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

Estudiantes de la Escuela de Ingeniería Civil de la Universidad Fidélitas, agosto de 2021.

La Comisión de Sostenibilidad y Ambiente del Colegio de Ingenieros Civiles de Costa Rica promueve la divulgación de trabajos de graduación para conocimiento de todo el conjunto de colegas. A continuación, se presenta el proyecto denominado:  Propuesta metodológica para el desarrollo de un Manual Constructivo de Viviendas Unifamiliares a base de Hempcrete.

Resumen

En la actualidad, la construcción representa una de las actividades más generadoras de contaminación alrededor del mundo, esto debido al gran consumo de energía que conlleva extraer o fabricar los principales materiales de construcción, tales como el acero o el cemento, y el amplio consumo de combustibles fósiles para la ejecución de construcciones. Por ello, se ha vuelto indispensable pensar en materiales ecoamigables, cuyo proceso de extracción provenga de una fuente renovable y, además, permitan reducir el consumo de energía para mantener los espacios cálidos; uno de estos es el cáñamo.

El objetivo de este Trabajo Final de Graduación consiste en recopilar información que brinde el sustento científico requerido para implementar el cáñamo como material alternativo en las construcciones, esto debido a sus amplios beneficios ambientales, sus diversas propiedades y sus características.

Una manera de utilizar el cáñamo en la construcción es mediante la creación de un biocompuesto a base de fibras vegetales -provenientes del tallo del cannabis sativa-, cal y agua, llamado comúnmente Hempcrete. Esta combinación posee amplias propiedades higroscópicas y es muy efectivo como aislante térmico y acústico, por lo cual, es considerado un material óptimo para la construcción de paredes en una vivienda. Sin embargo, este producto se ha empleado poco en Costa Rica, debido a la legislación que rige el país; pero, 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, en la industria de la construcción se han presentado investigaciones innovadoras que optimizan los procesos constructivos, referentes a aspectos tales como el costo total de la obra y el aumento del rendimiento o la utilidad de los recursos. Un ejemplo de ello ha sido la realización de estudios respecto de la fibra vegetal del cáñamo, la cual ofrece aportes significativos al sector de construcción debido a sus múltiples propiedades y características, por lo cual se ha reconocido el cáñamo como un material resistente, flexible, aislante, térmico, acústico y, además, en su vida útil produce beneficios importantes respecto de la captación de dióxido de carbono.

Como efecto de ello, la ciencia se ha abocado al estudio sobre la fibra vegetal del cáñamo, debido a que ésta podría representar grandes aportes en el sector constructivo debido a su diversidad de propiedades y características, puesto que es un material resistente, flexible, aislante térmico, acústico y, genera beneficios sobre la captación de dióxido de carbono en su vida útil.

El cáñamo es un material de múltiples usos, cuyo empleo a lo largo de la historia ha sido extenso, por ejemplo: en la fabricación de textiles, papel, cuerda; en la elaboración de biocombustibles; y en diversos usos industriales; asimismo, en el ámbito de la construcción se puede utilizar para la creación de cerramientos de tipo liviano.

Con respecto a los antecedentes sobre la utilidad del cáñamo, se han realizado en amplias investigaciones internacionales, y ya existen países que han creado legislación que impulsa la generación de mayor conocimiento sobre este material. Por otra parte, en el ámbito costarricense, el cáñamo enfrenta la legalidad de su producción; no obstante,  se cuenta con dos expedientes de ley que buscan respaldar la investigación, la regulación y la industrialización para su uso industrial, medicinal y alimentario. Paralelamente, un obstáculo, ha sido que Costa Rica es un país familiarizado con la construcción mediante sistemas constructivos convencionales; sin embargo, se ha generado una tendencia a la implementación de materiales emanados de fuentes renovables y, además, ya el país cuenta con cuatro proyectos a base de cáñamo, los cuales brindan un impulso al conocimiento sobre el Hempcrete y sus características.

En este contexto surge la importancia de elaborar este proyecto de graduación, en vista de que Costa Rica se encuentra en una etapa de apertura hacia nuevas oportunidades de negocio y, además, se está actualizando la percepción científica respecto del cultivo de cáñamo. Por ello, se ha iniciado la investigación en torno a sus propiedades, y el beneficio que se podría generar en la edificación de viviendas. Al respecto, se han realizado pruebas de laboratorio, a fin de corroborar sus propiedades mecánicas, y establecer claramente su comportamiento en relación con los materiales convencionales, utilizados en el país.

