Universidad Politécnica de Cataluña Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Barcelona Máster en Arquitectura y Medio Ambiente: Integración de Energías Renovables en la Arquitectura
TESINA: EL CÁÑAMO INDUSTRIAL Y SU APLICACIÓN COMO ALTERNATIVA DE MATERIAL EN LA CONSTRUCCIÓN SOSTENIBLE Presenta: Arq. Sergio Villalobos Cué Tutor: Prof. Arq. Enrique Corbat Barcelona, Octubre de 2011
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El cáñamo industrial y su aplicación como alternativa de material de construcción sostenible.
ÍNDICE
Introducción
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Marco histórico
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El declive del Cáñamo Industrial
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Composición de la planta de cáñamo
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Propiedades físicas
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Cultivo de la planta de cáñamo
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Usos derivados del cáñamo industrial
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Producción y estado actual del cáñamo industrial
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Importancia por rescatar al cultivo
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Construcción con cáñamo: materias primas
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Técnicas constructivas: Elaboración de mezclas y aglutinantes con cáñamo
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Aplicación de la mezcla de cal / cáñamo en obra
Propiedades de los cerramientos elaborados con cáñamo industrial
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Propiedades térmicas
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Emisiones de CO2 y ciclo de vida
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Costos y ejemplos
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Caso de estudio Casa Garoza con el cáñamo industrial Casa Garoza: Versión en cáñamo industrial
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Caso de estudio: Rendimiento Térmico
Transmitancia térmica
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HISTORIA DEL CÁÑAMO INDUSTRIAL
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Cálculos de balance y variabilidad térmica
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Emisiones de CO2
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Conclusiones
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Referencias bibliográficas
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El cáñamo industrial y su aplicación como alternativa de material EN LA construcción sostenible: RESUMEN
Cannabis Sativa [http://naturamundi.blogspot.com/2010/11/cannabis-sativa.html]
En la actualidad se ha estado retomado el tema del cultivo del cáñamo, debido al potencial que representa por su alta capacidad de regeneración y buen proveedor de materia prima que puede sustituir los componentes de varios productos industriales que amenazan la salud humana y al medio ambiente. Varios países han transformado sus legislaciones agrícolas y han podido retomar el cultivo del cáñamo para fines industriales, y a su vez, explorar nuevos alcances que puede ofrecer este recursos. El campo de la construcción está incluido. En este trabajo se busca exponer la viabilidad que pueden tener los materiales de construcción derivados del cáñamo industrial como una alternativa de desarrollo sostenible, empleando como campo de ejecución el contexto español. A través de esta propuesta se busca ver como el cáñamo industrial - aplicado en el campo de la construcción y bajo un enfoque sostenible - puede, en sus diferentes etapas, ser una materia prima producida con bajos costes energéticos, sea capaz de cerrar los ciclos de renovación de sus materiales y ser una alternativa enfocada al desarrollo sostenible y viable - en términos económicos, medioambientales y en el desarrollo social. Marco Histórico: El cáñamo (cannabis sativa) fue un detonador importante de las actividades económicas más importantes de la antigüedad, a la par con la elaboración de herramientas, domesticación de animales y la agricultura (Herer, 1992). Desde la antigüedad hasta finales del siglo XIX fue considerado el cultivo de mayor cantidad e importancia en el mundo (Herer, 1992). El primer registro de uso de la planta data del año 8000 a.C. dentro de Europa y Asia (Madre Tierra, 2006).
