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Las investigaciones sugieren que el mucílago mejora las características físicas de las pastas de cemento y morteros 6-10. Por ejemplo, en pastas de cemento, disminuye la permeabilidad 6 y aumenta la resistencia a la compresión 7-9. Se ha encontrado que adiciones de nopal y sábila deshidratada en concentraciones pequeñas pueden funcionar como acelerantes de fraguado de pastas de cemento y que disminuyen la trabajabilidad de morteros base cemento (disminuye su fluidez) 10. Es decir, para que la fluidez de esos morteros con adiciones sea igual a los morteros sin las adiciones se tendría que aumentar la cantidad de agua en la mezcla. Esto podría aumentar la porosidad de los morteros y, en consecuencia, disminuir su resistencia a la compresión.

Sin embargo, recientes estudios han probado que aunque el agua de mezclado se incrementó en los morteros con estas adiciones base nopal deshidratado, su resistencia no disminuyó siendo que ésta fue aumentando a edades mayores de 30 días a partir de la fabricación de los morteros (no se incluye a las adiciones con sábila por que en estas si disminuyó marginalmente la resistencia a la compresión del mortero)10. En este sentido, la Tabla 1 lista los resultados experimentales de la resistencia a la compresión (promedio de tres cubos por prueba) obtenidos en morteros base cemento usando adiciones deshidratadas de nopal y sábila a diferentes edades después del mezclado (Los porcentajes son por reemplazo de cemento en peso).

Es interesante observar que las resistencias a la compresión de morteros con adiciones de nopal deshidratado se mantuvieron en valores similares a la mezcla control (sin adiciones) a pesar de que la relación agua/cemento (a/c) fue incrementada para obtener la misma fluidez10. A mayores edades, la resistencia a la compresión de los morteros con mayores porcentajes de adición de nopal deshidratado alcanzó valores similares a la mezcla control. En contraste, la resistencia a la compresión de los morteros con adiciones de sábila deshidratada (con bajo porcentaje de reemplazo) disminuyó hasta un 28% de los valores obtenidos en las mezclas de control, por lo que, hasta ahora, con los resultados obtenidos, no se encontró mejora alguna en su uso. Deben continuar las investigaciones en este tema y así corroborar lo que hasta ahora se ha obtenido: las adiciones de nopal mejoran las propiedades físicas y mecánicas de pastas y morteros base cemento.
Uso del extracto de nopal para mejorar la resistencia a la segregación en concretos base cemento Portland El concreto autoconsolidable (CAC) fue desarrollado en Japón en los años 8011 y se caracteriza por su alta deformabilidad y resistencia a la segregación, así como porque no requiere vibración para consolidarse en zonas congestionadas de refuerzo. Para diseñar este concreto existen tres métodos: el primero consiste en utilizar un alto contenido de finos, el segundo requiere del uso de agentes modificadores de viscosidad para poder reducir la cantidad de finos, y el tercero es una combinación de ambos. Los agentes modificadores de viscosidad (AMV) son polímeros solubles en agua usados para incrementar la viscosidad de la pasta y mejorar la estabilidad del concreto autoconsolidable.

El AMV más común es la goma de “welam”, efectiva para mejorar las propiedades reológicas del concreto autoconsolidable. Sin embargo, los AMVs comerciales —como la goma de “welam”— tienen un costo alto y como resultado el CAC en el mercado no es competitivo con respecto al concreto ordinario. AMVs alternativos incluyen el almidón y sílice precipitado12, polisacáridos13 y celulosa14. Con el objeto de utilizar un AMV de bajo costo se ha explorado el uso del extracto de nopal como agente modificador de viscosidad para concreto autoconsolidable15-16.

En principio se ensayaron dos formas para la obtención del extracto.

