Ús de biopolímers a la prefabricació de murs de tàpia

JORGE EMMANUEL CANALES BARRERA
Dedicat al sector de l’arquitectura residencial i sostenible al Perú. Titulat a la Universitat Catòlica de Santa María de Arequipa, amb estudis de maestria en Arquitectura a la Universitat de Tecnologia de Queensland, Australia i Enginyeria Estructural a l’Arquitectura a la Universitat Politècnica de Catalunya.

La tàpia és una tècnica constructiva que consisteix a compactar fang dins d’un encofrat amb l’ajuda d’un pisó fins a formar un mur de la mida i la forma desitjats; tanmateix, aquesta tècnica també es pot fer servir per construir fonaments i habitatges. L’ús de la tàpia es remunta a fa més de 4 mil anys a la Xina, i ha estat utilitzada arreu del món en llocs tan diversos com Vietnam, Equador o Alemanya (Fig. 1). En l’actualitat, la tàpia i altres tècniques de construcció de fang són àmpliament usades en països en vies de desenvolupament a causa de la ubiqüitat i el baix cost del material, per això aproximadament un terç de la població mundial encara viu en edificacions de fang. [1] Per la seva banda, a països desenvolupats els materials de construcció tradicionals com la tàpia o la tova van ser reemplaçats de mica en mica per materials d’origen industrial com el formigó i l’acer a causa de la seva major resistència a esforços mecànics, la seva capacitat de produir-se massivament, entre altres raons . Tot i això, les construccions de tàpia compten amb importants avantatges davant d’un altre tipus d’edificacions de maçoneria o formigó armat com són una menor conductivitat tèrmica i una major capacitat d’absorció de la humitat ambiental, donant com a resultat espais amb millor confort higrotèrmic.

Figura 1. Muralla de tàpia a Jiayuguan, Xina. Nota: Part de la gran muralla xinesa construïda en tàpia per la dinastia Ming. Fotografia de Huowax. [13]

Malauradament, la petjada de carboni generada en la producció de materials industrials és elevada, especialment en el cas del formigó a causa de les grans quantitats d’energia requerides per a la fabricació del ciment Portland (CP), sent aquest darrer responsable d’entre 5% i 7 % del total de diòxid de carboni (CO²) emès anualment a l’atmosfera.[2, 3] Addicionalment, el CP és un material d’una elevada toxicitat, sent potencialment perjudicial per a la flora i fauna.[4] Per aquests motius ha sorgit a Europa, Amèrica del Nord i Austràlia un interès per construir amb materials més ambientalment sostenibles com la tàpia degut a la seva baixa empremta de carboni: mentre que la fabricació d’una tona de fang produeix 22 Kg de CO², la fabricació 1 tona de blocs de formigó i maó cuit produeix 143 i 200 Kg de CO² respectivament.[5]

Desafortunadament la tàpia té moltes limitacions pel fet que és un material molt sensible a l’aigua, per això és propensa a l’erosió i esquerdament. D’altra banda, pel fet que la tàpia és un material artesanal, la seva construcció es caracteritza per no tenir més controls de qualitat, demanar força mà d’obra per la seva elaboració i el seu lent procés constructiu. Igualment, la dosificació del fang depèn de la normativa on s’està construint, però sobretot del tipus de sòl: d’acord amb la cohesió del sòl la barreja pot contenir entre 20% i 35% d’argila, mentre que la resta de la barreja està compost per sorra i grava (50% – 75%).[6] De la mateixa manera, la quantitat d’aigua utilitzada fluctua entre el 10% i el 15%.[7, 8] Per aquestes raons, a diferència del formigó i l’acer, les prestacions mecàniques de la tàpia poden variar molt, aconseguint una resistència a la compressió d’entre 2.12 i 10.2 N/mm², alhora que la seva resistència a la tracció és molt baixa.[9-11] Addicionalment, la tàpia i les edificacions de fang presenten riscos per a la salut a causa dels seus patrons excessius de clivellament que propicien l’aparició de niu d’insectes com les paparres que són responsables de la transmissió de malalties tropicals com el Chagas.[12]

Per aquests motius s’ha popularitzat en països d’Amèrica del Nord i Austràlia afegir entre un 4% i 15% de ciment Portland a la tàpia per millorar les prestacions estructurals i, sobretot, per reduir la vulnerabilitat a l’aigua. Lamentablement, l’ús del CP com a agregat redueix els beneficis ecosostenibles de la tàpia a més d’augmentar la conductivitat tèrmica i la capacitat d’absorció de la humitat ambiental. Davant d’aquesta problemàtica hi ha alternatives més ambientalment sostenibles de millorar la resistència de la tàpia a esforços fisicomecànics i a la humitat d’utilitzar ciment Portland com són la prefabricació d’elements de tàpia (Fig. 2) i l’ús de biopolímers com a additius.