Su cultivo tuvo una gran importancia en grandes civilizaciones, tales como la Antigua China, Egipto y la India, teniendo aplicación en el campo de la farmacología, fabricación de papel o como planta sagrada respectivamente. Posteriormente su influencia se extendió a otras culturas en el Medio Oriente, Asia Menor, India, China, Japón, Europa y África (Herer, 1992). En Europa, el uso del cáñamo data desde hace más de 3,000 años y se consolidó como la fibra más importante del mundo, con una dominación tal que hasta un 80%
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de los textiles procedían de la planta. Durante la Edad Media el cáñamo fue utilizado como material aislante en construcciones y con el papel de cáñamo Gutenberg realizo su primera impresión de la Biblia (Robinson, 1999). El campo naval y la elaboración de textiles fueron las principales actividades que detonaron el cultivo de cáñamo en Europa, y en especial en países como Inglaterra, Francia y Holanda, entre otros. En España los primeros usos de la misma se encuentran en el siglo X, gracias a los árabes que llevaron la planta desde Siria (Ségalen, 2005). Ya para 1150 d.C. los moros fabricaron la primera planta de papel en Xativa (Alicante), estableciendo instalaciones para moler el cultivo en Toledo y Valencia (Robinson, 1999). Al igual que otros países, España recurrió a Suramérica para poder incrementar su cultivo ante la gran demanda del mismo en el sector naval y textil principalmente (Ségalen, 2005), destacando la elaboración de productos como velas, cuerdas, estopa, ropa, entre otros productos. Con ello, durante los siglos XVII y XVIII se llegó a un máximo del producción de mismo (Gorchs, 2006).
Cosecha de cáñamo a principios del siglo XX. (Robinson, 1999)
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El declive del Cáñamo industrial: Ya para el siglo XIX y con la entrada de importantes cambios tecnológicos en lo referente a navegación - la entrada del barco de vapor – su disminución fue notable por la baja en la demanda de confección de velas para navegación (Gorchs, 2006). Además de ser desplazado el cáñamo para la obtención de aceites de otras semillas y fuentes (por el aceite de ballena), en el sector textil el algodón comenzó a ser un cultivo favorecido sobre el cáñamo por su mecanización en sus procesos de cultivo y cosecha, sustituyéndolo en varios campos de la industria textil (Gorchs, 2006). Sin embargo, el cáñamo prevaleció como el segundo cultivo de fibras naturales más utilizado hasta la década de 1930, gracias su fuerza, suavidad, calidez y calidad de larga duración (Herer, 1992). Fue durante el siglo XX donde se produjeron los cambios más importantes que determinaron un cambio drástico en la industria del cáñamo en el mundo. A principios del siglo en Estado Unidos el cáñamo se encaminaba a ser el cultivo agrícola más importante de ese país. Nuevos avances tecnológicos iban a permitir un mejor procesamiento industrial en diversos sectores; sin embargo, todo ello representó una seria amenaza para las industrias madereras, papeleras y la emergente industria petroquímica, al quedar posiblemente desplazadas por este competidor y acabar en la quiebra (Herer, 1992). Esto ocasionó una persecución del cultivo - principalmente en la Unión Americana - sustituyendo su producción a favor de otros cultivos (como algodón y tabaco), desencadenando así su desuso y prohibición en algunas partes del mundo. Una serie de medidas mediáticas desinformativas y diversas políticas estigmatizan al cultivo de uso
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industrial, realzando su similitud física con el cannabis, por cuyos sus efectos psicoactivos es clasificada como una droga ilegal en varios países. Sin embargo, al estallar la segunda guerra mundial, el cultivo de cáñamo industrial fue reintroducido en Alemania y Estados Unidos para la fabricación de herramientas de guerra (Herrer, 1992). Entre 1942 y 1945 se fabricaron autopartes, uniformes y cuerdas hasta que, al concluir la guerra, nuevamente disminuyó su cultivo para dar paso nuevamente a favorecer la producción de fibras sintéticas y priorizar cultivos como los del algodón. Composición de la planta de cáñamo: La especie cannabis sativa L. presenta tres variedades que tienen una distribución geográfica definida (Madre Tierra, 2006): Cannabis sativa var. Indica, Cannabis sativa var. Sativa y Cannabis rudelaris. En cuanto a las variedades sativa y rudelaris - bajo tratamiento de la selección genética - presentan niveles bajos del alcaloide denominado THC. El THC (Δ9 tetrahidrocannabinol), el es el químico por el cual es considerada una droga penalizada en gran parte del mundo (Bourrie, 2003). Dicha sustancia concentra las propiedades psicoactivas de la planta consumidas por el ser humano, y está presente en porcentajes de 7-15% en cultivos destinados a estos fines. Actualmente en la Unión Europea sólo se permite el cultivo de especies registradas que tengan un nivel de THC (Δ9 tetrahidrocannabinol) inferior al 0,2% sobre materia seca (CE, 2000). Las especies previamente mencionadas cuentan con ese requisito y son aceptadas por la ley para su empleo industrial (Gorch, 2006).