Primero se obtuvo simplemente cortando el nopal en pequeñas piezas que se mezclaron con agua potable en diferentes proporciones en peso, dejándolas reposar a temperatura ambiente durante algunos días.
El segundo extracto se obtuvo mediante la cocción de las piezas cortadas de nopal para acelerar el proceso de extracción del mucílago. Una vez que la solución estuvo a temperatura ambiente, se monitoreó la viscosidad de la solución durante varios días empleando un viscosímetro. Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 1, e indican un incremento gradual de la viscosidad en la solución con extracto obtenido por el primer método —reposo a temperatura ambiente— entre el segundo y tercer día, debido a la liberación de mucílago de las piezas de nopal, que incrementa la concentración de la solución. Se puede observar que entre el tercer y cuarto día la solución empezó a descomponerse y la viscosidad disminuyó aproximadamente hasta un 50%. A este tiempo la solución tuvo un olor desagradable. En el caso de la extracción por medio de cocción, se observó que la viscosidad se conserva casi constante por lo menos durante 5 días. Las viscosidades máximas obtenidas con ambas formas de extracción son similares.

Posteriormente se estudió la viscosidad de pastas de cemento a diferentes relaciones agua/finos en volumen con y sin extracto de nopal. En estas se reemplazó cemento por polvo de caliza y ceniza volante al 0%, 30%, 40% y 50% en peso con el fin de disminuir el costo del material cementante. La Figura 2 muestra los resultados del área relativa de flujo en las pastas, la cual fue determinada de acuerdo al método usado por otros investigadores17. En esta prueba se utilizó un cono llenado con pasta; después de retirarlo se midió el diámetro de la pasta deformada por efectos de peso propio.

Puede observarse la efectividad del extracto de nopal para incrementar la viscosidad de la pasta, lo cual se refleja en una reducción del área relativa de flujo. En algunas pruebas la adición de superplastificante base policarboxilato a las pastas dentro del rango recomendado por el fabricante, causó un incremento proporcional del área relativa del flujo, indicando su compatibilidad con el extracto de nopal.
Finalmente, se utilizó una solución de extracto de nopal en proporción agua/nopal (a/n) igual a 1 como agente modificador de viscosidad en una mezcla de concreto autoconsolidable. Los resultados mostraron su efectividad para incrementar la viscosidad de la pasta y eliminar la segregación del concreto.
Con base en los resultados alentadores del uso del extracto como AMV, se elaboraron dos mezclas de mortero con relación a/c en peso de 0.35. La mezcla control contenía sólo agua, mientras que la otra tuvo 100% de solución de extracto de nopal relación a/n igual a 1. Se fabricaron cubos de 50 mm por lado en triplicado para determinar la resistencia a la compresión a 28 y 56 días, los cuales fueron curados en húmedo por uno y siete días y después mantenidos en un ambiente a 38o C y 40% de humedad relativa. También se colaron cubos para realizar pruebas de absorción capilar. Los resultados de resistencia a la compresión indicaron un incremento de aproximadamente 16% en los especimenes que contienen extracto
de nopal a 28 y 56 días comparados con los especimenes control.

Anteriormente se ha observado un incremento aproximado del 12% en la resistencia a la compresión en morteros conteniendo extracto de nopal comparado con el mortero control a una edad de 90 días y utilizando una solución menos concentrada (una parte de agua y tres de nopal)6.
Con respecto a la capacidad para absorber agua de los morteros, se observó que el curado húmedo de mortero conteniendo extracto de nopal por un día produce un mortero más impermeable comparado con la mezcla control.
Esto indica que la capacidad del extracto para retener agua 1-6 contribuye a lograr un mayor grado de hidratación del mortero aun con un periodo corto de curado.
Sin embargo, si el periodo de curado se incrementa a siete días, la absorción es similar para los especimenes preparados con ambas mezclas, debido a que en ambos casos existe humedad suficiente para hidratar el cemento y el extracto no produce una diferencia apreciable.

Un gran potencial
Existen alrededor de 120 países en el mundo que producen alrededor de 1 500 millones de toneladas de cemento al año. México produce alrededor de 38 millones de toneladas en todos sus tipos. Si sólo en México se fabrica un cemento “verde” en donde se coloque este producto maravilloso para mejorar las propiedades físicas de materiales base cemento en los porcentajes obtenidos en los estudios previos 9-10, se necesitaría producir 350 mil toneladas de nopal deshidratado para cubrir la demanda. Se sabe que un 10% del peso del nopal verde se transforma en nopal deshidratado con todo y fibra, por lo que se necesitaría diez veces más en peso de nopal verde para producirse el aditivo para cubrir la producción total de los cementos mexicanos (unas 3,5 millones de toneladas de nopal verde). Se estima que el volumen comercial de nopal como producto alimenticio es de aproximadamente 0,5 millones de toneladas al año con una superficie de cultivo de sólo 10,400 has en 18 estados de México, que apenas alcanza un 6% de la superficie que puede ser utilizada para este caso18.
Imaginemos el poder reinventar el uso de esta materia prima que pudiera fomentar el sector agroindustrial en gran medida, e inclusive exportar los productos obtenidos en este trabajo para las fabricas cementeras de todo el mundo. Tenemos a la mano de obra calificada para su cultivo y la tierra idónea para que la planta sea cultivada. Hacen falta canales de producción, distribución y comercialización para que este producto vegetal llegue a convertirse de un proceso meramente artesanal a uno más industrializable. Así, no se tendría que continuar con un programa paternalista de apoyo al campo y se le ayudaría al campesino para convertirse en pequeños inversionistas y vender sus productos al mejor postor.

