Fabricación de bloque constructivo con residuos industriales del mezcal oaxaqueño en México

Manufacturing of building block with industrial waste from oaxacan mezcal in México

Fabricação de bloco de construção com resíduos industriais de mezcal oaxacan no México

Karol Paulina Luría Figueroa karol.figueroa14@gmail.com

Arquitectónico Sustentable, México

Lorena Carina Broca Domínguez

Universidad La Salle Oaxaca, México

A nivel mundial la actividad constructiva ocupa el tercer lugar en contaminación ambiental y en México representa una fuente constante y segura de ingresos monetarios por la mano de obra de bajo coste, aun cuando la fabricación de materiales constructivos sigue siendo energética y ambientalmente onerosa. En la República Mexicana se cuenta con la Denominación de Origen del Mezcal (DOM) [1] en nueve estados: Durango, Zacatecas, Tamaulipas, San Luis Potosí, Guanajuato, Michoacán, Puebla, Guerrero y Oaxaca. Esta DOM obliga a los fabricantes del mezcal a producirlo de acuerdo a las tradiciones ancestrales de cada entidad, a cultivar sus agaves de forma local y a generar fuentes de empleos para la gente dedicada a esta actividad.

En el reporte del Consejo Regulador del Mezcal del 2020 [2], se estableció que el estado de Oaxaca tuvo un 92,70 % de la producción de mezcal a nivel nacional, representando un total de 7 273,48 rrf de mezcal oaxaqueño, cantidad que se traduce en la generación de residuos industriales como el bagazo con 40 949,66 toneladas [3] y la vinaza con 109 102,12 m3 [4]. Estos remanentes generalmente son desechados a cielo abierto y en cuerpos de agua cercanos a los palenques mezcaleros, poniendo en riesgo la existencia de fauna y flora locales.

Al día de hoy existen opciones de bloques constructivos cuya materia prima son los residuos, como los bloques sólidos a base de residuos mineros mezclados con tierra, los bloques de arcilla triturada y cal y los bloques de arena sílice y papel, elaborados con residuos locales en México propuestos por González [5]. La investigación de Aguilar [6] a base de Residuos de Construcción y Demolición - RCD, viruta de madera, mucílago de nopal y residuos de excavación, que conforman un ecoladrillo hueco de alta resistencia y el trabajo de Montes [7] que consiste en mezclar bagazo de maguey, vinaza de maguey y tierra arcillosa, para moldear piezas tipo adobe.

De acuerdo a Luría [8] es necesaria la reutilización de todos los residuos generados diariamente, en especial el bagazo y vinaza del mezcal oaxaqueño, qué al mezclarse con tierra arcillosa, lodo de papel, mucílago de nopal, cal y/o cemento, puedan ser moldeados para obtener el bloque residual ensamblable, un material constructivo residual resistente, práctico y económico.

En esta primera etapa del proyecto el alcance fue únicamente proponer y probar una mezcla con características estructurales suficientes para su uso en muros divisorios y que contara con las propiedades térmicas necesarias para el clima de la Ciudad de Oaxaca. En la segunda etapa el alcance será mejorar la mezcla y realizar negociaciones ante diferentes instituciones para lograr alianzas y subsidios para la fabricación a mayor escala del BRE. La tercera etapa pretender facilitar el BRE a las personas en condición vulnerable en las colonias cercanas a la Ciudad de Oaxaca, además de contribuir a que la industria del mezcal oaxaqueño aspire a incorporar procesos sostenibles al propiciar la economía circular y el cuidado al medio ambiente inmediato.

La arquitectura fue clasificada durante mucho tiempo en el área de humanidades y no había una metodología definida para trabajos arquitectónicos de investigación. Este trabajo se clasificó como Investigación Tecnológica de acuerdo a lo establecido en los textos de Muñoz [9] y Maya [10], porque se aplican conocimientos, técnicas y procesos específicos para diseñar y construir productos que atienden las necesidades de la población en general cómo se observa en la Figura 1.