Tallo de càñamo mostrando las fibras [http://es.wikipedia.org/wiki/ Archivo:Hanfstengel.jpg]
Propiedades Físicas El cáñamo crece rápidamente una vez establecida la planta, (entre 1.5 – 2 cm. por día). Después de unos 40 días las plantas llegan a medir de 2-4 m de altura y comienzan a florecer (ADAS, 2005). Entre los 100 y 130 días, cuando la planta madura, su tallo es recto y comienza a ramificarse (Ségalen, 2005). En el caso del Reino Unido se acostumbra cultivar el cáñamo entre los meses de abril a agosto (ICE 2009). Su cultivo de forma industrial se ve beneficiado por el abastecimiento de diferentes tipos de materias primas como la semilla y del tallo, del cual se desprenden la fibra, cañamiza y la pulpa (Madre Tierra, 2006). Cultivo del Cáñamo Industrial Antiguamente el cáñamo crecía en forma natural y en estado silvestre antes de existir reglamentaciones, métodos o leyes sobre su cultivo (Madre Tierra 2006). También este cultivo era empleado para realizar el “descanso del suelo” entre las diferentes épocas de siembra, como cultivo de barbecho que luego se reincorporaba al suelo para generar abono verde o se quemaba generando cenizas, devolviendo cerca del 40% de los nutrientes que extrae (Madre Tierra, 2006).
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El cáñamo se siembra normalmente durante la primavera. Si el cultivo es para la obtención de fibras, la cosecha se lleva a cabo en agosto. Hasta finales de verano es cuando la planta puede producir tanto fibras como granos (Gorchs, 2006). En las condiciones de cultivo en la Europa Occidental, el ciclo de cultivo tiene una duración de 80 días (las más precoces) hasta más de 150 días las más tardías (Gorchs, 2006). Comprender las siguientes etapas: Implantación, crecimiento, cosecha y enriado - con un posterior almacenaje y procesamiento para manufactura industrial. Un estudio sobre viabilidad técnica y económica del cáñamo en Cataluña (Gorchs, 2006) señala al cáñamo como un proveedor de productos benignos para el medio ambiente por sus bajos impactos ambientales y un buen aprovechamiento de nutrientes, así como protector de los suelos agrícolas. Entre estas ventajas del cultivo se pueden señalar: - Bajo uso de recursos energéticos no renovables (en comparación con el algodón). -La fibra de cáñamo secuestra grandes cantidades de carbono (58%). -Fomenta la rotación de diferentes monocultivos y “descansos de suelo” en el mundo, como diversos cereales y trigos (Gorchs, 2006). -El cultivo de cáñamo incrementa la biodiversidad en su entorno. - El uso de plaguicidas y herbicidas es casi inexistente durante el cultivo. Usos derivados del cáñamo industrial El número de productos derivados de las diversas materias primas que se pueden
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Usos actuales del cáñamo industrial TEXTILES -ropa -pañales -tejidos -bolsos de mano -ropa de trabajo -mezclilla -calcetines -zapatos -telas -finos textiles (de fibras algodonizadas)
TÉCNICAS TEXTILES
OTROS PRODUCTOS INDUSTRIALES
- cordeles - cuerdas - redes - bolsas de tela - lonas - alfombras, - geotextiles
- agrocompuestos de fibra -pzas. moldeadas por compresión - forros de freno / embrague - calafateo
PAPEL
MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN
PRODUCTOS TÉCNICOS
- papel para impresión - papel fino y papeles especiales - papel de filtro técnico, - papel periódico, - cartón - embalaje
- paneles int. - materiales de aislamiento - sustituito de fibra de vidrio - bloques de cemento, estuco y mortero
- pinturas de aceite - solventes - barnices - lubricantes (ej: motosierra) - tintas de impresión - masilla - revestimientos - combustible
ALIMENTO
FIBRAS LIBRES
- aceite vegetal - margarina - complemento alimenticio
