Problemática social

La vivienda es una condición básica, dada la necesidad de alojamiento adecuado que tiene el ser humano; sin embargo, para gran parte de la población en Coahuila que no cuenta con un trabajo establecido resulta imposible satisfacer correctamente esta necesidad básica, pues los ingresos que reciben resultan insuficientes para la adquisición de una vivienda adecuada, según la Encuesta Nacional de Ingresos y Gastos de los Hogares (^{ENIGH, 2016}). En la mayoría de los casos, la única alternativa para la población de escasos recursos económicos es construir sus propias viviendas; obstante, dichas viviendas, una vez edificadas, evidencian enormes deficiencias, ya que la mayoría de las veces son construidas con materiales inapropiados o de poca resistencia (^{Salgado y Molar, 2017}). A las personas que viven en esas viviendas se las conoce como personas en estado de pobreza patrimonial, ya que sus ingresos les permiten satisfacer solamente ciertas necesidades, tales como el alimento o la educación, pero sin la posibilidad de adquirir un hogar satisfactorio (^{López et al., 2012}).

Para estimar la cantidad de viviendas construidas con muros frágiles (muros fabricados con desecho de materiales urbanos, tales como cartón, papel, etc.), en el presente estudio se revisaron los resultados presentados por la ^{ENI-GH (2016)}. De esa manera, se encontró que el 62,2 % de las viviendas en situación de pobreza tienen muros frágiles; por tanto, es necesario presentar una solución para que sus habitantes puedan tener acceso a construir muros de mampostería a bajo costo.

Durante el proceso de corte y pulido de un bloque de mármol para fines decorativos, aproximadamente entre el 20 % y el 30 % de dicho bloque se convierte en polvillo (^{Gencel et al., 2012}), lo cual evidencia la gran cantidad de desecho que se genera en la región. El problema del desecho de polvo de mármol se halla presente en el mundo entero; por ejemplo, Turquía es uno de los países con mayor producción anual de mármol en el planeta (^{Bilgin et al., 2012}); este país tiene también un enorme problema con el manejo de los desechos de tal industria. Otro país con problemas de residuos de mármol es Egipto, que se encuentra entre los principales productores de mármol (^{El-Sayed et al., 2016}), y también tiene el problema de almacenar el residuo de material en los alrededores de las plantas de producción, y genera así contaminación a la población cercana. Al crear conciencia sobre esta problemática, muchos investigadores a escala internacional están buscando nuevos usos y aplicaciones a los diferentes productos de desperdicio que se generan en el tratamiento de mármol.

Estudios previos sobre el polvo-residuo de mármol

En 2012, Santos et al. intentaron fabricar un ladrillo a base polvo de mármol. Las dosificaciones que fueron propuestas en su estudio se verificaron a prueba y error, porque no se tenía ninguna referencia experimental para iniciar la fabricación de los ladrillos. La resistencia a compresión de los ladrillos del estudio de ^{Santos et al. (2012)} fue < 4,9 MPa. Estos ladrillos se clasifican como ladrillos no estructurales, ya que el valor mínimo de resistencia a compresión para ladrillos sólidos de uso estructural con longitudes < 300 mm es 6,9 MPa, según la Norma Mexicana de la industria de la Construcción 404 del Organismo Nacional de Normalización y Certificación de la Construcción y Edificación (NMX-C-404-ONNCCE-2012); sin embargo, la norma NMX-C-441-ONNCCE-2013 establece que la resistencia mínima a compresión para ladrillos de uso no estructurales es 3,1 MPa.