Figura 2. Fàbrica de murs prefabricats de tàpia. Nota: En primer pla es pot apreciar la barrejadora de fang i al fons la màquina piconadora de dos nivells. Captura de pantalla: Amàco. [14]

Si bé és cert que els requisits i l’entorn de cada projecte arquitectònic són únics, el procés de prefabricació és semblant:

1. Selecció apropiada del sòl: ha de contenir aproximadament 30% d’argila i 70% de sorra, en molts casos és necessari afegir grava per donar més estabilitat estructural al mur. Igualment, la quantitat d’aigua pot variar entre el 10% i el 15%.[15] Per motius econòmics i ambientals el sòl prové comunament del desmunt d’obres civils com ara carreteres, túnels o ponts.

2. Fabricació del mur: els materials són transportats i emmagatzemats a fàbrica, per posteriorment barrejar-se en un bol alimentador des d’on s’aboquen a un encofrat ubicat en un nivell inferior. Posteriorment, la barreja és compactada en capes de 15 cm amb l’ajuda d’un pisó hidràulic fins a aconseguir l’alçada desitjada del mur. Tant el bol com el pisó llisquen sobre un riell metàl·lic per facilitar-ne el trasllat al llarg de l’encofrat (Fig. 3). En el cas que hi hagi la necessitat de prefabricar el material a l’obra, Nicolas Meunier ha desenvolupat una fàbrica mòbil de tàpia que es pot transportar i instal·lar en lloc (Fig. 4).[16]

Figura 3. Màquina de fabricació de murs de tàpia. Nota: S’observa el mur de tàpia desencofrat i llest per ser tallat per la serra mecànica. Captura de pantalla: Amàco [17]

Figura 4. Façana de L’Orangerie a Lió. Nota: L’edifici d’oficines L’Orangerie a Lió és el més important construït per Nicolas Meunier. Per a la construcció es va utilitzar una màquina compactadora de tàpia mòbil. Fotografia: Google Street View

3. Tall de peces: un cop desencofrat el mur de tàpia és possible tallar el mur en seccions desitjades amb una serra mecànica. Les peces han de ser prou petites perquè puguin ser emmagatzemades, transportades i instal·lades al lloc amb l’ajuda d’una grua.[17] Les dimensions de les peces de tàpia varien d’acord amb el fabricant:

Taula 1. Mesures màximes de seccions de mur de tàpia per fabricant. Nota: Las medidas máximas de sección de muro de tapia son similares en el caso de ambos fabricantes, con la excepción del largo, Lehm Ton Erde es capaz de fabricar secciones 59% más largas que Le Pisé.

4. Instal·lació: per protegir les peces de tàpia aquestes són assegurades amb un sistema de corretges, barres o plaques d’acer per al seu posterior transport i instal·lació al lloc d’obra sense por a què aquestes s’esquerdin o es trenquin (Fig. 5). Després, les peces puguin ser aixecades per grua fins a la seva localització final.[17] S’afegeix morter d’argila entre les diferents peces per assegurar-ne la millor adherència. Finalment, amb l’ajuda d’un martell i una espàtula s’afegeix manualment la mateixa barreja de fang a les juntes dels blocs per millorar-ne l’aspecte (Fig. 6).[18] També s’ha tornat part del procés incrustar petites peces de ceràmica al llarg del mur amb la finalitat de mesurar i controlar l’erosió produïda per les pluges i altres agents climàtics.[18]

Figura 5. Forma de transportar seccions de mur de tàpia utilitzant una grua. Nota: Les formes de transportar les seccions de mur de tàpia utilitzant sistemes de corretges i politges. Captura de pantalla: Amàco [19]