- corrales para animales, - abono - composta (en conjunto con hongos)
CAÑAMIZA
PRODUCTOS HIGIÉNICOS aceite de cáñamo
HOJAS fluidos abrasivos
fluidos celulares
TALLO DE CÁÑAMO CON SEMILLAS
- jabón - shampoo - gel de baño - cosméticos
SEMILLAS semilla molida
- resistente a plagas, - control de mala hierba - la eliminación de los plaguicidas sin desventajas - aislamiento del polen - la mejora del suelo en la rotación de cultivos
CÁÑAMO (PLANTA)
Beneficios Agrícolas
PLANTA COMPLETA
ALIMENTOS - granola - alimento para aves
(comprimida) - alimento para animales - harina alta en proteinas
- combustible para calderas - materia prima de pirólisis (energía)
Diagrama: Usos actuales del cáñamo industrial. (IENICA, 2007)
obtener de ella van más allá de los 25,000 productos (Acosta, 2001). A partir de las materias primas previamente mencionadas obtenidas de la planta de cáñamo se han desarrollado gran cantidad de productos y han sido utilizados para diferentes fines desde hace miles de años. Producción y Estado actual del cáñamo industrial Actualmente el cáñamo representa menos del 0,5% del total de la producción mundial de fibras vegetales. China es el mayor productor de cáñamo - representando el 33% de la producción mundial (ADAS, 2005). Para el 2006, de una producción mundial de 90,000 Hct, China cultivó 20,000 Hct, mientras que la Unión Europea sumó 23,000 Hct. (FAO, 2009).
El cáñamo industrial y su aplicación como alternativa de material de construcción sostenible.
El cultivo de cáñamo industrial es legal en más de 25 países y en la lista figuran: Francia (mayor productor en Europa), Alemania, Gran Bretaña, Italia, Australia, Holanda, Rusia, Hungría, Rumania, China y Tailandia (Bourrie, 2003). Dentro de lo más reciente, Canadá legalizo el cultivo de cáñamo industrial en 1998. En el 2010 Uruguay comenzó a cultivarlo de forma experimental y controlada, tratando de convertirse en el primer país dentro de América Latina que se dedique a la agroindustria del cáñamo industrial (LAHT, 2011). España es uno de los países en los que el cultivo del cáñamo es permitido con fines industriales (Convención Única de 196, Art. 28.2), La producción medio anual de cáñamo común en España la encabeza Cataluña (Lérida y Barcelona), junto con las provincias de Teruel, Alicante, Castellón, Valencia, Murcia, Segovia, Albacete, Huesca, Zaragoza, Guadalajara, Soria y Baleares (Legalidad en España, 2011). Sin embargo su producción dista mucho de la obtenida en épocas anteriores. El endurecimiento de normativas, la dificultad de transformación y comercialización llevaron a la una considerable tendencia a la baja en cuanto a su siembra desencadenando una baja de una industria especializada en el sector (ej: el traslado de Agrofibra a Francia por falta de cultivo). Ya para 1998 Europa decide endurecer las normativas reguladoras de cultivo de cáñamo, llevando a una disminución del cultivo en la mayoría de sus países. Con ello España comienza a importar cáñamo de Europa del Este, China, Nepal, India, entre otros (De la Figuera, 1992). Importancia por rescatar el cultivo: El cáñamo ha despertado un fuerte interés actual por:
-Amplio abanico de recursos renovables. -Encaja en sistemas agrícolas más sostenibles. -Resulta un cultivo con impactos positivos al entorno, en comparación a grandes cultivos Actualmente existe la tendencia en la sensibilidad del consumidor por la protección del entorno, buscando recursos naturales que no le afecten. Al mismo tiempo, en el aspecto económico hay un incremento en los precios de la energía y en las materias primas, comenzado a ser menos accesibles por un consumo excesivo e inadecuado al no respetarse sus ciclos de renovación.
