Propuesta metodológica para el desarrollo de un Manual Constructivo de Viviendas Unifamiliares a base de Hempcrete

La Comisión de Sostenibilidad y Ambiente del Colegio de Ingenieros Civiles de Costa Rica promueve la divulgación de trabajos de graduación para conocimiento de todos los colegas.

A continuación, presentamos la propuesta metodológica para el desarrollo de un Manual Constructivo de Viviendas Unifamiliares a base de Hempcrete realizado por los estudiantes Esteban  Hidalgo Gónzález y Randall  Solano Vargas de la Escuela de Ingeniería Civil de la Universidad Fidélitas, realizada en agosto del año 2021.

Resumen

En la actualidad, la construcción representa una de las actividades que más contaminación genera alrededor del mundo, esto se debe al gran consumo de energía que conlleva extraer o fabricar los principales materiales de construcción, como lo son el acero o el cemento y el amplio consumo de combustibles fósiles para la ejecución de construcciones. Por esta razón, se ha vuelto indispensable pensar en materiales eco amigables, para los cuales su proceso de extracción provenga de una fuente renovable, y además, permitan reducir el consumo de energía para mantener los espacios cálidos, como lo es el cáñamo.

El presente Trabajo Final de Graduación tiene como objetivo recopilar información que respalde el sustento científico para la implementación del cáñamo como material alternativo en las construcciones, debido a sus amplios beneficios ambientales, sus diversas propiedades y características.

Una de las maneras de utilizar el cáñamo en la construcción es creando un biocompuesto a base de fibras vegetales provenientes del tallo del cannabis sativa, cal y agua, llamado comúnmente Hempcrete, el cual tiene amplias propiedades higroscópicas y trabaja de muy buena manera como aislante térmico y acústico, por lo cual, se considera como un material óptimo para ser utilizado en las paredes de una vivienda. Sin embargo, este es un producto poco utilizado en Costa Rica, debido a la legislación por la que se rige el país, aun así, es posible encontrar algunas construcciones en la provincia de Guanacaste, las cuales utilizan el concreto a base de cáñamo como cerramiento para paredes.

Introducción

En las últimas décadas, la industria de la construcción ha presentado investigaciones innovadoras que optimizan los procesos constructivos, como el costo total de la obra y el aumento del rendimiento o utilidad de los recursos. Por lo tanto, la ciencia ha incursionado en las indagaciones sobre la fibra vegetal del cáñamo, la cual, representa grandes aportes en este sector por sus múltiples propiedades y características que lo convierte en un material resistente, flexible, aislante térmico, acústico y sus beneficios sobre la captación de dióxido de carbono en su vida útil.

El cáñamo es un material multidisciplinario con amplias utilidades a lo largo de la historia, como la fabricación de textiles, papel, cuerda, biocombustibles y usos industriales, por lo tanto, en aspectos de la construcción se logra obtener un material apto para la creación de cerramientos tipo livianos.

Con respecto a los antecedentes, en ámbitos internacionales se cuentan con amplias investigaciones, esto debido a que presentan legislaciones que impulsan la indagación del mismo. Mientras que, a nivel nacional el cáñamo enfrenta la legalidad de la producción, sin embargo, se cuenta con dos expedientes de ley que buscan respaldar la investigación, regulación e industrialización para su uso industrial, medicinal y alimentario. Aunado a esto, Costa Rica es un país familiarizado en la construcción con sistemas constructivos convencionales, sin embargo, se pretende la implementación de materiales de fuentes renovables y se cuenta con cuatro proyectos a base de cáñamo en el país, las cuales brindan un impulso al conocimiento sobre el Hempcrete y sus características.

Es en este contexto, donde nace la importancia del presente proyecto de graduación en vista de que el país está abriendo nuevas oportunidades de negocio y actualizando sus ideologías respecto al cultivo de cáñamo. Por lo que se da inicio en la indagación de sus propiedades y como estas resultan beneficiosas en la construcción de viviendas en el país, realizando pruebas de laboratorio para corroborar sus propiedades mecánicas, con el fin de comprender el comportamiento del mismo en relacion a los materiales convencionales del país.

