Cuando se habla de durabilidad y resiliencia en las estructuras de hormigón armado, uno de los factores clave que reduce el ciclo de vida útil del material es el ataque por sulfatos, los cuales están presenten con mayor intensidad en ambientes subterráneos o costeros. Esta reacción química, provocada por la interacción entre sulfatos presentes en el entorno (como suelos, aguas servidas y marinas) y los compuestos la pasta de cemento, genera productos expansivos que fisuran, debilitan y degradan progresivamente las estructuras.

En este contexto, una de las líneas de investigación liderada por el profesor Leonardo Brescia -académico del Departamento de Ingeniería en Obras Civiles de la Universidad de Santiago de Chile (USACH) y miembro asociado del Centro de Innovación del Hormigón UC-, propone profundizar aspectos poco estudiados del hormigón en presencia de bacterias que pueden mejorar su resistencia frente al ataque por sulfatos. El estudio se centra en dos especies específicas: Bacillus subtilis y Bacillus licheniformis, microorganismos reconocidos por su capacidad de sobrevivir en condiciones extremas gracias a su capacidad de esporulación, y que pueden contribuir a la resistencia del hormigón a través de su capacidad precipitadora de calcio y/o sulforeductora.

En esta línea de investigación también participan la investigadora Ángela Plaza-Garrido de la Universidad de Santiago de Chile, Iván Navarrete de la Pontificia Universidad Católica de Chile y Álvaro Paul de la Universidad de los Andes. Dentro de los estudiantes que ha desarrollado sus investigaciones están: José Luis Pizarro-Riffo, Jonathan Gallardo, Daniella Reyes, Camila Vásquez, Victoria Cofré, Nathalie Vásquez, entre otros.

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Bacillus subtilis y Bacillus licheniformis

Estas bacterias fueron evaluadas por su efecto frente al ataque por sulfatos, un fenómeno que puede provocar la expansión, agrietamiento y pérdida de resistencia en materiales cementicios. En esta etapa de la investigación, se analizaron parámetros como la resistencia a compresión, expansión, permeabilidad y los cambios en la microestructura en cuanto a producción de etringita y yeso.

La Bacteria B. Subtilis por un lado, podría impedir de manera indirecta el ingreso de sulfatos a través de su mecanismo de sellado por precipitación de calcio. Por otro lado, la bacteria B. Licheniformis a través de la vía sulforeductora, podría encapsular los sulfatos que ingresan reduciendo la expansión y la pérdida de resistencia.

 

 

Bacterias como aliadas del hormigón

La idea de utilizar bacterias en materiales cementicios no es completamente nueva, pero hasta ahora había sido explorada mayoritariamente desde sus mejoras en resistencia y reducción de la permeabilidad a través de la autorreparación del hormigón o self-healing: es decir, como una herramienta para sellar microfisuras. Sin embargo, este proyecto avanza en una dirección distinta, evaluando si la acción biológica de estas bacterias puede tener un efecto protector cuando el material se enfrenta al ataque por sulfatos externos.

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En palabras simples, si se reduce la porosidad del material desde su fabricación, se disminuye también la velocidad de ingreso de los agentes agresivos y, por lo tanto, se mejora su durabilidad. A esto se suma que los cristales de carbonato de calcio formados por las bacterias pueden modificar la microestructura del material, sellando vacíos y reforzando la matriz cementicia.

Dentro de los tipos de ataques por sulfatos, podemos mencionar tres:

• Ataque interno provocado por una alta tasa de sulfatos al interior del hormigón.
• Alta temperatura durante el proceso de curado del hormigón generando etringita retardada.
• Ataque de sulfatos externos que reaccionan con la microestructura de la pasta de cemento hidratada.

A nivel industrial, los ataques internos y de temperatura están dentro de las amenazas que se han podido controlar y prevenir. Sin embargo, el ataque por sulfatos externos suele ser la mayor preocupación.

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Ensayos en laboratorio: mezclas con y sin bacterias

El estudio, financiado a través del FONDECYT de iniciación 11230173, incluyó la elaboración de pastas de cemento y morteros con diferentes proporciones de bacterias incorporadas. Posteriormente, las muestras fueron expuestas a distintas condiciones de curado, incluyendo una solución de sulfato de sodio (Na₂SO₄), un tipo de sal altamente soluble, lo que resulta útil para estudios de laboratorio.

Los resultados han sido alentadores. En comparación con las muestras de control, aquellas con incorporación bacteriana mostraron una menor expansión volumétrica y menor pérdida de resistencia a compresión, principalmente por la incorporación de la bacteria B. Licheniformis. En cuanto a permeabilidad medida por resistividad superficial, se observaron leves mejoras en pastas de resistencia media, mientras que en una relación de 0,3 se observó un rendimiento levemente inferior en comparación al grupo de control. Sin embargo, cuando se compara resistencia y expansión por sulfatos, se observaron mejoras significativas en hormigones de resistencia media. Principalmente por el espacio de mejora y la relación de permeabilidad de estas. Igualmente, uno de los descubrimientos más significativos del trabajo de Camila Vázquez, es que las bacterias logran efectos significativos bajo curados cortos, logrando un mejor desempeño. Adicionalmente, el trabajo permitió estudiar los efectos de estas bacterias sobre yeso puro (fuente de sulfatos en el cemento), el cual también presentó mejoras significativas en su resistencia y permeabilidad. De esta forma, no solo podrían mejorar el desempeño del hormigón, sino también de otros materiales de construcción.

En términos generales, se ha observado que la Bacteria licheniformis se proyecta como una bacteria que mejora el desempeño frente al ataque por sulfatos, especialmente frente a la expansión, a diferencia de la Bacteria subtilis.

 

Un enfoque preventivo en el hormigón

A diferencia de los tratamientos superficiales o las barreras físicas, esta solución se incorpora directamente en la mezcla, lo que permite actuar desde el interior del material. Por eso, su aplicación como estrategia preventiva es especialmente atractiva para zonas con alta exposición a sulfatos, como zonas costeras, faenas mineras o plantas de tratamiento de aguas servidas.

 

 

Desafíos hacia su implementación

El proyecto cuenta con gran potencial de aplicación en la industria, principalmente porque ambas bacterias utilizadas en esta investigación están biodisponibles. Su aplicación y proliferación se mantiene dentro de los rangos de bajo costo, por lo que se podría convertir en una apropiada solución para extender la vida útil de las estructuras ante ataques externos por sulfatos. Sin embargo, el camino hacia la implementación industrial de estas soluciones aún presenta desafíos.

Uno de los principales desafíos es asegurar la viabilidad de las bacterias en el tiempo y en diferentes condiciones de fabricación. También se requiere desarrollar normativas que permitan estandarizar su uso, definir rangos de dosificación, y compatibilizarlas con otros componentes o aditivos.

La clave está en poder escalar esta tecnología a través de pruebas a escala industrial que considere la colaboración de la academia, sector público y privado para poder incorporar estos avances en la forma que se está construyendo y desarrollando ingeniería en Chile.

Finalmente, para un país cuyo territorio es extenso, la diversidad de climas y geografía conlleva a la exposición de diferentes agentes agresivos, lo que implica contar con alternativas que den solución a cada uno de ellos.