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Recepción: 31 Diciembre 2018
Aprobación: 20 Febrero 2019
Resumen:
Es indiscutible que el desarrollo de los países está ligado directamente con el avance de su infraestructura, las grandes construcciones son distintivos de sociedades fuertes. Sin embargo, este gran crecimiento va acompañado de consumo de materiales y energía, mismos que para su producción generan un gran volumen de residuos que provoca un impacto negativo al medioambiente. En este documento se presenta una alternativa para el uso de residuos en morteros, específicamente se experimentó con mezclas que incluyen polvo de mármol, cáscara de nuez y mucílago de nopal, evaluando su comportamiento en estado fresco y endurecido. El objetivo principal fue obtener una mezcla que cumpla con los parámetros establecidos para este tipo de materiales y mejorar las características con respecto a las mezclas de mortero tradicional.
Se confeccionaron varias mezclas utilizando el polvo de mármol, la cáscara de nuez y el mucílago de nopal como sustitutos y/o como aditivo en diferentes porcentajes. Como parte de la experimentación, se desarrollaron cuatro etapas con resultados significativos en cada una de ellas, dando como resultado la factibilidad del uso del polvo de mármol y el mucílago de nopal en morteros.
Abstract:
It is indisputable that the development of the countries is directly linked to the progress of their infrastructure, the great constructions are distinctive of strong societies. However, this great growth is accompanied by the consumption of materials and energy, which for their production generate a large volume of waste that causes a negative impact on the environment. This document presents an alternative for the use of waste in mortars, specifically experimenting with mixtures that include marble dust, walnut shell and cactus mucilage, evaluating their behavior in a fresh and hardened state. The main objective was to obtain a mixture that meets the parameters established for this type of materials and improve the characteristics with respect to traditional mortar mixtures.
Several mixtures were made using the marble powder, the walnut shell and the cactus mucilage as substitutes and / or as an additive in different percentages. As part of the experimentation, four stages were developed with significant results in each of them, resulting in the feasibility of using marble powder and cactus mucilage in mortars.
Introducción.
El incremento de grandes obras en la industria de la construcción para ampliar el inventario de la infraestructura de los países y su desarrollo, genera una gran demanda de materiales para elaborar dichas construcciones, tal es el caso del concreto y los agregados, por mencionar algunos. Esta situación, ha provocado que la sociedad civil y de investigación haya puesto su atención en el reciclado de los residuos de las diversas industrias, con el objetivo de disminuir el impacto ambiental que provoca a los ecosistemas y a la sociedad. El poder incluir materiales que son desechados en suministros para la construcción, sustituyendo los recursos explotados y procesados, permitirá que el ciclo de vida de los materiales sea menos dañinos y con menor huella ecológica.
La sobre población, el estilo de vida y las nuevas tecnologías, son factores que han impactado la vida cotidiana al tener que utilizar distintos tipos de materia prima para transformar el entorno y de esta manera satisfacer ciertas necesidades humanas. Sin embargo, después de hacer su función o durante el proceso de manufactura (como en el caso del cemento), se convierten en residuos contaminantes.
Por ejemplo en el proceso para la obtención del cemento, el principal componente que es el clínker, se produce a partir de calizas y de arcillas, que se muelen, homogeneizan y se introducen en un horno, donde se llevan a una temperatura de 1 500°C; este proceso, entre otros necesarios para elaborar el cemento, generan una tonelada de dióxido de carbono (CO2) por cada tonelada de cemento que se produce (BBC 2008).
En la actualidad, las nuevas tendencias de los concretos se centran en la búsqueda de materiales con menos emisiones de CO2 y gases efecto invernadero, en materiales de alto desempeño, con cero costos de mantenimiento y larga vida útil, dónde se fomente el uso de los desechos industriales y de la agricultura. Se requiere trabajar con materiales que sean sustentables y durables.