Figura 1
Metodología general para fabricar el BRE.

Una vez establecida la metodología para la fabricación del bloque residual ensamblable, se creó un esquema de flujo con los parámetros previos para los 5 principales insumos del BRE, así como la propuesta de mezclas, el mezclado, el moldeado, el secado, el monitoreo y las pruebas de laboratorio de las diferentes mezclas, como se observa en la Figura 2.

Figura 2
Esquema de flujo de insumos para el BRE.

Se definieron las mezclas M1, M2, M3 y M4 para bloques huecos y las mezclas M5, M6 y M7 para bloques sólidos, como se observa en la Tabla 1. En las mezclas M1 y M2 se consideró agregar las Abras de penca de maguey de 10 cm para comprobar una mejora en la resistencia a la compresión en las piezas del BRE. En todas las mezclas del BRE se consideró el insumo del bagazo de maguey seco y molido.

Tabla 1
Propuestas de mezclas del BRE.

Se definió incluir cemento en las mezclas M1, M2, M4, M5, M6 y M7 para probar una mejora en la resistencia de las piezas durante las pruebas de resistencia a la compresión. Se decidió incluir cal en las mezclas M3 y M5 para probar cambios en las piezas durante las pruebas de resistencia a la compresión. Se localizaron los equipos a emplearse para la fabricación de las piezas del BRE, como se observa en las Figuras 3 y 4.

Figura 3
Vista de máquina de vibrocompactación Rosetta para bloques huecos del BRE.

Figura 4
Vista de máquina de compactación Adopress para bloques sólidos del BRE.

El diseño de experimentación que se estableció para el BRE considera la preparación de los insumos, el diseño de mezclas y el uso de herramientas y maquinaria especializada de vibrocompactación y compactación mostrados previamente. El diseño de mezclas se realizó en base a la comparación de insumos similares que proponen González [5], Aguilar [6] y Montes [7] en sus investigaciones y se agregaron insumos como el cemento y la cal para estabilizar la tierra en las mezclas del BRE. Una vez definidas las mezclas, se prepararon los insumos, se procedió al pesado de cada uno por medio de básculas digitales, vasos medidores y tinas de plástico, de acuerdo a las proporciones de cada mezcla. Primero se mezclaron los insumos secos (bagazo molido, tierra arcillosa, cemento, cal) a una velocidad de 28 RPM durante 5 min. Posteriormente se agregaron los insumos líquidos (vinaza, lodo de papel, mucílago de nopal) a una velocidad de 28 RPM durante 5 min hasta lograr una mezcla uniforme. Las mezclas de los bloques huecos se mezclaron de forma mecánica, mientras que los bloques sólidos fueron mezclados de forma manual. Los bloques huecos fueron moldeados con la máquina bloquera de vibrocompactación Rosetta y los bloques sólidos fueron moldeados con la máquina bloquera de compactación Adopress. Todas las piezas de los bloques huecos y sólidos se secaron en un periodo de 30 días al sol, como se observa en las Figuras 5 y 6, a temperatura máxima promedio de 28,1 °C, debido a que el moldeado y secado se realizaron en el mes de mayo en la Ciudad de Oaxaca.

Figura 5
Bloques huecos/BRE secándose al sol.

Figura 6
Bloques sólidos /BRE secándose al sol.