La reintroducción del cáñamo como cultivo legal y competitivo es un proceso lento, y el sector del cáñamo debe crecer con cuidado para garantizar una sincronía óptima entre la oferta y la demanda (Natural fibers, 2009), competir con productos de calidad y con exactitud de acuerdo a las normas de diversas industrias. A continuación se analizará el caso del cáñamo y su situación actual en la industria de la construcción y el potencial que proyecta en relación al desarrollo sostenible.
Cosecha de cáñamo industrial. [http://hempforyou.com/wp-content/ uploads/2011/02/hemp-harvesting1.jpg]
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CONSTRUCCIÓN CON CÁÑAMO: MATERIAS PRIMAS
El uso de cáñamo para la construcción de edificios ha sido aplicado en Francia a lo largo de la década de los 90. Fue ocupada principalmente para la restauración de edificios con entramado de madera que fueron construidos con la técnica de bahareque y se necesitaba recurrir a un substituto que proporcionase una solución natural. Desde entonces gran cantidad de arquitectos y constructores se han puesto a experimentar con el material para construcciones de obra nueva (Wooley, 2008). Dentro de las principales materias primas que intervienen en sus soluciones constructivas interviene: Cañamiza: Es la materia prima principal para la elaboración de materiales de construcción. Hoy en día es procesada para que pueda prepararse en conjunto con aglutinantes (principalmente a base de cal) como se explicará posteriormente en el empleo de sus diferentes técnicas constructivas. La cañamiza es elaborada cortando los tallos interiores de la planta. Los restos del tallo son dejados de lado para ser cortados en trozos que oscilan entre los 4 y los 35 mm
Cañamiza [http://www.hempreport.com/subscribers/issue20/agfibe/ bulkbaledhempfibre. jpg]
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Fibra de Cáñamo [http://www.hemptraders.com/images/ img_fiber_f_l1.jpg]
(ICE, 2009). Está presente en un 60% dentro de la planta de cáñamo, representando una extracción de esta materia prima entre un 8-12 T por hectárea. El cáñamo, con gran capacidad de secuestro de CO2 de la atmósfera, almacena cerca del 50% del mismo en los restos de cañamiza, llegando a remover 1.83 toneladas de CO2 por cada tonelada de cañamiza (Ruthbridge, 2009). Fibra de cáñamo: Este recurso puede se aprovecha para la elaboración de diferentes productos para el aislamiento térmico de una edificación. Esto se debe a la estructuración hueca es capaz de retener aire al momento de ser entrelazadas. Al mismo tiempo estás fibras no contienen proteínas (únicamente celulosa), por lo que no es del atractivo de las plagas y no requiere tratamiento previo para evitarlas (Allin, 2005). Las fibras - una vez aglutinadas - son cortadas en paneles planos, dispuestas en bloque, en rollos o tiras de tal manera que puedan adecuarse a una función en particular. También pueden ser cortadas en sitio del tamaño adecuado en caso que se desee adecuar estos materiales (Allin, 2005). Cal: La gran mayoría de las formaciones de cal proceden de materiales ricos en carbonato de calcio (CaCO3 ), y en la construcción se presenta en calidad de hidróxido de calcio (Ca(OH)2. Sin embargo, la cal presenta variaciones en sus factores de calidad y procesamiento llevadas en las piedras calizas, así como en los complementos agregados durante su elaboración. La cal la podemos encontrar de dos tipos: Cal aérea (obtenida a través de compuestos de alta pureza de carbonato de calcio para producir hidróxido de calcio) y cal hidráulica (compuesto de hidróxido de calcio con impurezas presentes – ya sea con