En 2014, Rangel y Nevarez intentaron establecer las dosificaciones necesarias para fabricar un ladrillo estructural con polvo-residuo de mármol. Estudiaron el polvo de mármol de tres productoras de dicho material de la región de la Provincia Lagunera. Su estudio (2014) incluyó dosificaciones que contenían arena de río, agua y cemento gris. Los especímenes fueron ensayados a compresión a los 7, a los 14 y a los 28 días de curado en agua; también construyeron especímenes con varios porcentajes de cemento en la mezcla. Los especímenes que contenían el12%yel15% de cemento alcanzaron los valores más altos de resistencia a compresión: por ejemplo, la resistencia de dichos especímenes fue > 10,78 MPa, el cual es superior al valor mínimo exigido por la norma NMX-C-404-ONNCCE2012 para ladrillos sólidos de uso estructural. Rangel y Nevarez (2014) observaron, por otra parte, que solo los ladrillos fabricados con polvillo proveniente de una de las empresas en estudio alcanzaron los límites de resistencia a compresión. La comparación entre los resultados de resistencia a compresión de los ladrillos de las diferentes productoras de mármol reveló diferencias de resistencia del orden del 50%. La razón de tales diferencias es que la mayoría de los establecimientos especializados en el tratamiento del mármol reciclan el agua para darle más de un uso; el reciclado consiste en que separan el agua del polvillo a través del filtrado de agua residual. Esto ha evitado la contaminación del polvo con otros materiales que afectan la resistencia a compresión. El filtrado consiste en separar el agua del polvo por medio de una trampa natural. El método usado por la empresa consiste en depositar el desecho producto de corte y pulido (agua y polvo de mármol) en un pozo de gran tamaño, por lo que, además, se logra la separación de los elementos por gravedad, ya que, al ser más pesado, el polvo de mármol se va al fondo del pozo y el agua se queda en la parte superior, lo cual permite que todo el polvillo se separe del agua y se pueda así utilizarla nuevamente. Cuando el desperdicio que contiene agua y polvo de mármol es depositado en esos pozos, el mayor peso del polvo de mármol lo lleva al fondo del pozo. Con esta separación, el agua puede ser extraída fácilmente, para evitar que el polvo de mármol contenga químicos que generen pérdida de resistencia a compresión en los ladrillos. En la presente investigación se usó únicamente el polvo-residuo de mármol proveniente de la empresa que no le agrega químicos al agua para su reutilización.

^{Santos et al. (2012)} encontraron que la composición química del polvo de mármol objeto de su estudio tiene ciertas características especiales, como se muestra en la tabla 1. Se observa que la mayor parte de su composición es carbonato de calcio, pero también contiene, en menor cantidad, hierro, aluminio y óxido de silicio. Mientras que ^{Shahul y Sekar (2009)} encontraron que la mayor parte de la composición química del lodo de mármol es óxido de silicio, y en menor cantidad, óxido de hierro, óxido de magnesio, óxido de sodio, óxido de potasio, óxido de aluminio y óxido de calcio.

Programa experimental

El programa experimental en la primera etapa del presente estudio incluye 160 ensayos de resistencia a compresión en ladrillos individuales de 50 X 80 X 230 mm, así como 3 ensayos a compresión en muretes, 3 ensayos de adherencia en muretes y 48 ensayos de absorción en piezas individuales. El programa experimental incluye 16 mezclas con diferentes dosificaciones de cemento, cal y arena, pero sin variar la cantidad de polvo de mármol.

Dosificación de ensaye

Para cada dosificación se construyeron 10 piezas. Algunas de las mezclas sustituyen porcentajes de cemento por cal y otras sustituyen la arena de río por arena caliza triturada; esto, para dejarse de usar arena de río y conservar los ríos naturales, como lo mencionan Singh et al. (201 7). Al encontrar la dosificación adecuada, en la segunda etapa se fabrican 20 ladrillos más, para revisar si es posible quitar el curado en el proceso de fabricación.

Dimensiones de los especímenes

Se consideran las dimensiones propuestas de acuerdo con el resultado que reportaron ^{Betancourt et al. (2015)}, quienes mencionan que ni la forma ni las dimensiones afectan la resistencia a compresión en concreto con polvo de mármol. En los moldes para fabricar los ladrillos se usó madera, la cual facilita el descimbrado y el manejo del molde.

Matriz de ensayos

En las dosificaciones propuestas en el presente estudio se utilizaron como base los porcentajes de cemento usados por Rangel y Nevarez (2004), quienes consideraron el 12 % y el 15 % de cemento, se usan estos porcentajes con el objetivo de tener en la mezcla la mayor cantidad de polvo-residuo de mármol y, en consecuencia, que el ladrillo se componga de un 62 % de polvo-residuo de mármol, a pesar de los resultados de los estudios de ^{Santos et al. (2012)}, ^{Bilgin et al. (2012)} y ^{Corinaldesi, Moriconi, y Naik (2010)} donde demostraron que si se sustituye más del 10 % de cemento por polvo de mármol afecta la resistencia a compresión y flexión en el concreto, también ^{Singh, Srivastava y Bhunia (2017)} y ^{Singh, Choudhary, Srivastava, Singh y Bhunia, et al. (2017)} encontraron que se puede llegar a sustituir hasta 15 % de cemento por polvo-residuo de mármol sin tener disminución en la resistencia a compresión.

En las 16 dosificaciones se modificaron las cantidades de cemento, cal y arena manteniendo la cantidad de polvo de mármol. Primero se modificaron las cantidades de cemento para usar la menor cantidad de este material. La arena de río se sustituyó por arena triturada de piedra caliza, ya que en la región objeto de estudio la arena de río escasea. La cal para albañilería se agregó a fin de comprobar las prácticas locales y el beneficio o el daño que genera este producto en combinación con el cemento.