Una vez secas las piezas huecas y sólidas del BRE, se realizaron las pruebas mecánicas de resistencia a la compresión en dos etapas. En la primera etapa se probaron las mejores 5 piezas de cada mezcla propuesta (sin Asuras o pedazos faltantes), esta es la cantidad mínima que exige el Organismo Nacional de Normalización y Certificación de la Construcción y la Edificación S.C. - ONNCCE en México. En la segunda etapa se probaron 3 piezas de las mejores mezclas para corroborar los resultados de la primera etapa. En todas las pruebas mecánicas se realizaron pruebas con bloques de concreto ligero de las mismas dimensiones del BRE para comparar los resultados entre sí. Todas las pruebas de resistencia a la compresión se realizaron en el Laboratorio de Materiales de la Escuela de Ingenierías y Arquitectura de la Universidad La Salle Oaxaca, en la Máquina de Ensayos Universal CMSUTM - 1000B, de CMS Metrology, con capacidad de carga de 1000 kN y equipo de control computarizado electrohidráulico para el registro de datos y gráficas de las pruebas realizadas, como se observa en las Figuras 7 y 8. Todas las piezas del BRE y del block de concreto ligero fueron sometidas a esta carga hasta llegar a su punto de falla para comparar los resultados de los dos materiales entre sí.

Figura 7
Vista de la Máquina de Ensayos CMS Metrology, con capacidad de carga de 1 000 kN.

Figura 8
Vista del equipo de cómputo de la Máquina de Ensayos CMS Metrology, donde se generan los datos y gráficas de las pruebas mecánicas de materiales.

Las pruebas de densidad se realizaron en el Laboratorio de Construcción del CIIDIR - IPN Oaxaca, donde se desecaron todas las piezas de las mezclas del BRE por medio del Horno Humbolt MFG.CO, Chicago IL. 60656 USA, sometiéndose los bloques huecos a 24 h y los bloques sólidos a 36 h, a una temperatura de +-105 °C a masa constante, de acuerdo a la normatividad de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes -SCT de México, como se observa en la Figura 9.

Figura 9
Vista del Horno Humbolt MFG CO, donde se desecaron las piezas del BRE para eliminar la humedad ambiental.

Se les retiraron los sobrantes de material de las probetas, se pesaron en una báscula digital como se observa en la Figura 10, se registró el peso y las medidas de cada pieza de cada mezcla.

Figura 10
Pesado del block sólido del BRE en báscula digital, para registrar el peso de cada pieza.

Todas las piezas fueron recubiertas con parafina derretida por medio de brochas de ½" y 1", se pesaron nuevamente y se registraron los datos. Se prepararon dos tinas, una de 50 L y la otra de 80 L, para realizar la inmersión individual de cada una de las piezas y medir el derrame de agua por pieza a través de vasos de precipitado de 5 L como se observa en la Figura 11. Toda esta información se registró con la finalidad de realizar los cálculos de densidad por cada mezcla del BRE.

Figura 11
Vista del vaciado del agua derramada en la inmersión de las piezas del BRE en agua.

Después de realizar las pruebas de densidad de las piezas del BRE, se procedió a las pruebas térmicas. Estas evaluaciones se realizaron en el Laboratorio de Materiales de Sistemas Estructurales - LMSE, de la Facultad de Arquitectura de la UNAM. La primera actividad que se realizó fue la ubicación y perforación de los puntos que se decidió medir en cada pieza de cada mezcla del BRE, como se observa en la Figura 12.

Figura 12
Vista de los puntos definidos para perforar en las piezas del BRE.

Por medio de un taladro de banco de 8", marca KNOVA, modelo KN DP-2000 y brocas de 1/16", se realizaron las perforaciones para que las puntas del sensor (previamente recubiertas con grasa térmica) SH-3 del equipo Meter de marca TEMPOS pudieran entrar sin forzarlas, como se observa en la Figura 13.

Figura 13
Vista del block sólido del BRE siendo perforado con el taladro de banco y las brocas de 1/16".

Una vez listas las perforaciones, se elaboró una caja de madera forrada con capas de unicel para evitar pérdidas de calor en las pruebas térmicas y que las mediciones fueran lo más exactas posibles. Posteriormente se programó el equipo Meter con las especificaciones necesarias: fecha y hora, tipo de lectura (tierra), tipo de sensor (SH-3), energía (alta), tiempo de lectura (2 min), unidades de conductividad y de resistividad, para obtener la información de capacidad calorífica volumétrica, conductividad y resistividad de cada una de las piezas del BRE, como se observa en la Figura 14.

