Bioreceptivity optimisation of concrete substratum to stimulate biological colonisation

Abstract

The lack of green areas in cities is caused by the increase in population and the urbanisation process. However, an increasing interest in city greenery was observed since the beginning of twentieth century. Several benefits are associated with green areas from a social, economic and ecologic point of view. Consequently, the solution to increase the urban green spaces lies in their inclusion on structures¿ surfaces. In that sense, a number of different technologies were developed which can be grouped into green walls and green roofs. Unfortunately, existing systems for both green walls and green roofs present several disadvantages in terms of installation and maintenance costs, low level of integration with the structure, extra loads, limitations in their use in rehabilitation projects, and others. The general objective of this dissertation is to provide a first approach to the possibility of using a structure surface as biological substratum. This was treated considering two different research lines. The first research line includes the modification of the chemical and physical properties of the cementitious material, which will be used as substratum. Then, the second issue is the evaluation of materials¿ bioreceptivity under both laboratory and environmental conditions. Regarding the material, chemical properties were firstly studied. pH was taken as a priority from the diversity of involved chemical properties. In that sense, two different ways to obtain a low pH cementitious material were studied. First, it was attempted to reduce the pH of the most common hydraulic binder, Ordinary Portland Cement (OPC). Then, the characterisation of Magnesium Phosphate Cement (MPC) as a hydraulic binder of naturally low pH was carried out. Insufficient reduction in the pH of OPC was obtained and properties such as flexural and compressive strength were highly affected. In contrast, positive results were obtained regarding the use of MPC as hydraulic binder for the specific purpose to be used as a biological substratum. Regarding the physical properties, porosity and roughness were the main properties considered. For that purpose, modifications were made to the composition of different samples, by means of modifying the hydraulic binder, granular skeleton, the water to cement ratio and the amount of cement paste. The methodology used for the estimation of the optimal cement paste content worked well for OPC specimens although MPC responded differently. The characterisation of the twenty-three initial materials¿ bioreceptivities provided significantly different results. Consequently, six different mix designs were selected to be exposed to colonisation. Afterwards, the evaluation of the materials¿ bioreceptivity in terms of colonisation was studied under both laboratory and environmental conditions. Regarding the experimental program under laboratory conditions, an accelerated laboratory test was carried out to evaluate the behavior of different specimens when they were exposed to colonization. Magnesium Phosphate Cement specimens obtained better results than OPC mortars for algal colonisation under those particular conditions. Finally, specimens were also evaluated under environmental conditions, since these may significantly differ from laboratory conditions. Furthermore, two different inclinations and three different locations were studied. Significant differences were observed between inclinations (horizontal and vertical) and between locations with different contamination levels (Barcelona city, Natural Park of Montseny and Ghent city). Better results were obtained with horizontal specimens in terms of predominant genus diversity as well as quantitative level of colonisation. Moreover, specimens located in urban areas (Barcelona city) showed also better results. However, the environmental experimental programs should be continued over a longer time span to reach more conclusive results.

La ausencia de espacios verdes en las ciudades es consecuencia del constante incremento poblacional y el proceso de urbanización. Sin embargo, existe un interés social creciente en aumentarlos desde inicios del siglo XX. Los beneficios asociados pueden englobarse en tres niveles: social, económico y ecológico. Por ello, la incorporación de elementos vegetales en los edificios se ha visto, principalmente, como una alternativa en aquellas ciudades con escasez de espacios disponibles para la construcción de áreas verdes. En este sentido, diversos sistemas han sido desarrollados tanto a nivel de fachadas como de cubiertas vegetales. Desafortunadamente, los sistemas existentes presentan diversos inconvenientes, los cuales se refieren a los costes de instalación y mantenimiento, a la baja integración entre los elementos naturales y la estructura, la carga adicional que conlleva y, en algunos casos, la limitación en su uso, entre otros. El objetivo general de la presente tesis es demostrar que es posible utilizar el propio material cementicio como soporte biológico, para lo cual se han considerado dos líneas principales: modificar de forma controlada el material cementicio en base a sus propiedades químicas y físicas y, evaluar la bioreceptividad del soporte en muestras colonizadas. En lo referente al material, primero se abordaron las propiedades químicas, fijándose como prioritario reducir el pH, para lo cual se abordaron dos vías: incorporación de ácidos en morteros en base a cemento Portland y, empleo de cementos en base a fosfato de magnesio. Las reducciones de pH alcanzadas para el cemento Portland no fueron significativas y sí, en cambio, la afectación a nivel de resistencias fue elevada. Por contra, los resultados obtenidos para el cemento en base a fosfato de magnesio fueron positivos, sin efectos secundarios. Respecto a las propiedades físicas, se han considerado la porosidad y la rugosidad. Para la modificación controlada de estas propiedades se realizaron cambios entre dosificaciones en cuanto al tipo de cemento, al esqueleto granular, a la relación agua-cemento y a la cantidad de pasta de cemento. La metodología usada para la estimación de la cantidad de pasta de cemento funcionó correctamente para el mortero de cemento Portland. Sin embargo, el mortero en base a cemento de fosfato de magnesio presentó particularidades que hicieron cambiar los criterios de selección. Veintitrés tipos de mortero de diferente bioreceptividad fueron caracterizados y los resultados obtenidos permitieron reducir dicho número a seis, los cuales fueron expuestos a colonización. En el proceso de evaluación del crecimiento biológico, las muestras fueron expuestas tanto a condiciones controladas de laboratorio, mediante un ensayo acelerado, como a condiciones ambientales, habiéndose obtenido los mejores resultados para las muestras en base al cemento de fosfato de magnesio. Finalmente, las muestras fueron expuestas a colonización ambiental, ya que los resultados podrían diferir considerablemente. Además de evaluarse los diferentes grados de bioreceptividad de las muestras entre sí, también se evaluó la influencia de la inclinación (horizontal y vertical) así como de la localización comparando tres emplazamientos (Barcelona ciudad, parque natural del Montseny y Gante ciudad). Diferencias significativas fueron observadas entre muestras con diferente inclinación así como entre las localizaciones con diferente grado de contaminación ambiental. Las muestras horizontales presentaron mejores resultados a nivel de diversidad y cuantificación. Y, además, las muestras colocadas en zonas urbanas obtuvieron mejores resultados que aquellas en emplazadas en una zona no contaminada. Sin embargo, los resultados muestran la necesidad de más investigación en condiciones ambientales así como por periodos más prolongados