En los últimos años, la reducción de las emisiones de CO2 ha sido de suma importancia para industrias y gobiernos que buscan regular y revertir estas emisiones, identificando y evaluando los efectos positivos de limitar las emisiones. En general, es notable el incremento de la producción de cemento que han experimentado los países del tercer mundo en las últimas décadas. La producción global para el año 2005 se situó en 2,272 millones de toneladas, esto denota un elevado y sostenido crecimiento que se acompaña con un incremento en el impacto que se genera sobre el medio ambiente por las emisiones de CO2 (Arreola-Sánchez, 2013).
Residuos de cáscara de nuez.
El cultivo de nuez en México es una actividad de amplio crecimiento, sobre todo en estados del norte debido a la amplia adaptación climática y edafológica, así como las condiciones de mercado y atractiva rentabilidad que presenta, al canalizarse a Estados Unidos de América. El estado de Coahuila colindante con aquel país cuenta con 13 mil hectáreas con el cultivo distribuido en toda la entidad. Estados unidos y México representan el 95% de la aportación mundial de nuez (Johnson, 1997).
En lo que respecta a la comercialización solo el 7% es ya descascarada en su propia quebradora, los productores del norte del estado tienen forma de comercializar más avanzada que los de la Comarca Lagunera debido a que en este lugar existen productores de tipo ejidal que son los que comercializan sin agregar valor a su producto (Orona et al, 2013), se considera un 54% de rendimiento de la almendra, lo cual representa 175 toneladas de cáscara de nuez al año en el estado de Coahuila.
Residuos de mármol
Los mármoles son rocas capaces de admitir el pulido, al igual que el granito, son rocas sedimentarias carbonatadas (calizas) que por un proceso de metamorfismo han alcanzado un alto grado de cristalización. En México no está incluida en la ley manera como concesible su extracción, está exenta de pago por derechos mineros a nivel federal y es propiedad del dueño del terreno siempre que su extracción sea por tajo o cantera. La Laguna se encuentra dentro de las principales zonas productivas de México, debido a esto, se generan grandes depósitos de residuos de mármol, los cuales representan una fuente de contaminación ambiental y visual. La Laguna está ubicada a 1200 msnm, en la parte norte-centro de México entre los meridianos 102°22’ y 104°47’ longitud oeste y los paralelos 24°22’ y 26°23’ latitud norte (INEGI 2018)
Mucílago de nopal
México ocupa el primer lugar a nivel mundial como productor de nopal verdura con un consumo per cápita de 6.4 kg por año (SAGARPA, 2011).
Las bondades del nopal permiten tenerlo en estado natural en regiones áridas y semidesérticas. México cuenta con una superficie cultivada con nopal verdura de 12,645 hectáreas, con un rendimiento promedio de 64 toneladas por hectárea y con un costo rural de 1,724 pesos por tonelada (SIAP, 2011).
Los nopales son plantas arbustivas, rastreras o erectas, que pueden alcanzar de 3 a 5 m de altura. El sistema radical es muy extenso, densamente ramificado, rico en raíces finas absorbentes y superficiales en zonas áridas de escasa pluviometría. La longitud de las raíces está en relación con las condiciones hídricas y con el manejo cultural, especialmente el riego y la fertilización. La planta del nopal se distribuye en América, siendo México el país con mayor abundancia de especies por lo que se puede considerar como centro de origen y diversidad de esta especie. A partir de la conquista, las mejores variedades fueron llevadas por los conquistadores a Sudamérica y al resto del mundo. Actualmente, las plantas del género Opuntia son nativas de varios ambientes, desde zonas áridas al nivel del mar hasta territorios de gran altura como los Andes del Perú, desde regiones tropicales de México donde las temperaturas están siempre por encima de los 5 ˚C a áreas de Canadá que en el invierno llegan a –40 ˚C (De León, 2012).
Estudios relacionados.
En la investigación de Cabrera-Covarrubias, (2017) realizaron ensayos para conocer las propiedades en estado fresco (consistencia, densidad y contenido de aire) de morteros que contienen diferentes porcentajes de áridos naturales y otros con áridos de concreto reciclado (10, 20, 30, 50 y 100 %) a diferentes relaciones de cemento/arena (1:3.25, 1:4 y 1:4.74). Los resultados obtenidos muestran que los morteros con áridos reciclados reportan menor densidad, necesitan mayor cantidad de agua para lograr la consistencia requerida y presentan mayor contenido de aire que los morteros con áridos naturales. El incremento en el porcentaje de reemplazo de residuos de construcción y demolición por áridos naturales provoca mayor demanda de agua para alcanzar la consistencia normalizada, siendo más notorio para reemplazos del 100 %.