Figura 14
Vista de la caja térmica, con el equipo Meter trabajando en las pruebas térmicas del BRE.

El equipo Tempos fue diseñado bajo la norma ISO 9001:2015 y las normas EN 61326-1:2013 y EN 55022/CISPR 22. Este equipo tiene un margen de error muy preciso, ya que si durante las pruebas térmicas que se realizan en los materiales los valores reportan datos inferiores a 0,00 son buenos resultados. Si los valores son superiores a 0,1 son valores que significa susceptibilidad a la falla por lo que es necesario calibrar el equipo y volver a realizar las pruebas.

Una vez que se contó con los datos de la capacidad calorífica volumétrica y de la densidad es posible obtener los datos del calor específico del BRE. Para poder realizar la evaluación térmica del BRE y de materiales convencionales en México como el adobe, el block de concreto ligero y el ladrillo rojo recocido, se requirió contar con los valores de propiedades termofísicas de la densidad, el calor específico y la conductividad necesarios para programar la plataforma de Ener Hábitat de la UNAM.

Los resultados obtenidos en las pruebas mecánicas de resistencia a la compresión del BRE y de los bloques huecos y sólidos de concreto ligero, así como la información referente a la distancia de desplazamiento y el tiempo transcurrido hasta el punto de falla de cada mezcla, son el promedio de las 5 piezas probadas de cada mezcla del BRE y de las piezas de block de concreto ligero. Esta información se puede observar en la Tabla 2. Al analizarse la información de dicha tabla, se comprueba que la M3 de los bloques huecos presentó una resistencia a la compresión de 40,15 kg/cm², mientras que la M6 de los bloques sólidos presentó una resistencia a la compresión de 35,11 kg/cm² y la M7 de los bloques sólidos presentó una resistencia a la compresión de 67,11 kg/cm².

Tabla 2
Pruebas de resistencia a la compresión del BRE y de blocks de concreto ligero.

Al compararse estos valores de las M3, M6 y M7 del BRE con los valores de la NMX-C-441-ONNCCE-2013 [11] se observa que las tres mezclas mencionadas están por arriba de la resistencia mínima individual de 28 kg/cm², para bloques macizos o huecos y de la resistencia media individual de 35 kg/cm², para bloques macizos o huecos, requerida para muros divisorios.

Se analizaron los datos de los bloques de concreto ligero de la empresa Vibroproductos y se observa que los bloques huecos presentaron una resistencia a la compresión de 87,48 kg/cm² y los bloques sólidos presentaron una resistencia a la compresión de 251,21 kg/cm².

Al contrastarse estos valores de los bloques de Vibroproductos con los valores de la NMX-C-404-ONNNCCE-2013 [12] se observa que el bloque hueco se encuentra muy cerca de la resistencia media para piezas huecas de 90 kg/cm² y arriba del valor de la resistencia mínima individual de 70 kg/cm², mientras que el bloque sólido se encuentra arriba del valor de resistencia media de 150 kg/cm² y de la resistencia mínima individual de 120 kg/cm², requeridos para muros de carga.

Una vez revisada toda la información de resultados de las pruebas a compresión de las mezclas del BRE y de los bloques de concreto ligero de Vibroproductos, se puede determinar que mientras mayor sea la resistencia a la compresión de los bloques de concreto ligero, el tiempo transcurrido para que lleguen a su punto de falla es menor, lo que representa un alto riesgo para las personas que se encuentren al interior de algún edificio con este sistema constructivo en caso de que se presente un sismo de gran magnitud.

Los bloques del BRE tuvieron una menor resistencia a la compresión, sin embargo, el tiempo que demoraron en llegar a su punto de quiebre fue mucho mayor al compararse con los tiempos de los bloques de concreto ligero, lo que permite a la gente ponerse a salvo en caso de un sismo de gran magnitud.