Figura 6. Acabats finals a un mur de tàpia prefabricat. Nota: Les juntes entre blocs són emplenades manualment amb fang. Captura de pantalla: Amàco [20]

La mecanització del procés de construcció de murs de tàpia empra una quantitat menor d’obrers que la construcció artesanal. De la mateixa manera, els millors controls de qualitat dels murs de tàpia prefabricada permeten garantir estàndards mínims de qualitat sense la necessitat d’utilitzar additius contaminants com a ciment Portland. Els murs fabricats per Lehm Ton Erde garanteixen una resistència a compressió mínima de 2.4 N/mm² o MPa, mentre que la resistència mínima de la tàpia tradicionalment fluctua entre 2.12 i 2.25 MPa (en alguns casos específics pot arribar a 4.1 MPa).[18 ] És important tenir com a referència que el codi de construcció de Nou Mèxic requereix que els murs de tàpia tinguin una resistència mínima a la compressió de 2.06 MPa. El procés de prefabricació fa èmfasi en la reciclabilitat del material, un cop acabada la seva vida útil pot tornar al terra o reutilitzar-se.

Els biopolímers són macromolècules sintetitzades per organismes com animals i plantes. A diferència dels polímers sintètics derivats del petroli, els biopolímers són biodegradables i es descomponen en substància benignes com aigua, metà o hidrogen.[21] Els biopolímers existeixen en abundància a la natura, sent algun dels més utilitzats el col·lagen, la gelatina o el midó. De manera similar al ciment Portland, l’ús de biopolímers com a additius de la tàpia milloren la seva resistència a la humitat i a esforços fisicomecànics sense els passius ambientals associats al CP. Els biopolímers amb més aplicacions en la fabricació de tàpia són:

• Queratina: proteïna presenti les plomes d’aus. Com que és un material residual de la indústria avícola el cost econòmic i ambiental de la queratina és mínim. En assaigs realitzats es va trobar que, a causa de la menor densitat de les plomes davant de l’argila, la queratina redueix la capacitat de compressió que blocs de terra sola (de 1739.2 a 1622.4 Kg/m3).[22] En contrast els blocs de terra amb queratina van mostrar millor comportament davant de la tracció i l’abrasió que els blocs amb només terra, com també la seva capacitat d’absorbir aigua. (figura 7)

Figura 7. Queratina. Fotografia: Andrade de Freitas [23]

• Caseïna: proteïna present en productes lactis. La caseïna s’ha utilitzat com a additiu per a construccions de terra per molts segles i actualment és un dels biopolímers més utilitzats. A causa del seu caràcter hidrofòbic, la caseïna millora la resistència de la tàpia a l’aigua millor que molts altres biopolímers. Més important encara, dosis tan baixes de 5% de caseïna són capaces de quadriplicar la resistència a la compressió de blocs de terra, de 1.01 a 4.34 MPa, podent arribar a una resistència de 5.63 MPa amb una dosi de 6.6%.[24] Tant el cost econòmic (25€/Kg) com la petjada de carboni (9.71 Kg de CO² per produir 1 Kg de llet en pols) de la caseïna són relativament alts.[25, 26] (figura 8)

Figura 8. Caseïna. Nota: La caseïna és present en els productes lactis

• Quitosana: polisacàrid present a les closques de crustacis. La quitosana té un efecte impermeabilitzant important quan és usada com a solució per recobrir els blocs de terra, dosis de només 0.5% de quitosana són suficients per impermeabilitzar un bloc de fang. D’altra banda, es va trobar que la quitosana va millorar la resistència a la compressió i flexió dels blocs de fang estudiats en un 170% i 175% respectivament. [12] El cost de la quitosana és de 45.76 €/Kg, no obstant això, el seu ús com a additiu requereix de dosis molt petites.[27] Mentre que l’impacte ambiental de la quitosana és molt baix pel fet que aquest biopolímer segresta carboni.[28] (figura 9)

Figura 9. Quitosana. Fotografia: Oficina Nacional d’Administració Oceànica i Atmosfèrica dels EUA [29]