Comentarios finales
Es sabido lo extenso de las aplicaciones industriales que los cactus mexicanos, y en especial el nopal, poseen 1-5. Se cree de la existencia de otras aplicaciones dentro de la industria de la construcción para que los cactus mexicanos puedan ser industrializados; como por ejemplo los impermeabilizantes y las pinturas1. Otras aplicaciones más sofisticadas se están implementando en otros países como la obtención de biopolímeros para la industria aero-espacial19.
Actualmente, investigadores del CIIDIR trabajan en métodos alternativos para mejorar el proceso de extracción y preservación del mucílago para la eventual industrialización del mismo. Hasta el momento se ha preservado la solución de extracto por más de 9 meses y también se ha obtenido en polvo a través de la precipitación y deshidratación del mismo.
En colaboración con la ESIQIE-IPN se está caracterizando la microestructura de pastas y la resistencia mecánica de concreto conteniendo extracto de nopal20, así como el secado, absorción de agua y la resistencia a la penetración de cloruros en concreto21. Además, se realizan trabajos enfocados al estudio de las propiedades reológicas de soluciones de mucílago, pastas de cemento y morteros conteniendo diferentes adiciones minerales, aditivos químicos y extracto de nopal. Por su parte, el grupo de la UMQ está investigando cómo el extracto de cactus mejora la durabilidad de metales en concretos22-23 y en soluciones alcalinas simulando el agua del poro del concretos 24 para apoyar la idea que funcionan como inhibidores de corrosión.