En La Habana Cuba se evaluó el comportamiento de áridos reciclados procedentes de residuos de concreto, uno obtenido mediante la trituración de la parte gruesa del residuo y otro utilizando la parte fina. Con los dos áridos reciclados se elaboraron morteros de albañilería según las especificaciones de la norma cubana. A los morteros se les determinaron las siguientes propiedades: retención de agua, resistencia a flexión, resistencia a compresión, adherencia y absorción de agua por capilaridad. Las propiedades de los morteros se compararon con las de un mortero patrón fabricado con un árido natural y con los valores establecidos por la norma cubana. Los resultados muestran que los morteros elaborados a partir de la fracción gruesa de los residuos presentan mejores prestaciones mecánicas cumpliendo los estándares de la norma cubana, Martínez (2012).
Como lo muestra Vegas (2009) en su investigación, los morteros de albañilería base cemento pueden incorporar un 25% como máximo de árido reciclado, sin evidenciar pérdidas significativas de prestaciones mecánicas, trabajabilidad y retracción.
Los resultados obtenidos en los ensayos realizados al mortero con aditivo de arena reciclada y al mortero comercial con arena natural, evidencian que no hay diferencias significativas en cuanto a las prestaciones analizadas. La mayor diferencia se relaciona con la absorción de agua, que resulta de importancia en el caso de utilización en exteriores de estos morteros. Incluso las resistencias mecánicas del mortero con arena reciclada son algo superiores al mortero de referencia.
Pérez (2015) señala que la adición del mucílago de nopal a un mortero inyectable de cal aumenta su fluidez y sus propiedades mecánicas se ven favorecidas por la interacción de la mezcla de estos materiales. Las pruebas realizadas indican que el mucílago de nopal modifica positivamente las características de los morteros de cal con cargas de arena y polvo de mármol, haciendo la mezcla más plástica sin necesidad de añadir agua. Al fraguar, las muestras presentan mayor dureza y elasticidad, sin alterar la permeabilidad. Estos resultados se relacionan de manera estrecha con las proporciones manejadas. Los resultados al utilizar cargas de ladrillo no son tan satisfactorios, ya que aparentemente se alteran las propiedades de cohesión. Es importante tomar en cuenta que la adición de mucílago debe ser selectiva, de acuerdo con las cargas que se utilizan, pues no actúa de la misma manera con todos los materiales.
Otras investigaciones indican que el mucílago de nopal mejora las características físicas de las pastas de cemento y morteros, disminuye la permeabilidad y aumenta la resistencia a la compresión (Chandra et al. 1998).
Ramírez - Arellanes (2008) encontraron que el mucílago en concretos, reduce la absorción capilar y también los coeficientes de difusión de cloruros en relaciones A/C de 0.3 y 0.45. La extracción del mucílago de nopal fue por medio de escaldado, molienda y maceración para finalmente filtrarlo y obtener la solución de mucílago de nopal. Se utilizó agua destilada para la preparación de la solución de mucílago de nopal y las distintas mezclas de concreto y pastas de cemento.
Es importante señalar que la resistencia en mezclas como el mortero depende de muchos factores que van desde los tipos y calidad de materiales, hasta la forma de elaborarlo, curarlo y colocarlo. De manera empírica se sabe que mejora su resistencia al emplear un conglomerante de mayor resistencia y al aumentar la proporción de arena. Sin embargo la relación agua/cemento no se considera usualmente, ya que la adición de agua se realiza hasta tener una consistencia adecuada para la persona que lo aplica. (Vázquez, 2012).
Metodología y materiales.
Se realizaron pruebas a los agregados (polvo y arena) para conocer sus características físicas como lo son: peso volumétrico, densidad, granulometría, % de humedad, absorción.