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arcillas, sales o alúmina) Este último tipo pasa por una etapa de horneado (a 900°C), donde produce material pozzolánico y se producen sus impactos ambientales. Sin embargo, su ciclo natural de tipo cerrado se mantiene dentro de las construcciones de cáñamo dentro de toda la vida útil de sus edificios, manteniendo una capacidad de absorción de CO2 durante su curado. Las cales aéreas la mantienen casi en la totalidad de su peso, mientras que las hidráulicas lo hacen en un 75% (Greenspec, 2011). Agregados: Se incorporan a la cal. Comprende arenas sílicas (de materiales arsénicos), piedras trituradas de carbonato de calcio (piedras calizas o conchas), tierra o desechos triturados de tabiques o baldosas de arcilla. Son ocupados en la elaboración de mezclas para enlucidos y recubrimientos, y su presencia dependerá de la resistencia que se quiera incorporar al compuesto, además de influir en las propiedades térmicas del material (ICE, 2009). Madera: Ocupada en gran parte de las soluciones constructivas – principalmente estructurales. En su uso es importante considerar aquellas especies, fábricas o centros de distribución que promuevan el uso de madera que respete adecuadamente sus ciclos de renovación. En España puede encontrarse bajo la certificación PEFC, que garantiza esta premisa en cada uno de los procesos de extracción, transformación de esta materia prima, así como origen natural de los mismos y una gestión sostenible de los bosques donde se extrae. Caña (arundo donax): Se trata de otro cultivo milenario, proveniente del norte de la India y del Sureste de Nepal (Mota i Freixas, 2009), y cuyos usos como material de construcción tienen más de 5,000 años de antigüedad (Broadbent, 2008). Es la especie con el
mayor índice de crecimiento en el planeta, y llega a ser una planta invasora en varios ecosistemas. El exceso de cultivo puede ser aprovechado también en los sistemas constructivos del cáñamo industrial al combinarse con barro y cal aérea, que combinado con el cáñamo puede ayudar a preservar (protegiendo del sol a las cañas) y endurecer la estructura con el tiempo. Sin embargo, pensar por ahora en esta mezcla de cáñamo/barro para el tema de cubiertas por ahora no se ha encontrado una mezcla ligera, por lo que ahora representa ser un riesgo. Tierra: Algunos estudios en la materia han enfatizado lo que representa en costos de extracción, energía incorporada y emisiones de CO2 el uso de cal en las construcciones de cáñamo. Actualmente se estudian alternativas mediante el análisis de las construcciones con tierra – y en particular la arcilla con sus propiedades de aglutinante – e incorporarlas en las técnicas constructivas con cáñamo. El uso de la tierra en la edificación ha demostrado ser muy útil por las propiedades térmicas que le brinda al edificio por su masa térmica; sin embargo, aun presenta problemas en relación al manejo de la humedad y su rendimiento como aislante no es el más adecuado en comparación con otras mezclas con cáñamo industrial. TÉCNICAS CONSTRUCTIVAS, ELABORACIÓN DE MEZCLAS Y AGLUTINANTES CON CÁÑAMO Un compuesto de cáñamo/cal se forma con la mezcla de los siguientes componentes: Cañamiza, agua y un aglutinante a base de cal.
La cal, al combinarse con la cañami-
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za, es capaz de dotarle protección a la cañamiza de ciertos riesgos. Con la alta alcalinidad de la cal, se encarga de proteger a los restos de cañamiza de la descomposición biológica, además de protegerla de la humedad y asegurando su resistencia al fuego (Wooley, 2009). Las proporciones de la mezcla de cañamiza, el aglutinante de cal y agua dependerán del uso al que será destinada – muros, suelos o cubiertas – así como en su método de aplicación que revisaremos más adelante (ICE, 2009). Compañías como Lhoist o Lime Technologies han trabajado y probado este material para ofrecer la calidad y consistencia necesaria para trabajar en conjunto con el cáñamo en las siguientes proporciones: Cal hidratada (50-60% por masa), Cemento Portland (30-40% por masa) y materiales pozzolánicos (5-10% por masa) (Lhoist, 2011). En la actualidad existen compañías que suministran los elementos necesarios para la elaboración de la mezcla. En el caso de Tradical y la elaboración de su mezcla conocida como Hemcrete basa su mezcla en componentes: Tradical HF (cañamiza) y Tradical HB (aglutinante). Ambos productos son suministrados a una única especificación y se combinan con agua - ya sea con máquinas de volteo o mezcladoras- para formar el producto final, variando las proporciones en función a los espesores a tratar, así como en los elementos constructivos a construir: (cerramientos, forjados o cubiertas). Aplicación de la mezcla de cal / cáñamo en obra Con un entramado de madera se cumplen las demandas estructurales de los edificios, mientras que con las mezclas de cal con cáñamo se elaboran los cerramientos, dotando de óptimas propiedades térmicas (Wooley, 2008). Para el vertido de la mezcla, los encofrados se elaboran con de