• Carragenina: polisacàrid present a les algues vermelles. Igual que la quitosana la carragenina és un biopolímer capaç de generar un efecte impermeabilitzant, però el seu efecte com a solució aplicada sobre la superfície dels blocs de terra disminueix amb el temps, per la qual cosa és més recomanable utilitzar la carragenina com un additiu de la barreja de tàpia. Igualment, la carragenina millora la resistència dels blocs de terra a la compressió en un 85% i la flexió en un 52%. [30] El costro de la carragenina és de només 10€/Kg, mentre que el cost ambiental de produir 1 kg de carragenina és de només 1.8 Kg/CO².[31, 32] (figura 10)

Figura 10. Carragenina. Fotografia: Kontos [33]

• Goma Xantana: és un polisacàrid produït pel bacteri Xanthomonas Campestris. S’utilitza com a additiu en blocs de terra per la seva capacitat de millorar considerablement a esforços fisicomecànics, en alguns casos blocs de terra amb només un 1% de goma Xantana són capaços d’augmentar en 6 vegades la resistència a la compressió. De manera similar, una dosi de 2% de goma Xantana és suficient per impermeabilitzar un bloc de terra. necessaris per produir el biopolímer és de només 0.1 Kg de CO² per Kg.[36, 37] (figura 11)

Figura 11. Goma Xantana. Fotografia: star5112 [38]

• Extracte de Cabuya: és un polisacàrid pertanyent a la família de l’atzavara. A diferència de la creença popular, l’extracte de Cabuya no millora substancialment la capacitat de resistència del fang a compressió. No obstant això, aquest biopolimer té un efecte impermeabilitzant important, en proves d’assaig es va trobar que blocs de terra barrejats amb extracte de Cabuya macerat per 20 dies no van registrar erosió per efecte de l’aigua i només danys lleugers per submersió.[39] El cost de l’extracte de Cabuya a la zona dels Andes peruans és ínfim a causa de la ubiqüitat de la Cabuya; en cas que s’hagués d’utilitzar en un altre lloc, el valor es veuria incrementat pel cost d’envasament i transport. D’altra banda, l’impacte mediambiental d’utilitzar extracte de Cabuya és mínim perquè les plantes de família de l’atzavara capturen carbó de l’atmosfera. (figura 12)

Figura 12. Cabuya

• Penca de tuna: és un polisacàrid pertanyent a la família del cactus. En contrast amb l’extracte de Cabuya, un estudi va trobar que una dosi de 6% de penca de tuna és capaç de millorar la resistència a la compressió de blocs de terra de 1,42 MPa a 2,36 MPa. La penca de la tuna també té un efecte impermeabilitzant, el mateix estudi va comprovar que mentre que un bloc de terra sense tractar es va desintegrar en submergir-se en aigua, els blocs barrejats amb 5%, 6% i 7% de penca de tuna van poder resistir sense més problema aquesta prova.[40] El cost mediambiental d’utilitzar aquest biopolímer és mínim perquè la tuna, com la Cabuya, segresta carbó de l’atmosfera. Així mateix, el cost del material és irrisori a la serra peruana a causa de la gran quantitat de tons que hi ha al territori. Igual que en el cas de l’extracte de Cabuya, el valor final de la penca de la tuna es veuria augmentat pel cost d’envasament i de transport. (figura 13)

Figura 13. Tuna

S’ha pogut arribar a les conclusions següents:

• La prefabricació de tàpia ha permès millorar el control de qualitat dels murs de tàpia, accelerant-ne la producció i reduint la quantitat de mà d’obra requerida.

• La prefabricació de tàpia ha estat capaç de produir murs de tàpia amb més resistència a la compressió (2.40 MPa) que els murs de tàpia tradicionals.

• L’ús de peces de ceràmiques al mur de tàpia prefabricat permet reduir el dany produït al mur pels efectes de la pluja, reduint així l’efecte de l’erosió.

• Innovacions com la màquina de prefabricació de tàpia ha accelerat el procés de construcció de murs de tàpia i han reduït el nombre de treballadors necessaris per a la construcció.

• Els murs prefabricats de tàpia són més sostenibles que els murs de tàpia que té com a additiu el Ciment Portland (CP) a causa de l’elevada empremta de carboni associada al CP i la facilitat de reciclatge més gran que tenen els murs prefabricats.

• Els blocs de terra amb goma xantana i caseïna van demostrar tenir la major resistència a la compressió que tots els biopolímers estudiats.

