la cinética de hidratación de pastas de cemento Portland. En este caso el efecto consiste en una ampliación de los picos de hidratación y la aparición de un “hombro” que se corresponde con la hidratación de la fase alumínica, efecto que también se ve en productos comerciales (figura 2). 9,11,13
Los ensayos de nano-indentación confirman que la adición del producto MEF al hormigón aumenta la resistencia de los productos hidratados (C-S-H), a través de mejorar la cohesión y fricción de los nano-granos; disminuye el rango absoluto de relajación a largo plazo, e inhibe la precipitación de C-S-H de densidad más alta; esta última basada solamente en consideraciones mecánicas, por lo que se espera un impacto sobre macro propiedades como la resistencia a compresión. 12
Se han desarrollado varios productos comerciales. El primer producto, MEF32, fue desechado debido al bajo contenido de sólidos totales, relacionado con el proceso productivo de doble fermentación. Los costos de producción del producto fueron altos, ya que usaba productos de importación. Las altas dosis necesarias para lograr un impacto sobre el hormigón estaban por encima de lo permitido por la norma NC 228-1:2005. Por tanto, se descartó esta opción, aunque se produjeron 20 mil litros, que fueron empleados en la fabricación de más de 400 m3 de hormigón.
La modificación del proceso productivo a una sola fase de fermentación permitió el registro del producto CBQ-VTC, producido en el Centro de Bioactivos Químicos de la UCLV. Este producto recibió su certificado de idoneidad DITEC en diciembre de 2019.16 Entre sus principales propiedades está: a) cumple con los requisitos de la norma NC 271, b) la dosis recomendada es el 3%-4 % del peso de cemento, c) demuestra un notable incremento de la plasticidad en pastas de cemento, d) reduce entre un 13 %-15 % de agua en los hormigones, e) incrementa la resistencia entre un 5 %-10 %, para dosis entre 3 %-4 % del peso de cemento, y f) reduce 25 kg/m3 -28 kg/m3 de cemento por m3 de hormigón.
Conclusiones
Se ha demostrado la posibilidad de producir un producto plastificante moderado a partir de la fermentación de productos naturales. Este producto, que ha sido registrado en su formulación correspondiente al CBQ-VTC® es el primer aditivo plastificante de origen microbiano para hormigones que se registra en Cuba. Cumple con los requisitos de las normas cubanas y permite una reducción de un 13 %-15 % del agua en hormigones, y un incremento de un 5 %-10 % de la resistencia en todas las edades. Se ratifica en la investigación científica las causas de ambos efectos.