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

Metodología:

A continuación, se resume la metodología utilizada para realizar el Trabajo Final de Graduación:

Población:

La población tomada en cuenta estuvo compuesta por los profesionales involucrados en la construcción; es decir: ingenieros civiles, arquitectos, constructores; y también empresas especializadas en el material constructivo; y clientes de clase económica media-alta.

Muestra:

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

Lugar donde se realiza el estudio:

El estudio se realizó en Costa Rica, con base en información, métodos y técnicas constructivas de otros países; además, se debió tropicalizar el sistema constructivo según el país.

Técnicas utilizadas:

Las técnicas empleadas se basan en una guía de entrevistas y una revisión documental de la información existente en el mercado de construcción con cáñamo; este corpus se interpretó, se analizó y se presentó mediante diagramas de flujo, tablas y gráficos para facilitar su comprensión.

Diseño:

Para el diseño del manual constructivo de viviendas unifamiliares a base de Hempcrete, se pretende definir y ordenar las ideas y los procedimientos por emplear, de tal manera que estos puedan transmitirse y comunicarse a otros interesados en una forma sencilla, por medio de un documento, suplementado con literatura ad hoc, y las recomendaciones brindadas por expertos en el tema.

Variables evaluadas y controladas en el Trabajo:

Las principales variables controladas y medidas en este estudio se presentan a continuación:

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

Resultados

A continuación, se muestran los principales datos obtenidos mediante  la 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), ambas recomendadas por la empresa ZegreenLab, la cual ha desarrollado varios proyectos con fibras de cáñamo en Costa Rica. También, se fallaron cilindros a los 28, 56 y 84 días. Los resultados obtenidos se pueden muestran en el siguiente gráfico de dispersión:

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

Fuente: Hidalgo y Solano, 2021.

Del gráfico anterior, se pueden inferir varios análisis, los cuales se enumeran seguidamente:

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, puesto que a los 28 días apenas han 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 período.
3. La resistencia máxima obtenida es de 5,7 kg/cm²; sin embargo, el Hempcrete puede llegar a resistir 14 kg/cm² fácilmente, lo cual puede ocurrir por 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; además, esta varilla en la mezcla de Hempcrete producía espacios vacíos en la capa, por lo que se decidió emplear 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 factor que afectó la resistencia de los cilindros fue el curado, puesto que, debido a las características del material, éste no podía ser sumergido en agua, pues podría generarse 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 del tipo liviano, convencionales en Costa Rica.

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

Fuente: Hidalgo y Solano, 2021.

Al analizar los datos obtenidos, se determina que el Hempcrete presenta los valores más bajos en comparación con la conductividad térmica, lo cual lleva a considerarlo el mejor aislante térmico entre los materiales comparados; asimismo, respecto de la propiedad acústica, juntamente con el yeso, ambos se consideran óptimos para reducir la propagación del sonido por las paredes de cerramiento.

En el siguiente gráfico se presenta una comparación entre los materiales, según su duración de vida útil.

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

Fuente: Hidalgo y Solano, 2021

Históricamente, la primera vivienda construida a base cáñamo se registra en Japón, en 1968, la cual ha sido declarada patrimonio nacional de ese país, y es el dato más antiguo del cáñamo como material de construcción; algo semejante ocurrió con la duración registrada de las baldosas de concreto y las construcciones con mampostería.

Diseño del manual

Como se mencionó, el objetivo del presente Trabajo Final de Graduación es crear un manual técnico para el desarrollo y la construcción de viviendas unifamiliares a base de cáñamo, este abarca diversos temas, tales como: definiciones, características, propiedades, usos, ventajas del cáñamo y el Hempcrete. Posteriormente, se explicitan otros aspectos como: 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 y Solano, 2021.

Procedimiento para la creación de Hempcrete

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

Para la elaboración de Hempcrete, se requiere una dosificación de 2.2:1, la cual  corresponde a 29,7 kg de cal natural, por cada saco de fibras de cáñamo de 13,5 kilogramos. Seguidamente, la cantidad de agua requerida será la equivalencia en litros con respecto al peso total de la cal por emplear. Por último, se necesita un 0.1% de jabón con respecto al total de agua potable, la cual se usa para aumentar la adherencia y la homogeneidad de los materiales.

Maquinaria por requerir: Hormigonera y carretillo.

El procedimiento empleado es el siguiente: Se inserta en la hormigonera la cal, el agua y el jabón; luego, se mezcla por un mínimo de 5 minutos, a fin de 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. El proceso dura aproximadamente 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 y Solano, 2021.

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

Una vez ejecutada la prueba anterior, si 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, los cuales se mencionan a continuación:

• 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.