Los materiales que se utilizaron para realizar los especímenes de la presente investigación fueron obtenidos de la región conocida como la Laguna ubicada en el norte del país (México). A continuación se mencionan dichos materiales:
• Polvo de mármol (residuos) producto de corte y pulido de placas del mismo material, de la empresa “Mármoles Parra”, ubicada en Ciudad Lerdo, Durango.
• Mucílago de nopal (Opuntia ficus-indica) de la región.
• Arena de río.
• Cemento portland CPC R30
• Agua potable.
El mucílago de nopal, se obtuvo por el método de reposo y filtrado, es decir, se cortó el nopal en trozos de aproximadamente 1 cm cuadrado y se dejó reposar durante 24 horas, posteriormente se realizó el colado para eliminar partículas sólidas.
Una vez caracterizados los materiales a utilizar, se desarrollaron cuatro etapas experimentales: una primer etapa que se le denominó etapa exploratoria 1, las mezclas se elaboraron con una dosificación de: una parte de cemento y 2.75 de agregado fino (1:2.75); se continuó con la etapa exploratoria 2, con la misma dosificación, posteriormente se desarrollaron las etapas experimental 1 y experimental 2, con dosificación base de una parte de cemento por tres partes de agregado fino (1:3).
En las etapas exploratorias y la experimental 1, los especímenes elaborados fueron cilindros de 7.5 cm de diámetro por 15 cm de altura; en la etapa experimental se elaboraron cubos de 5x5 cm para su ensaye a compresión con base en la norma mexicana NMX-C-061-ONNCCE. Ver figura 1.
Fig1
Fig1.- Especímenes de experimentación.
a).- Cilindros en molde, etapa 1, b).- Cilindros desmoldados, etapa 2, c).- Elaboración de cubos, etapa 3, d).- Cubos y mezcla, etapa 4
Para la etapa exploratoria 1, se elaboraron 7 mezclas: MC que es la mezcla de control, y las mezclas M1M6, con un porcentaje de sustitución de cemento y arena por: mucílago de nopal, cáscara de nuez y polvo de mármol, (ver Tabla1).
Dosificación de mezclas 1ª etapa exploratoria
En segunda etapa de exploración se realizaron cuatro mezclas (ver Tabla 2), con base en los resultados obtenidos de las pruebas exploratorias, se utilizó como referencia las mezclas que mostraron mayor resistencia a la compresión.
Dosificación de mezclas 2ª etapa exploratoria.
Posteriormente, en la tercera etapa a la que se le denominó etapa experimental 1, se realizaron once mezclas variando principalmente el % de mucílago de nopal y el de polvo de mármol, la cantidad de cemento para todas las mezclas con residuos fue del 18 % con base al peso total del agregado fino. En esta etapa se buscó una mezcla que integre la mayor cantidad de residuos de mármol (polvo), ver Tabla 3.
Dosificación de mezclas 1ª etapa experimental
Los resultados obtenidos en la etapa anterior mostraron un comportamiento irregular, ya que las cargas resistentes fueron demasiado bajas para lo que se esperaba, por lo que se repitieron las mezclas de control (MC´), la número tres (M3´), y además a la mezcla tres se le agregó una mayor cantidad de cemento (M3´´) para verificar el comportamiento, ver Tabla 4.
Dosificación de mezclas 1ª etapa experimental 2ª vuelta.
Por último, se desarrollaron tres mezclas con base en las experiencias obtenidas en las etapas anteriores, ver Tabla 5. A esta etapa se le denominó etapa experimental dos. Cabe hacer mención, que en esta etapa se realizaron además las pruebas de revenimiento y fraguado.
Dosificación de mezclas 2ª etapa experimental.
Resultados.
A continuación se muestran los resultados obtenidos, es importante señalar que el comportamiento de las mezclas a lo largo de todo el proyecto, fueron de gran aprendizaje en el uso de nuevos materiales como alternativa de uso en elementos constructivos como lo es el mortero. Primero se presentan las características físicas de los materiales y posteriormente los correspondientes a la resistencia a la compresión y en las últimas mezclas se analizan también el revenimiento y el tiempo de fraguado.