Para respaldar los comentarios anteriores, existen eventos históricos particulares, los fuertes sismos del 2017 y 2019, en el Istmo de Oaxaca, México, eventos naturales que afectaron a las edificaciones de los estados de Tabasco, Chiapas, Oaxaca, Puebla, CDMX, Morelos y Guerrero. Durante este evento se apreció claramente el comportamiento plástico que tuvieron las construcciones con bloques de concreto ligero y los edificios de adobe (material similar al BRE). Escamirosa [13], desarolló una investigación donde realizó pruebas de resistencia a la compresión a 15 probetas huecas de concreto ligero y 15 probetas sólidas de concreto ligero, fabricadas manual y mecánicamente en diferentes empresas, logrando descubrir que ninguna de esas empresas cumple con los requisitos de la NMX-C-404-ONNNCCE-2013 para muros de carga, concluyendo que es de suma importancia vigilar que las empresas que se dedican a la fabricación y venta de bloques de concreto ligero cumplan con dicha normatividad y se pueda reducir el riesgo y la vulnerabilidad de la gente de bajos recursos, quienes generalmente eligen este material de bajo costo para construir sus viviendas y desconocen que ante los fuertes sismos pueden derrumbarse rápidamente.

Los resultados obtenidos en las pruebas de densidad del BRE, se observan en la Tabla 3.

Tabla 3
Pruebas de densidad del BRE.

La densidad es la propiedad de cualquier material gaseoso, líquido o sólido que nos permita medir su ligereza o pesadez, por lo que mientras mayor sea la densidad de un material, más pesado parecerá. Al analizarse los datos de la Tabla 3, se observa que la mezcla 3 de los bloques huecos del BRE tuvo el segundo peso más alto de 7,9 kg y un volumen de agua derramado de 5,07 L, arrojando una densidad total de 1 557,43 kg/cm³, mientras que la mezcla 6 de los bloques sólidos tuvo el tercer peso más alto de 7,37 kg y un volumen de agua derramado de 5,06 L, arrojando una densidad total de 1 459,64 kg/cm³.

Es importante mencionar que no se cuenta con datos de las pruebas termofísicas de la M7 (densidad, calor específico, conductividad y resistividad), debido a que ya se habían realizado estas evaluaciones a las primeras seis mezclas del BRE, cuando se propuso el diseño de la M7. Los resultados obtenidos en las pruebas térmicas del BRE, se observan en las Tablas 4, 5 y 6.

Tabla 4
Pruebas de calor específico del BRE.

Tabla 5
Pruebas de conductividad del BRE.

Tabla 6
Pruebas de resistividad del BRE.

El calor específico es la cantidad de calor que hay que proporcionar a un gramo de una sustancia para elevar un grado centígrado su temperatura.

Al analizarse los valores de calor específico del BRE de la Tabla 4, se observa que la M6 de los bloques sólidos tuvo el segundo valor más bajo con 865,9 J/kg°C, mientras que la M3 de bloques huecos tuvo el valor más bajo con 766,77 J/kg°C. Una vez que los bloques huecos de la M3 se utilicen en un muro, se podrían registrar valores más altos de calor específico, gracias a la capa de aire intermedia en el mismo material.

La conductividad es la capacidad de ciertos materiales de permitir el paso de calor a través sus moléculas.

Mientras más alto sea el valor de conductividad, será menor el valor de resistividad, ya que son propiedades térmicas opuestas entre sí.

Al analizarse los valores de conductividad del BRE de la Tabla 5, se observa que la M3 de los bloques huecos obtuvo el mayor valor de conductividad de 0,3482 W/m°K, mientras que la M6 de los bloques sólidos obtuvo el menor valor de conductividad de 0,2688 W/m°K.