En las tablas 2 y 3 se muestran las dosificaciones usadas en las mezclas que contenían el 12 % y el 15 % de cemento, respectivamente. Para cada dosificación se realizaron 10 muestras, de las cuales, 3 fueron ensayadas a los 7 días; otras 3, a los 14 días, y 3 más, a los 28 días, y se dejó una pieza como testigo. En todos los casos, la pieza que se tenía como testigo también se ensayó como parte de los especímenes.

Los porcentajes de cal dentro de las mezclas se calcularon en función de la cantidad de cemento agregado. Los valores de los otros materiales se calcularon en función de la cantidad de polvo de mármol en la mezcla. De esta manera, como lo muestran las tablas 2 y 3, se incluyen las 160 piezas que fueron fabricadas en el estudio.

En las dosificaciones de la investigación se estudiaron los 2 porcentajes de cemento (12 % y 15 %) a fin de verificar si es posible disminuir la cantidad de cemento necesaria para que el ladrillo alcance la resistencia mínima a compresión para ser considerado un ladrillo estructural. En general, lo que se buscó con estas dosificaciones fue alcanzar la resistencia a compresión de 6,9 MPa que indica la norma NMX-C-404 (2012) para ladrillos estructurales sólidos con longitudes < 300 mm.

Para la elaboración de los ladrillos se hizo la mezcla con los agregados en estado seco; las cantidades fueron las que se indican en las tablas 2 y 3, se mezclaron y, finalmente, se agregó agua hasta tener una mezcla con la consistencia adecuada para ser puesta en los moldes.

El llenado de los moldes con la mezcla se hizo en dos capas, donde se ponía una capa de aproximadamente la mitad de la altura y se le daban de cuatro a cinco golpes alrededor del molde, y en la segunda capa se hacía lo mismo y se enrasaban sin tener ninguna compactación.

Elaboración de ladrillos

El polvo de mármol que es extraído del lugar de almacenamiento contiene algunos residuos, como basura o grumos; estos últimos se forman por la humedad que existe en el aire o por las lluvias. Por lo anterior, fue necesario tamizar el material por la malla N.° 40 (0,42 mm), y de este modo, separar los trozos de mármol, los grumos y la basura. Los trozos de mármol y basura se deben retirar del material, pero los grumos pueden demolerse para volver a convertirlos en polvo. Al igual que el polvo de mármol, la arena de río también se debe tamizar, pero utilizando la malla N.° 4 (4,76 mm) para extraer las piedras o los residuos que pueda contener. Una vez los materiales tienen las características de limpieza y dimensiones requeridas, el polvo de mármol, la arena y el cemento se mezclan en seco para lograr una mezcla homogénea de agregados. Ya mezclados los materiales en seco, se agrega agua. La primera cantidad de agua debe ser la que se indica en cada dosificación, y después se agrega un poco más de agua, según la necesidad de la mezcla, para que pueda acomodarse en la cimbra y lograr piezas sólidas. Para el caso objeto de estudio, no fue suficiente la cantidad de agua inicial, establecida en la dosificación del 20% o el 35 %, y se agregó el 5 % más de agua.

A la cimbra se le aplicó un desmoldante para evitar que los ladrillos se pegaran a la cimbra al momento de quitarlas del molde. En este caso, a los moldes se les aplicó aceite automotor usado, para así facilitar la extracción de las piezas de los recipientes. En el presente estudio se usó dicho material porque es fácil de conseguir, se reúsa para no contaminar el medio ambiente y no genera ningún efecto secundario en las piezas como, por ejemplo, que las piezas queden con algún color u olor inapropiados, o que puedan perder su resistencia a compresión.

De cada mezcla se obtuvieron 10 especímenes, identificados con las series de L1-M1 a L1-M10 (Lote 1, Muestra 1 hasta 10, etc.). Estos especímenes fueron saturados en agua y curados por 7, por 14 y por 28 días, antes de ser ensayados a compresión. En la figura 1 se muestran los 10 especímenes con su respectiva nomenclatura.

Figura 1 Muestras de especímenes del lote 1. 

En la primera etapa el curado consistió en saturar en agua los ladrillos, ya que es el proceso de curado más común. En la segunda etapa se busca eliminar el curado por la cantidad de agua que se usa, y para verificar si es posible, en este proceso se construyen 20 ladrillos adicionales, con la dosificación que resulte con mejor comportamiento a compresión de las 16 estudiadas en la primera etapa. Los 20 ladrillos serán divididos en 2 grupos; 10 ladrillos serán curados, y los otros 10 ladrillos, no, para comparar su capacidad a compresión y definir si es conveniente omitir el curado en los ladrillos.