Referencias

1. C. Saenz, E. Sepúlveda, and B. Matsuhiro, “Opuntia spp Mucilage’s: A functional component with industrial perspectives,” en Journal of Arid Environments, 57, 2004, p. 275.
2. M.H. Bishop, and V.M. Funkhouser, “A consideration of the ethnobotany of nopal (Opuntia Spp) and conservation implications”, en WAAC Annual Meeting, Western Association of Art Conservation, September, 21, 1998.
3. L. Torres-Montes, M., Reyes-García, J. Gazzola y S. Gómez, “Analysis of stucco floors from the citadel of the archeological zone of Teotihuacán, Mexico”, en Materials Research Symposium Proceedings, Materials Research Society, Paper No. OO6.1, 2005, 1.
4. A. Cárdenas, W.M. Arguelles, and F.M. Goycoolea, “On the possible role of Opuntia Ficus Indica mucilage in lime mortar performance in the protection of historical buildings”, en Journal of the professional Association for Cactus Development, 3, 1998, 64.
5. F.M. Goycoolea, and A. Cárdenas, “Pectins from Opuntia spp: A short review”, en Journal of the Professional Association for Cactus Development, 5 (2003) 17.
6. S. Chandra, L. Eklund, and R.R. Villarreal, “Use of cactus in mortars and concrete,” Cement and concrete research, 28 (1998) 41.
7. J.B. Hernández-Zaragoza, and G.R. Serrano- Gutiérrez, “Use of nopal in the construction industry”, en Proceedings IX Mexican and VII International Congress on Knowledge and Use of Nopal, 2003, 286.
8. A.A. Torres-Acosta y M. Martínez-Madrid, “Mortar improvements from Opuntia Ficus Indica (Nopal) and Aloe Vera Additions,” Inter American Conference on Non-Conventional Materials and Technologies in Ecological and Sustainable Construction (IAC-NOCMAT) 2005, Rio de Janeiro, Brazil, 11-15 November, ISBN 85-98073-06-7.
9. R.M. Martínez, “Adiciones de nopal y sábila deshidratado en mortero”, tesis de licenciatura en ingeniería civil (Director: Torres Acosta A.A.), Universidad Marista de Querétaro, Santiago de Querétaro, Querétaro, diciembre, 2005.
10. C. Celis Mendoza, “Mejora en en la durabilidad de materiales base cemento utilizando adiciones deshidratadas de dos cactáceas”, tesis de licenciatura en ingeniería civil (Director: Torres Acosta A.A.), Universidad Marista de Querétaro, Santiago de Querétaro, Querétaro, diciembre, 2007.
11. H. Okamura, “Self-compacting high performance concrete”, en Concrete International, American Concrete Institute, 19 (2007) 50.
12. R. Sebastien, A. Jean and P. Jean. “Effects of different viscosity agents on the properties of self-levelling concrete”, en Cement and Concrete Research, 29, 1999, 261.
13. M. Lachemi, K.M.A. Hossain, V. Lambros, P. C. Nkinamubanzi, and N. Bouzabaa, “Performance of new viscosity modifying admixtures in enhancing the rheological properties of cement paste”, Cement and Concrete Research, 34, 2004, 185.
14. M. Saric-Coric, K. H. Khayat, and A. Tagnit-Hamou, “Performance characteristics of cement grouts made with various combinations of high range water reducer and cellulose-based viscosity modifier”, Cement and Concrete Research, 34, 2003, 185.
15. P. F. de J. Cano-Barrita, R. M. Alcántara Hernández, D. Chávez Valenzuela, S. Ruiz García, H. Álvarez Soto, H. Z. López Calvo, “Extracto de nopal como agente modificador de viscosidad para concreto autoconsolidable”. (Artículo enviado a la revista Ingeniería, Investigación y Tecnología, de la UNAM, 2006).
16. S. Ruiz García, “Concreto autoconsolidante para climas calidos utilizando una solución de extracto de nopal y polvo de caliza”, tesis de maestría en Ciencias en Ingeniería de la Construcción (Director: P. F. de J. Cano Barrita), Instituto Tecnológico de Oaxaca, 2005.
17. P. Domone, and C. Hsi-Wen, “Testing of binders for high performance concrete”, Cement and Concrete Research, 27, 1997, 1141.
18. C.A. Flores Valdez, J.M. de Luna Esquivel, P.P. Ramírez Moreno, “Mercado mundial del nopalito,” ASERCA, Universidad Autónoma Chapingo, diciembre 1995.
19. M. E. Malainine, M. Mahrouz, A. Dufresne, “Thermoplastic composites based on cellulose microfibrils from Opuntia Ficus Indica parenchyma cell,” Composite Science and Technology, 65, 2005, pp. 1520-1526.
20. S. Ramírez Arellanes, “Determinación de las propiedades mecánicas y microestructurales del concreto conteniendo mucílago de nopal como aditivo natural”, maestría en Conservación y aprovechamiento de los recursos naturales, (Directores: P.F. de J. Cano Barrita y Carlos Gómez Yáñez), CIIDIR IPN Oaxaca, en proceso.
21. F. Julián Caballero, “Secado, absorción de agua y difusión de cloruros en concreto conteniendo extracto de nopal”, maestría en Conservación y aprovechamiento de los recursos naturales, CIIDIR IPN Oaxaca, en proceso.
22. A.A. Torres-Acosta, M. Martínez-Madrid, D.C. Loveday, and M.R. Silsbee, “Nopal and Aloe Vera Additions in Concrete: Electrochemical Behavior of the Reinforcing Steel”, Paper # 05269 NACE CORROSION/2005 Symposium New Developments in the Protection of Steel in Concrete, April 3 to 7, Houston, Texas; USA.
23. A. Pérez Gallardo, “Adiciones de nopal en concreto y su efecto en la corrosión del acero ante cloruros,” tesis de licenciatura en Ingeniería Civil, (Director: Torres Acosta A.A.), Universidad Marista de Querétaro, Santiago de Querétaro, Querétaro, en proceso.
24. A.A. Torres Acosta, “Opuntia Ficus Indica (Nopal) Mucilage as a steel corrosion inhibitor in alkaline media,” Journal of applied electrochemistry, 2007, en prensa.