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madera o, en caso de encofrados permanentes, se recurre a tablas elaboradas ya sea con madera y magnesita (ej: Heraklith), yeso reciclado o papel reciclado, los cuales son permeables al vapor, mejorando el desempeño de los muros. Algunas de las técnicas de empleo que han resultado exitosas en la construcción con cáñamo se comentarán a continuación. Por lo general los espesores de los muros van entre los 20-50 cm. de recubrimiento del marco de madera exterior (Wooley, 2006), y en caso que haya sido ejecutado correctamente puede mantenerse sin necesidad de revestimiento interior alguno. He aquí los siguientes: Apisonado: Consiste en la colocación de la mezcla de cáñamo / cal en el interior de los encofrados y es apisonada manualmente para la elaboración de los cerramientos de la edificación. Es recomendable para obras pequeñas (menores a 70 m3 de mezcla en obra), donde la autoconstrucción o el coste de mano de obra sea accesible. Rociado: Es ocupado en construcciones grandes y demandan velocidad en la aplicación. Se basa en un sistema de aspersión que pueda rociar el material sobre los encofrados en una sola cara, y deben estar lo suficientemente apoyadas para recibir el peso de rociado. Se garantiza una consistencia homogénea en su aplicación. Bloc: Actualmente existen bloques prefabricado y autoportantes en algunos casos. En España se encuentran bloques Cannabric (Guadix, Granada), mientras que en Francia los desarrolla la empresa Technichanvre bajo el nombre de Chanvribloc. Los bloques de cáñamo manejan las mismas propiedades térmicas y acústicas y la inercia térmica que los sistemas anteriores, pero demandan mucho tiempo de anti-
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Bloques de cáñamo marca Cannabric Autor
cipación para su fabricación. Sin embargo, son una alternativa comercial en sitios donde no se pueda disponer de cáñamo o de materiales cerca del sitio. Paneles: Algunas empresas las han comenzado a desarrollar, y destacan diferentes versiones de paneles hechos con cáñamo que pueden ocuparse tanto en interiores como exteriores y, poco a poco, buscan competir contra productos tradicionales en la industria de la construcción. Algunos ejemplos son el Cannapanel (de la empresa Cannabric), Technicompact (elaborado por Technichanvre) o el sistema para oficinas y naves industriales Hemclad (Lime Technologies). En cuanto a acabados, las construcciones de cáñamo ocupan productos y materiales con los que se pueden obtener la misma apariencia y calidad que los que ofrece la construcción tradicional. En su gran mayoría se elaboran con cal o de materia prima de origen natural (combinados principalmente con cañamiza de bajo gramaje y arena) con bajo impacto ambiental. Para lugares predominantemente lluviosos, pueden ocuparse paneles de madera dejando un espacio razonable para permitir la respirabilidad de los cerramientos. PROPIEDADES DE LOS CERRAMIENTOS ELABORADOS CON CÁÑAMO INDUSTRIAL Ventilación y humedad- Los cerramientos de cáñamo / cal tienen la particularidad de
controlar la humedad gracias a la respirabilidad que ofrece la cal y las propiedades higroscópicas de la cañamiza - capacidad para absorber humedad y regresarlo al ambiente de acuerdo a las condiciones atmosféricas presentes. Esto se traduce en una buena calidad de aire interior, mínimas condensaciones y mayor durabilidad de elementos estructurales metálicos o de madera expuestos a la humedad. Propiedades Térmicas Estos cerramientos son capaces de ofrecer una alternativa de tipo sostenible que pueda minimizar los flujos de calor, reduciendo así los consumos energéticos del edificio. Conductividad térmica (W/mk): Es un factor importante a evaluar en los edificios para buscar la reducción de sus consumos de energía. Se