El objetivo principal es desarrollar un manual constructivo, que detalle la elaboración de viviendas unifamiliares a base de cáñamo, evidenciando las cualidades favorables del material y su implementación en el sector construcción del país.

Metodología:

A continuación, se resumen de manera detallada la metodología utilizada para realizar el Trabajo Final de Graduación.

Población:

La población que se tomó en cuenta para la investigación fueron los profesionales involucrados en la construcción (Ingenieros civiles, arquitectos, constructores), empresas especializadas en el material constructivo y clientes de clase media-alta económicamente.

Muestra:

En el presente trabajo el muestreo utilizado es no probabilístico, debido a que se seleccionó a los sujetos a conveniencia en la investigación, estos individuos fueron: ingenieros civiles y constructores con experiencia en el sistema constructivo.

Lugar donde se realiza el estudio:

El estudio es realizado en Costa Rica, partiendo de información, métodos y técnicas constructivas de otros países, teniendo que tropicalizar el sistema constructivo al país.

Técnicas utilizadas:

Las técnicas utilizadas en el presente trabajo se basan en una guía de entrevistas y una revisión documental de la información existente en el mercado de construcción con cáñamo, dicha información se interpretó, analizó y presentó mediante diagrama de flujo, tablas y gráficos para facilitar la comprensión de la información.

Diseño:

Para el diseño del manual constructivo de viviendas unifamiliares a base de hempcrete se pretende definir, ordenar las ideas y procedimientos de tal manera que estos puedan transmitirse y comunicarse a los demás de manera sencilla en el documento con la ayuda de la literatura y recomendaciones brindadas por expertos en el tema.

Variables evaluadas y controladas en el Trabajo:

Las principales variables que se controlaron y se midieron en el presente trabajo se presentan a continuación:

• Resistencia a la compresión uniaxial de cilindros a base de Hempcrete.
• Comparación con otros materiales en Costa rica (Costo y rendimiento)
• Beneficio ambiental de implementar las fibras de cáñamo en la construcción.

Resultados

A continuación, se muestran los principales datos obtenidos con la presente investigación:

Análisis de Cilindros de Hempcrete

El martes 2 de marzo se realizó el moldeo de 12 cilindros a base de Hempcrete con la ayuda del laboratorio LGC Ingeniería de Pavimentos siguiendo las normas INTE C18 y INTE 39 para su elaboración, se utilizaron 2 dosificaciones (una con cemento y la otra sin cemento) las cuales fueron recomendadas por la empresa ZegreenLab, la cual ha desarrollado varios proyectos con fibras de cáñamo en Costa Rica. se fallaron cilindros a los 28, 56 y 84 días, los resultados obtenidos se pueden evidenciar en el siguiente gráfico de dispersión:

Gráfico 1.
Resultados de los laboratorios de la prueba INTE C39.

Fuente: (Hidalgo & Solano, 2021)

Como se puede observar en el gráfico anterior, se pueden rescatar varios análisis de estos resultados los cuales se enumeran a continuación:

1. Los cilindros con cemento (Color amarillo y naranja) tienen una mayor resistencia que los cilindros sin cemento (gris y azul).
2. Las mezclas de Hempcrete obtienen su resistencia a edades muy lejanas, ya que a los 28 días apenas ha alcanzado un 65% del total de la resistencia evaluada, sin embargo, en especímenes de concreto estos suelen obtener el 85 o 90% de su resistencia en el mismo periodo.
3. La resistencia máxima obtenida es de 5,7 kg/cm², sin embargo, el Hempcrete puede llegar a resistir 14 kg/cm² fácilmente, esto puede suceder a las siguientes razones:

• Debido a las características del material no se logró seguir al pie de la letra la prueba de laboratorio INTE C18, esto sucedió, por ejemplo, a la hora de realizar las inserciones de la varilla utilizada para eliminar los vacíos de aire de la mezcla de concreto, sin embargo, esta varilla en la mezcla de Hempcrete producía espacios vacíos en la capa, por lo que se decidió utilizar el martillo utilizado en la prueba del Proctor Estándar. Estos inconvenientes se deben principalmente a que no existe una prueba acreditada para averiguar la resistencia a la compresión de cilindros a base de Hempcrete.
• Otro punto que afecto la resistencia de los cilindros fue el curado, debido por las características del material que este no podía ser sumergido en agua, ya que se podía dar el desprendimiento de material y consecuentemente afectar la resistencia de los cilindros.

Comparación con otros materiales

A continuación, se muestra una tabla comparativa de los sistemas de cerramiento tipo livianos convencionales en Costa Rica.

Tabla 1.
Comparación entre materiales para cerramiento de Costa Rica.

Fuente: (Hidalgo & Solano, 2021)

Al observar los datos obtenidos, se determina que el Hempcrete presenta los valores más bajos en comparación con la conductividad térmica, lo que conlleva a ser considerado el mejor aislante térmico entre los materiales a comparar y con respecto a la propiedad acústica, junto al yeso, se consideran óptimos para reducir la propagación del sonido por las paredes de cerramiento.

Seguidamente, se realiza la comparación entre los materiales tomando en cuenta cada duración de vida útil.

Gráfico 2.
Comparación de vida útil entre materiales convencionales del país

Fuente: (Hidalgo & Solano, 2021)

La historia registra la primera vivienda a base cáñamo construida en Japón en el año 1968, el cual, actualmente se considera patrimonio nacional, por lo tanto, es el dato inscrito más longevo del mismo, siendo así un antecedente semejante con la duración registrada de las baldosas de concreto y construcciones con mampostería.

Diseño del manual

Como se mencionó anteriormente, el objetivo del presente Trabajo Final de Graduación era sintetizar un manual técnico para el desarrollo y la construcción de viviendas unifamiliares, el cual, abarca temas como: definiciones, características, propiedades, usos, ventajas del cáñamo y el hempcrete. Posteriormente se detallan materiales, equipamiento, almacenamiento, proceso constructivo y ejemplos de viviendas construidas con el sistema propuesto.

Figura 1.
Portada del manual técnico para el desarrollo de viviendas unifamiliares con Hempcrete.

Fuente: (Hidalgo & Solano, 2021)

Procedimiento para la creación de Hempcrete

Se realiza el tamizaje de los materiales a utilizar con instrumentos calibrados y certificados para su exacta medición. Se inicia con la fibra de cáñamo, cal, agua y jabón respectivamente.

Para la elaboración de Hempcrete se requiere una dosificación de 2.2:1, lo anterior corresponde a: 29,7 kg de cal natural por cada saco de fibras de cáñamo de 13,5 kilogramos, seguidamente, la cantidad de agua por requerir será la equivalencia en litros con respecto al peso total de la cal por utilizar, por último, se requiere un 0.1% de jabón con respecto al total de agua potable, la misma, es para aumentar la adherencia y la homogeneidad de los materiales.

Maquinaria por requerir: Hormigonera y carretillo.

Se inserta en la hormigonera la cal, agua y el jabón, se mezcla por 5 minutos como mínimo para obtener la reacción química deseada entre los materiales. Posteriormente, se agrega la fibra de cáñamo y se continúa mezclando hasta que el material cubra la lechada, aproximadamente el proceso dura 2 minutos como máximo. Por último, se extrae el material y se coloca en el carretillo.

Figura 2.
Hempcrete colocado en el carretillo.

Fuente: (Hidalgo & Solano, 2021)

Por último, se realiza una prueba rápida, la cual consiste en extraer material en la palma de la mano, se procede a comprimirla en forma de “bola”, posteriormente, se le aplica una fuerza puntual con el dedo de la mano en el centro de la misma, la cual, se espera que la bola se divida en dos partes uniformes. La prueba se realiza para comprobar la adherencia entre los agregados.