• Les mostres de terra amb queratina i extracte de cabuya van tenir les pitjors respostes als assajos de compressió, sense augmentar considerablement la resistència dels blocs de terra, fins i tot en alguns casos reduint-ne la capacitat.

• Els biopolímers polisacàrids com la carragenina, quitosana, goma xantana, extracte de cabuya i penca de tuna van demostrar que amb les dosis suficients són capaços de millorar la resistència dels blocs de terra als efectes de la humitat tot i que els polisacàrids es caracteritzen per ser hidrosolubles.

• La queratina, carragenina i goma xantana van necessitar dosis baixes per millorar la resistència a la humitat dels blocs de terra, sent els biopolímers més eficients a impermeabilitzar les mostres, en contrast a l’extracte de cabuya i penca de la tuna van requerir dosis més altes.

• La caseïna és el biopolímer amb una petjada de carboni relativament alta, mentre que l’extracte de cabuya i penca de la tuna són els que tenen una petjada de carboni menor a causa de la seva capacitat de les plantes de segrestar carboni de l’atmosfera.

• La goma xantana és el biopolímer amb el major cost de producció, mentre que la queratina té un cost de producció nul en tractar-se de materials de rebuig produït per la indústria alimentària.

• La goma xantana és el biopolímer que va tenir millor comportament estructural i resistència a la humitat de tots els biopolímers, addicionalment, la seva empremta de carboni és força baixa. Un aspecte negatiu de la goma de xantana és el seu preu elevat.

• Tant l’extracte de cabuya com el polímer de la penca de la tuna són les millors opcions per considerar additius a causa de la capacitat de segrestar carboni de l’atmosfera. Un altre aspecte positiu és el baix cost de producció i el bon comportament davant la humitat.

• No s’ha experimentat l’ús de biopolímers a la prefabricació de murs de tàpia. Per aquesta raó, es recomana fer estudis de factibilitat de l’ús de biopolímers a la prefabricació de tàpia. Específicament dels polisacàrids, que han demostrat que en dosis suficients són capaços de millorar la resistència dels blocs als esforços mecànics i als efectes de la humitat.

Bibliografia

[1]. Minke, G., Building with Earth. Design and Technology of a Sustainable Architecture. 2006, Alemanya: Birkhäuser – Publishers for Architecture.

[2]. Chen, C., et al., Environmental impacte de ciment production: details de diferents processos i ciment plant variability evaluation. Journal of Cleaner Production, 2010. 18(5): p. 478-485.

[3]. Taylor, M., C. Tam, and D. Gielen, Energy efficiency and CO2 emissions de global ciment industry. Korea, 2006. 50(2.2): p. 61.7.

[4]. Mutlu, S., Ö. Atici, i Y. Gülen, Cement dust pollution induïx toxicity or deficiency d’algunes essentials elements in wild plants rastreig around a cement factory. Toxicology and industrial health, 2013. 29(5): p. 474-480.

[5]. Pacheco-Torgal, F. and S. Jalali, Earth construction: Lessons from the past for future eco-efficient construction. Construction and building materials, 2012. 29: p. 512-519.

[6]. Rael, R., Earth architecture. 2009: Princeton archìtectural press.

[7]. Gerard, P., et al., Unified failure criterion per unstabilized rammed earth materials upon varying relative humidity conditions. Construction and Building Materials, 2015. 95: p. 437-447.

[8]. Ruzicka, J., et al., Advanced prefabricated rammed earth structures—mechanical, building physical and environmental properties, in Rammed Earth Construction. 2015, CRC Press. p. 149-154.

[9]. Gallipoli, D., et al., A geotechnical perspective of raw earth building. Acta Geotechnica, 2017. 12(3): p. 463-478.

[10]. Ciurileanu, G.T. and I. Horvath, Modular building using rammed earth. Acta Technica Napocensis: Civil Engineering & Architecture, 2012. 55(2): pàg. 173-1

[11]. Canivell, J., et al., Rammed Earth Construction: A Proposal for a Statistical Quality Control in the Execution Process. Sostenibilitat, 2020. 12(7): p. 2830.

[12]. Ramírez Caparó, J.E., Estudi de les propietats mecàniques i físiques de l’adob amb biopolímers d’origen local. 2016, Pontifícia Universitat Catòlica del Perú.

[13]. Huowax, Wanli Changcheng-Jiayu Guan. 2005.