Descripción de ensayos

Para el ensayo a compresión es necesario dejar secar los ladrillos por completo, pues si llegaran a contener humedad, esta ayuda a los polvos a comprimirse ante la carga. De esa manera, los ladrillos podrían no presentar falla, y así obtenerse resultados altos, pero no confiables; por tanto, los ladrillos se dejaron secar a la intemperie por 24 horas antes del ensayo a compresión.

Para la prueba de absorción de los ladrillos se usó el procedimiento indicado por la norma NMX-C-037-ONNCCE-2013. Por ello, se usaron 3 especímenes de ladrillos de cada dosificación y se saturaron en agua durante 24 horas. La capacidad de absorción de los especímenes se calculó con la ecuación 1. Este parámetro permitió obtener el porcentaje de agua que absorbe cada uno de los ladrillos:

Donde H es el porcentaje de humedad que absorbe la pieza, y ph y ps son el peso de la pieza húmeda y de la pieza seca, respectivamente.

Las pruebas de adherencia entre ladrillos se incluyeron en el estudio porque se observó que algunos ladrillos tenían una superficie de contacto muy lisa, lo cual podría generar la posibilidad de que estos ladrillos no lograran adherirse entre sí, y provocar, por tanto, que no alcanzaran la resistencia a compresión adecuada. Las pruebas de adherencia entre los ladrillos se hicieron con base en los lineamientos de la norma NMX-C-082-ONNCCE-2013. Las muestras utilizadas para las pruebas de adherencia entre ladrillos son las mismas que corresponden a los 3 mure-tes construidos para determinar la resistencia a compresión en muretes.

Los muretes se construyeron con ladrillos sin curar; se siguieron al respecto las indicaciones de las Normas Técnicas Complementarias para Mampostería del Distrito Federal (Caceta Oficial del D. F., 2004). Los muretes se forman con tres ladrillos, a los cuales se les aplicó una carga vertical para determinar la resistencia a compresión. El mortero que se usó en la unión de las piezas sí se sometió a curado y se dejó transcurrir el tiempo necesario para que el mortero alcanzara una resistencia a compresión adecuada, de 8,5 MPa.

En la construcción de los muretes, la boquilla que se usó fue de 6 mm. Según las recomendaciones reportadas por Saláis y Ponce (2015). La proporción del mortero cemento-arena 1:4, que se usa es de acuerdo con la recomendación de ^{Arrañaga et al. (2016)}, que indica cuál es la proporción que alcanza una resistencia de 8,5 MPa a compresión.

Resultados de los ensayos

En la figura 2 se muestra la variación de la resistencia a compresión de los ladrillos a edad de 7, 14 y 28 días, de las 16 dosificaciones. Para determinar la resistencia se consideró un área de contacto en la aplicación de la carga de 18.400 mm². En la figura 2 se observa que la resistencia a compresión a los 7 días es mayor en la dosificación 7, que contiene arena de río, el 10,2% de cemento y el 15% de cal. A los 14 días, la dosificación 7 presentó la mayor resistencia a compresión. Por último, a los 28 días, las dosificaciones 12 y 16 fueron las que presentaron la mayor resistencia a compresión. La cantidad de cemento de la dosificación 12 es el 1,5 % mayor que la cantidad de cemento de la dosificación 16. Los resultados de resistencia a compresión expuestos en la figura 2 permiten deducir que la resistencia a compresión aumenta rápidamente entre 0 y 7 días de edad, y que alcanza, aproximadamente, el 82 % de la resistencia máxima, mientras que entre los 7 y los 14 días el aumento de la resistencia a compresión es pequeño: aproximadamente, se eleva al 15 % de su resistencia, y con una edad de entre 14 y 28 días su incremento es aún menor: aproximadamente, el 3 %. El ensaye se realizó según la NMX-C-036-ONNCCE-2013.

Fuente: elaboración propia (2018). CC BY-NC-SA.

Figura 2 Variación de la resistencia a compresión de los ladrillos con los días de curado. 