Si de la anterior prueba se obtiene la adherencia esperada, el Hempcrete está listo para ser utilizado como material para cerramiento. Por lo tanto, la maleabilidad del material permite la creación de distintos procesos constructivos para cerramientos, como lo son:

• Paneles prefabricados por medio de enfocados especiales.
• Moldeo de bloques de cáñamo con diversas geometrías y dimensiones.
• Formación de paredes por medio de lanzadoras de spray.

Importante resaltar que se debe conformar un muro perimetral de aproximamente 10 cm de concreto, ubicado al nivel superior de la losa, para generar una separación entre el piso y el cerramiento con Hempcrete, el mismo evita la humedad en la pared. En resumen, la facilidad constructiva con fibras de cáñamo permite la adaptabilidad y la tropicalización del sistema a diversos entornos posibles.

Figura 3.
Proceso constructivo del encofrado especial.

Fuente: (Hidalgo & Solano, 2021)

La anterior figura detalla el encofrado especial que se divide en dos partes, la primera es un encofrado completo en una de las caras de la pared utilizando una lámina de Plywood o similar y un encofrado móvil (elemento color negro en la figura) la cual permite al operario compactar el material de abajo hacia arriba hasta finalizar la pared.

Figura 4.
Acabado final de una vivienda con cerramientos de hempcrete.

Fuente: (Hidalgo & Solano, 2021)

Con respecto a la anterior figura, se observa el acabado final del interior de una vivienda, la cual está construida de hempcrete y se observa que contiene un sistema estructural de madera.

Diseño del prototipo

Posteriormente a la creación del manual técnico, se realizó un prototipo de una vivienda unifamiliar de 96 m², con el fin de aplicar las recomendaciones, cuantificar los materiales para evaluar el costo, la duración estimada y compararlo con edificaciones con características similares.

Figura 5.
Prototipo de vivienda unifamiliar de 96 m².

Fuente: (Hidalgo & Solano, 2021)

Tabla 2.
Comparación de costos entre viviendas con acabados similares.

Fuente: (Hidalgo & Solano, 2021)

Al finalizar el diseño del prototipo, se procede a realizar el cálculo de cantidades de materiales para ejecutar un presupuesto detallado, el mismo se compara con dos viviendas unifamiliares construidas por sistemas de concreto y madera respectivamente. La edificación de concreto se ubica como la más económica, seguidamente el hempcrete y por último la vivienda de madera que es significativamente más costosa que sus similares.

Impacto ambiental

Tabla 3.
Beneficio ambiental de construir el prototipo.

Fuente: (Hidalgo & Solano, 2021)

La construcción del prototipo anteriormente mencionado requiere 0.74 hectáreas de plantación de cáñamo, lo cuales absorben 18,5 Ton de CO₂ durante su cosecha, aunado a esto, la vida útil del cerramiento de hempcrete absorbe 1,26 Ton de CO₂ en aproximadamente los 96 m² por construir. Con respecto a lo anterior, se observa que, al contemplar todos los procesos de las fibras vegetales, se absorbe un total de 19,76 CO₂, representando una cifra considerable en aporte ambiental.

Discusión

Con los resultados obtenidos y la recopilación de información científica acerca del material se puede afirmar que el Hempcrete es un material óptimo para la construcción de estructuras livianas utilizadas como cerramientos en el país, esto debido a que, aporta grandes ventajas en la división de espacios internos gracias a sus capacidades higroscópicas, aislante térmico y acústico.

Con relación a lo anterior, resulta interesante fomentar el uso de este material en el país, ya que, aunque es un poco más costoso que un material convencional (como todo lo relacionado con la conservación del medio ambiente), el beneficio que se obtiene ambientalmente hablando genera un valor agregado importante a la construcción en Costa Rica, el cual es un país reconocido a nivel mundial por la conservar el medio ambiente y valorar los recursos naturales.