[14]. amàco – els materials del taller per construir, prefabricat Pisé BONUS #2 – Mescla humida. 20 de gener,

[15]. Schmoll, T., Implementació i rendibilitat de la terra batuda prefabricada per al parc científic de Maun. 2021, Universitat de Ciències Aplicades de Constança.

[16]. La Pisa. Estació de prefabricació. 2016; http://www.construction-shop.fr/Prefabrication-Station.

[17]. amàco – Canal de la Mànega, Terra batuda prefabricada – BONUS: Desencofrat, serrat i emmagatzematge. 3 de febrer,

[18]. Kapfinger, O. i M. Sauer, Martin Rauch, Refined Earth: Construction & Design of Rammed Earth. 2015: Detall.

[19]. Amàco – els materials del taller per construir, prefabricat Pisé BONUS #5 — Muntatge de paret. 10 de febrer,

[20]. Amàco – els materials del taller per construir, prefabricat Pisé BONUS #6 — Acabats. 17 de febrer,

[21]. Olatunji, O., Classificacions. Sense data,.

[22]. Gonzalez-Calderon, H., et al., Biopolymer-Waste Fiber Reinforcement for Earthen Materials: Capil·lar, Mechanical, Impact, and Abrasion Performance. Polímers, 2020. 12(8): p. 1819.

[23]. Freitas, J.E.A.d., Un primer pla d’una sola ploma blanca. 2004.

[24]. Chang, I., et al., Caseïna bovina com a nou aglutinant per a l’enfortiment del sòl a partir de residus diaris. Construcció i Materials de Construcció, 2018. 160: p. 1-9

[25]. HEALetiqueta. Beneficis i efectes secundaris de la caseïna | 2022 Consumidor Ètic. 2022; https://healabel.com/c-ingredients/casein.

[26]. Guiheneuf, S., Formulació i reforç de blocs de material terra per a ús estructural. 2020, INSA de Rennes.

[27]. Moreno de la Cruz, J., Estudi de viabilitat d’una planta de producció de quitosà. 2019, Industrials.

[28]. Muñoz, I., et al., Avaluació del cicle de vida de la producció de quitosà a l’Índia i Europa. The International Journal of Life Cycle Assessment, 2018. 23(5): p. 1151-1

[29]. Quitosà. A la Viquipèdia 15 d’octubre de 2021; https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Chitosan&oldage=1

[30]. Nakamatsu, J., et al., Modificació ecològica de la construcció de terra amb carragenina: durabilitat de l’aigua i avaluació mecànica. Construcció i Materials de Construcció, 2017. 139: p. 193-2

[31]. Almeida Carbajal, M.C. i B.D. Armas Cordova, Estudi de prefactibilitat per a la producció i comercialització de carragenina a base de l’alga vermella Chondracanthus chamissoi. 2018, Universitat Nacional Agrícola La Molina.

[32]. Núvol de carboni. Carragenina. E407 Sense data; https://apps.carboncloud.com/climatehub/product-reports/id/13429666740.

[33]. Contos, Chondrus crispus. 2007.

[34]. I. Chang, M. Jeon i G.-C. Cho, Aplicació de biopolímers microbians com a lligant de construcció alternativa per a edificis de terra en països subdesenvolupats. Revista Internacional de Ciència dels Polímers.

[35]. Benzerara, M., et al., Efecte combinat i sinèrgic de fibres i biopolímers naturals algerians sobre el reforç de la terra bruta extruïda. Construcció i Materials de Construcció, 2021. 289: p. 123211.

[36]. HEALetiqueta. Beneficis i efectes secundaris de la goma xantana | 2022 Consumidor Ètic. 2022; https://healabel.com/x-ingredients/xanthan-gum.

[37]. Ingredients del món. Goma Xantana 1 kg. 19 de febrer de 2022; https://www.green-ingredients.kingeshop.com/1-pound-of-xantana-rubber.asp.

[38]. star5112, goma xantana. 2010.

[39]. Benites Zapata, V.B., Tova estabilitzada amb extracte de cabuya (Furcraea andina). 2017, Universitat de Piura.

[40]. Diaz Limay, J.A., Mechanical properties and absorption of compacted adobe when incorporating natural penca polymer, Cajamarca 2018. 2019, Private University of the North.