Es importante destacar que se debe conformar un muro perimetral, de aproximadamente 10 cm de concreto, ubicado al nivel superior de la losa, a fin de generar una separación entre el piso y el cerramiento con Hempcrete, el cual 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 y Solano, 2021

La figura anterior muestra el encofrado especial que se divide en dos partes: la primera es un encofrado completo en una de las caras de la pared, para el cual se utilizó una lámina de Plywood o similar; y la segunda, consiste en un encofrado móvil (elemento color negro en la figura), el cual le 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 y Solano, 2021.

Con respecto a la figura anterior, se observa el acabado final del interior de una vivienda, 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 y cuantificar los materiales para evaluar el costo, la duración estimada; y compararlo con edificaciones de características similares.

Figura 5.
Prototipo de vivienda unifamiliar de 96 m².

Fuente: Hidalgo y Solano, 2021.

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

Fuente: Hidalgo y Solano, 2021.

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

Impacto ambiental

Tabla 3.
Beneficio ambiental de construir el prototipo.

Fuente: Hidalgo y Solano, 2021.

La construcción del prototipo mencionado requiere 0.74 hectáreas de plantación de cáñamo, las 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 base en esto, se infiere que, al contemplar todos los procesos de las fibras vegetales, se absorbe un total de 19,76 CO₂, cifra que constituye una cantidad considerable para el aporte ambiental.

Discusión

Una vez obtenidos los resultados y habiendo recopilado información científica pertinente respecto del material, se puede afirmar que el Hempcrete es un material óptimo para la construcción de estructuras livianas, como las utilizadas para elaborar cerramientos en el país; y esto se debe a que el Hempcrete aporta grandes ventajas en la división de espacios internos, en razón de sus capacidades higroscópicas, el aislante térmico, y el acústico.

En relación con lo anterior, resulta interesante fomentar el uso de este material en Costa Rica, aunque es un poco más costoso que un material convencional (como ocurre con todo lo relacionado con la conservación del medio ambiente). Desde la perspectiva ambientalista, su empleo genera un valor agregado significativo a los procesos de construcción en el país, lo cual refuerza aún más el reconocimiento mundial hacia Costa Rica como una nación preocupada por la conservación del medio ambiente, y valora los recursos naturales.

Por lo tanto, se considera importante continuar ampliando las investigaciones en torno a este tema, a fin de evaluar, en una manera más precisa, cuáles son los beneficios ambientales que conlleva la implementación del Hempcrete (cáñamo) en el país; y de esta manera se podrían sentar las bases para la elaboración de un proyecto de ley que permita y facilite la investigación y el análisis del material.

Conclusiones

1. En el actual proyecto se interpretaron las pruebas de laboratorio ejecutadas a los cilindros a base de Hempcrete, las cuales dieron como resultado un material que 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. Una vez sintetizado el proceso constructivo del Hempcrete, cuyo fin era conocer más en cuanto al sistema que representa, se evidenciaron los amplios beneficios ambientales que conlleva su implementación, lo cual le permitiría al sector de 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. Se evidenció que el Hempcrete presenta diferencias en áreas relevantes como el costo por metro cuadrado, cuyo precio se encuentra por encima de otros, lo cual se debe a la importación de la materia prima al país. Asimismo, la resistencia mecánica se encuentra por debajo de los materiales del CSCR, aunque, al realizar la comparación, los materiales livianos se asemejan en resistencia mecánica.
4. Se ejemplarizó la construcción del sistema de cerramiento tipo liviano de Hempcrete utilizando una vivienda de 96 metros cuadrados, en cuya construcción se siguieron todas las recomendaciones mencionadas en el manual constructivo propuesto en el presente trabajo de graduación. Asimismo, se planteó un presupuesto detallado de la vivienda, cuyo costo total fue de ₡ 32 684 738,34, y se elaboró 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 de la madera, esto con el fin de ampliar las posibilidades de distintas combinaciones, lo cual permitiría evaluar cómo se comporta el material, en conjunto con otros materiales como el acero o el concreto.
2. Se insta a laboratorios acreditados a realizar distintas pruebas de laboratorio para este material, con el fin de determinar el ensayo que más se adecue a sus características, siempre teniendo en cuenta sus propiedades y el proceso constructivo.
3. Se recomienda realizar un análisis estructural detallado de la vivienda unifamiliar de 96 m2, donde se optimicen, en su totalidad, las dimensiones de los elementos, de manera que se pueda realizar un presupuesto detallado con base 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”, cuya aprobación permitiría ampliar las investigaciones sobre el cáñamo, y también, se facilitaría la adquisición de la materia prima para este tipo de construcciones, por cuanto el precio sería mucho más accesible. Todo ello 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.