Por lo tanto, consideramos importante seguir ampliando las investigaciones en torno a este tema para evaluar de manera más precisa cuales son los beneficios ambientales que conlleva implementar este material en el país, y de esta manera, sentar las bases de un proyecto de ley que permita y facilite la investigación y análisis del material.

Conclusiones

1. En el actual proyecto se interpretaron las pruebas de laboratorio ejecutadas a los cilindros a base de hempcrete, dando como resultado un material el cual adquiere su resistencia a edades muy lejanas, además, este no puede ser considerado como un material estructural, sin embargo, puede utilizarse como material de cerramiento en prácticamente cualquier tipo de edificación.
2. Se sintetiza el proceso constructivo del hempcrete para aumentar el conocimiento del sistema que representa y se evidencia los amplios beneficios ambientales que conlleva la implementación del mismo, permitiendo al sector construcción abrir nuevas alternativas para promover una construcción sostenible.
3. Se diferenciaron aspectos importantes entre el sistema propuesto en el presente proyecto, con respecto a los cinco métodos mencionados en el capítulo 17 del Código Sísmico de Costa Rica, el hempcrete presenta diferencias en áreas relevantes como el costo por metro cuadrado, cuyo precio se encuentra por encima, dicho motivo es por la importación de la materia prima al país, también, la resistencia mecánica se encuentra por debajo que los materiales del C.S.C.R. pero haciendo la comparación con los materiales livianos se asemejan en resistencia mecánica.
4. Se ejemplarizó la construcción del sistema de cerramiento tipo liviano de hempcrete mediante una vivienda de 96 metros cuadrados, siguiendo todas las recomendaciones mencionadas en el manual constructivo propuesto en el presente Trabajo Final de Graduación, además, se desarrolló un presupuesto detallado de la vivienda con un monto total de ₡ 32 684 738,34 y un cronograma de obra con una duración de 128 días.

Recomendaciones

1. Se aconseja que los futuros proyectos con hempcrete en Costa Rica, incluyan otros sistemas estructurales diferentes a la madera, para ampliar las posibilidades de distintas combinaciones, y de esta forma, evaluar cómo se comporta el material en conjunto con materiales como el acero o el concreto.
2. Se insta a laboratorios acreditados a realizar distintas pruebas de laboratorio con este material, para determinar el ensayo que más se adecúe a las características del mismo, teniendo en cuenta sus propiedades y el proceso constructivo.
3. Se recomienda hacer un análisis estructural detallado de la vivienda unifamiliar de 96 m2, donde se optimice en su totalidad las dimensiones de los elementos, para que, de esta forma se pueda realizar un presupuesto detallado basándose en cantidades ajustadas a un diseño estructural justificado.
4. Se recomienda a la Asamblea Legislativa aprobar el proyecto de ley Expediente Nº 19.256 “Ley para la investigación, regulación y control de las plantas cannabis y cáñamo para uso medicinal, alimentario e industrial” debido a que se ampliarían las investigaciones de la planta en el país y, por otro lado, la adquisición de  la materia prima para este tipo de construcciones se podría conseguir a un menor precio, lo cual ayudaría a fomentar el uso de este material en las futuras construcciones en Costa Rica

Referencia Teóricos

Hidalgo González, E., & Solano Vargas, R. (2021). Propuesta metodológica para el desarrollo de un manual constructivo de viviendas unifamiliares a base de hempcrete. San José.

Hidalgo González, E., & Solano Vargas, R. (2021). Manual técnico para el desarrollo de viviendas unifamiliares con hempcrete. San José.

Hidalgo González, E., & Solano Vargas, R. (2021). Prototipo de una vivienda unifamiliar de 96 m² con base al manual técnico para el desarrollo de viviendas unifamiliares con hempcrete. San José.

Sparrow, A., & Stanwix, W. (2014). The Hempcrete Book. Cambridge: Green Books.