Características físicas de los materiales:
El peso volumétrico del mármol sin compactar es de un promedio de 975 kg/m3
El peso volumétrico del mármol compactado es de un promedio de 1,080 kg/m3
El peso volumétrico de la arena sin compactar es de un promedio de 1,350 kg/m3
El peso volumétrico de la arena compactada es de un promedio de 1,530 kg/m3
Absorción del polvo de mármol 6.6 %
Absorción de la arena 2.00 %
Resistencia a la compresión.
Esta prueba fue realizada con base en la norma (NMX-C-061-ONNCCE-2015). Se consideró principalmente una edad de curado de 28 días. Los cilindros elaborados mostraron diferentes tonalidades por su composición, es decir, las que incluyen cáscara de nuez son más obscuras.
Resistencia a la compresión 1ª etapa exploratoria.
Como se puede observar en la tabla 5, las mezclas con mejores resultados a la compresión son las mezclas: M1, M4 y M5, por lo que se toman de base para la propuesta de mezclas en la siguiente etapa. Como referencia estas mezclas incluyen polvo de mármol y mucilago de nopal, en cambio las que incluyen cáscara de nuez mostraron muy baja resistencia.
Resistencia a la compresión 2ª etapa exploratoria.
Se observa en la tabla 6 que la mezcla M1 y M3 tienen una resistencia a la compresión muy similar a la muestra de control, lo cual da pie a experimentar con otros porcentajes de polvo de mármol y mucílago de nopal.
Resistencia a la compresión 1ª etapa experimental
Las resistencias a la compresión obtenidas en esta etapa fueron muy bajas ver Tabla 7 tomando en cuenta los experimentos anteriores, por lo que se repitieron las mezclas de control (MC´), la número tres (M3´), y además a la mezcla tres se le agregó una mayor cantidad de cemento (M3´´), para verificar este comportamiento.
Como se esperaba el comportamiento de las mezclas fue similar, ver Tabla 8, excepto la que contenía más cemento la cual incrementó su resistencia. Por lo que se revisó el procedimiento y los materiales utilizados para buscar el motivo de tal desempeño, se pudo conocer que el polvo de mármol contenía floculante, el cual utilizan los productores de mármol para promover una mejor separación de los lodos y el agua, para reutilizar la mayor cantidad de agua en los procesos de corte y pulido.
Resistencia a la compresión 1ª etapa experimental 2ª vuelta.
Con base en estos resultados, se procedió a cambiar el material (polvo) por otro que no contenga floculante y se continuó con el proyecto, obteniendo resultados satisfactorios, ver Tabla 9. En esta etapa además de la resistencia a la compresión, se obtuvo el revenimiento y el fraguado de la mezcla (ver Tablas 10 y 11) para comparar los resultados con los parámetros que indica la norma mexicana NMX-C-486-ONNCCE-2014 para morteros estructurales.
Resistencia a la compresión 4ª etapa experimental
Revenimiento de mezclas 4ª. Etapa experimental.
Tiempo de fraguado inicial y final (4ª. Etapa experimental).
El tiempo de fraguado fue mayor en las mezclas que incluyen el mucílago de nopal, ver Tabla 11, pues como se mencionó anteriormente el mucilago actúa como retardante del fraguado.
Conclusiones.
El mucílago de nopal mejora la viscosidad y reduce la demanda de agua en las mezclas elaboradas, se recomienda seguir realizando pruebas para determinar una dosificación óptima, que incluya mucilago de nopal y polvo de marmol (residuos). El uso de éstos materiales contribuye a disminuir el impacto ambiental que causan y pueden ser más económicos que los morteros convencionales. Se recomienda experimentar con otros porcentajes que permitan observar su comportamiento mecánico y mejorar las características de las mezclas típicas de morteros.
Agradecimientos
Los autores agradecen al Programa para el Desarrollo Profesional Docente (PRODEP), por los recursos otorgados para el desarrollo y elaboración de este trabajo, proyecto de referencia No. 511-6/17-7663. Asimismo, agradecen las facilidades otorgadas por las autoridades y el personal del Laboratorio de Materiales de la Facultad de Ingeniería, Ciencias y Arquitectura de la Universidad Juárez del Estado de Durango. Campus Gómez Palacio, Durango.
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Notas