La variación de resistencias a compresión entre los 14 y los 28 días es de 0,06 MPa; por lo tanto, se puede considerar aceptable la resistencia a los 14 días omitiendo ensayar a los 28 días. ^{Kore y Vyas (2016)} encontraron que la resistencia a compresión a 28 días de piezas que contienen lodo de mármol varió en el 18 % con respecto a las muestras que no lo tienen; dichos autores argumentaron que el hecho de tener polvo de mármol no afecta significativamente al incremento de resistencia a los 28 días. En la tabla 4 se muestran los resultados promedio de los lotes de ensayes a compresión a 7, a 14 y a 28 días de edad de los especímenes, así como la desviación estándar y el coeficiente de variación de los resultados. En la primera columna de la tabla se indica el grupo de muestras, que para el caso corresponde a las 16 dosificaciones ensayadas. En las siguientes 3 columnas se encuentra la información a los 7 días de edad de las muestras con la resistencia a compresión promedio, que corresponde a 2,53 MPa, así como la desviación estándar, con 0,79 MPa, y el coeficiente de variación, con el 31,3 %, respectivamente.

En la tabla 4 se observa que los ladrillos tienen una baja resistencia a compresión, debido a la cantidad de polvo de mármol, pues mientras más se agrega polvo-residuo de mármol a una mezcla de concreto, tanto más disminuye la resistencia a compresión y a flexión, según ^{Santos et al. (2012)}, ^{Bilgin et al. (2012)} y ^{Corinaldesi et al. (2010)}.

Los ensayos de absorción evidenciaron que el valor promedio de la absorción de agua es del 21 % y que el coeficiente de variación es del 7,7 %. Dicho valor de absorción es mayor que el valor límite, del 19 %, que indica la norma NMX-C-037-ONNCCE-2013. Esto se debe a la cantidad de polvo de mármol que tienen los ladrillos, debido a que el óxido de Calcio (CaO) es muy reactivo y al tener contacto con el agua forma hidróxido de calcio (CaO(OH)2) (^{Bilgin et al., 2012}), lo cual genera porosidad en los ladrillos, y, en consecuencia, mayor absorción; por lo tanto, los ladrillos no cumplen con el valor límite de absorción, y se debe mejorar la absorción de humedad en los ladrillos. Cabe mencionar que la absorción hallada coincide con los resultados que obtuvieron ^{Bilgin et al. (2012)}, los cuales muestran que al agregar el 70 % de polvo de mármol al concreto para fabricar ladrillos se tiene una absorción de entre el 30 % y el 40 %; por lo tanto, se puede decir que si se aumenta el polvo de mármol en una mezcla, también aumenta la absorción.

En la figura 3 se muestra el ensayo a compresión de uno de los muretes. De estos ensayos realizados a los muretes se obtuvo que el valor promedio de resistencia a compresión es de 1,9 MPa, con un coeficiente de variación del 15,3 %. En la misma figura se observa cómo el espécimen mantiene los ladrillos unidos entre ellos por el mortero, lo cual hace evidente que existe buena adherencia entre ellos para trabajar a compresión. Para la construcción de los muretes fue necesario humedecer los ladrillos: si los ladrillos no se humedecen, no se tiene la suficiente adherencia entre ellos al momento de unirlos con el mortero.

Figura 2 Muretes de ladrillos. 

A partir de los resultados de los ensayos a compresión, en el presente estudio se considera que la dosificación 16 es la del mejor desempeño, tomando en cuenta que dicha dosificación es la que tiene menor cantidad de cemento y contiene arena triturada, además de tener un comportamiento creciente en los resultados de los ensayes a compresión. Con la dosificación 1 6 se fabricaron 20 ladrillos adicionales, divididos en dos grupos de 10 piezas. A un grupo de 10 piezas se lo sometió a curado con los procedimientos que recomienda la norma NMX-C-148-ONNCCE2007. El segundo grupo de 10 piezas no fue sometido a ningún tipo de curado. En el presente estudio se realiza el ensayo de ladrillos a compresión curados y sin curar. Los 2 nuevos lotes de 10 piezas fueron ensayados a compresión a 7 y a 14 días, al considerar que en las 16 dosificaciones ensayadas durante la etapa anterior no se observaron incrementos significativos en la resistencia a compresión entre los ensayos a los 14 y a los 28 días de edad.

En la tabla 5 se muestran los valores promedio de resistencia a compresión de los ladrillos curados y los que no están curados. En la tabla 5, el grupo 1 corresponde a los ladrillos que están curados, y el grupo 2, a los ladrillos sin curar. En dicha tabla se observa que a los 14 días existe una diferencia del 20% entre los ladrillos curados y los que no lo están. Dicha diferencia muestra que no es necesario tener un curado para alcanzar más resistencia a compresión en las piezas, pues la resistencia de 3,1 MPa es adecuada para trabajar a compresión en muros de vivienda de baja altura.