La resistividad es la capacidad que tiene un material para oponerse al flujo de electrones a través de sí mismo. Cuando es más alta la resistividad de un material, menor será su conductividad. Al analizarse los valores de resistividad del BRE de la Tabla 6, se observa que la M6 de los bloques sólidos es la que tuvo el valor más alto de resistividad de 3 783 °Km/W, mientras que la M3 de bloques huecos tuvo el valor más bajo de resistividad de 2 875 °Km/W. Con estos datos se confirma que las propiedades de Resistividad y Conductividad son opuestas y los valores con respecto a la Tabla 5 son contrarios a los de la Tabla 6.

Una vez que se tuvieron estos datos de propiedades térmicas del BRE, se buscaron los datos de propiedades térmicas del adobe, del block de concreto ligero y del ladrillo rojo recocido, para subir toda esta información a la plataforma Ener Habitat, como se observa en la Figura 15, para poder realizar las simulaciones térmicas de estas cuatro opciones de materiales constructivos, como se observa en la Figura 16, para comprobar cuál de ellos tiene el Factor de Decremento más bajo, lo que representa un menor consumo energético anual en cualquier edificación, como se observa en la Figura 17.

Figura 15
Registro de los datos de las propiedades térmicas de los materiales en Plataforma Ener Habitat.

Figura 16
Vista del registro de datos en plataforma Ener Habitat, para correr las simulaciones térmicas del BRE versus adobe, block de concreto ligero y ladrillo rojo recocido.

Figura 17
Vista de la gráfica generada en Ener Habitat, en la que se observa el Factor de Decremento Energético Anual de los materiales en Ener Habitat, donde SCI = BRE, SC2 = Adobe, SC3 = Block de concreto ligero y SC4 = Ladrillo rojo recocido.

Considerando la información de las Figuras 15, 16 y 17, se pueden establecer los siguientes resultados:

En el caso de las evaluaciones térmicas de los sistemas con capas homogéneas del Ener Hábitat (bloques sólidos), al compararse el BRE con el adobe, el block de concreto ligero y el ladrillo rojo recocido, se observa que el BRE es el sistema constructivo que requiere de menor energía para lograr el rango de confort higrotérmico al interior de los edificios, quedando en segundo lugar el adobe, en tercera posición el block de concreto ligero y en cuarto lugar el ladrillo rojo recocido. Anualmente el BRE tiene un factor de decremento (consumo energético anual) de 0,08, mientras que el del adobe es de 0,09, el del block de concreto ligero es de 0,18 y el del ladrillo rojo recocido es de 0,24.

Las civilizaciones ancestrales edificaron sus refugios con los materiales que tenían a su alcance y perfeccionaron sus técnicas constructivas a tal grado que muchos de sus edificios son vigentes al día de hoy. La Arquitectura e Ingeniería Civil tienen una gran área de oportunidad para retomar la construcción con tierra, mejorarla y ponerla al servicio de la gente que lo necesite, contribuyendo así a la preservación de usos, costumbres y saberes antiguos valiosos.

Las mezclas M3, M6 y M7 son las mezclas que tuvieron mayor resistencia a la compresión, siendo sus valores suficientes para su uso en muros divisorios, de acuerdo a lo que establece la NMX-441-ONNCCE, sin embargo, el BRE presenta una plasticidad mayor con respecto a los bloques de concreto ligero, permitiendo a la gente ponerse a salvo en caso de un sismo de gran intensidad y que el material no les caiga encima, caso contrario al de los bloques de concreto ligero. La mezcla M6 en la simulación termofísica en la plataforma de Ener Habitat presentó el valor de decremento más bajo que el adobe, que el block de concreto ligero y el ladrillo rojo recocido. Con esta información se puede concluir que el BRE es la mejor opción para muros divisorios porque cuenta con las mejores propiedades térmicas para lograr una mayor inercia térmica acorde al clima de la Ciudad de Oaxaca de Juárez y sus alrededores, además de contribuir al ahorro económico y energético de los clientes que decidan emplearlo en sus edificaciones.