considera como material de aislamiento aquel con un índice de conductividad térmica menor a 0.1 W/mK. Se han hecho varios estudios y se ha llegado a una cifra conservadora de conductividad térmica de compuestos de cáñamo de 0.09 W/mK (Wooley, 2006), aunque varia esta cifra con la densidad y la presencia de humedad de los cerramientos (0.07-0.15 W /mk). Conforme va secándose los compuestos, su conductividad mejora. Transmitancia térmica (Valor U): Sigue siendo un concepto común utilizado para la comparación de cualidades de aislamiento térmico de diferentes construcciones. Algunas investigaciones se han llevado a cabo. Para un muro de 300 mm., Lhoist maneja un valor teórico de 0.29 W/m2.K, mientras que varios estudios manejan valores U de 0,23 - 0,36 W/m2.K . Estos valores no son estáticos al no encontrarse en estado de equilibrio los edificios que emplean estos materiales y - a diferencia de los métodos de
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construcción convencionales - el desempeño de cáñamo-cal edificios es mucho mejor que lo sugerido por el U-valor. Las propiedades higroscópicas intervienen en la transmitancia térmica reaccionando con los cambios en el ambiente (Forde, 2008). EMISIONES DE CO2 y CICLO DE VIDA Cuando se habla del carbón incorporado en un material se refiere al total de las emisiones de gases de dióxido de carbono (CO2) asociadas con la energía incorporada en el mismo – la suma del total de energía primaria consumida en la elaboración y distribución de un producto: extracción, transporte, producción, empaquetado y entrega. Resumiendo los procesos llevados en las materias primas, llegamos a un total de CO2 incorporado es de 110 Kg. de CO2/m3 o 33 Kg de CO2/m2 para un muro de 30 cm. de cáñamo / cal, aunque esta cifra puede variar por la densidad de la mezcla y por la técnica empleada en la colocación del material (Forde, 2008). COSTOS Y EJEMPLOS La reducción de costos en estos materiales está en constante experimentación. Si bien ya existen ejemplos de construcciones de cáñamo, se siguen buscando formas de simplificación en detalles constructivos, espesores y mejoramiento de técnicas de colocación. En el caso de España la oferta actual de materiales es cada día más competitiva en cuanto a precios, y un ejemplo es el sistema de cannapanel que está por encima de un casi 5% con respecto los paneles de prefabricación de hormigón . Sin embargo su reducción de costes también está en la eficiencia energética del funcionamiento de sus edificios, y en el bajo coste ambiental de sus materiales.
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Casa de cáñamo en Asheville, Carolina del Norte - primera construida con cáñamo en Estados Unidos [http://www.hemp.com/2011/01/first-in-the-country-an-asheville-house-made-of-hemp/]
CASO DE ESTUDIO: CASA GAROZA CON EL CÁÑAMO INDUSTRIAL Al haber repasado las implicaciones que tiene el cultivo de cáñamo, su viabilidad para ser cultivado en España y las diferentes técnicas constructivas, propiedades físicas y comportamiento del material en la construcción, se realizó un caso de estudio teórico donde se puso a prueba un posible cultivo de cáñamo en un sitio para la edificación de un modelo constructivo. Para ello se analizaron las cantidades de producción de cáñamo, así como la comparativa con un modelo de prefabricación tradicional con un ejemplo paralelo, sustituyendo sus detalles constructivos al utilizar cáñamo y sus soluciones constructivas en la medida posible.
Casa Garoza (Callejas, Javier / Plataforma Arquitectura 2011)
El cáñamo industrial y su aplicación como alternativa de material de construcción sostenible.
Una vez listas las unidades, estas son transportadas directamente al sitio, donde son instaladas en un día de trabajo. Únicamente la última capa de la fachada y la cubierta se colocan in situ para asegurar continuidad, solape e impermeabilización de los encuentros (Herreros, 2011). Casa Garoza: Versión en cáñamo industrial Obtención de la materia prima: En esta parte el proyecto de la Casa Garoza fue modificado manteniendo las dimensiones originales del módulo, pero sustituiremos su sistema constructivo empleando materiales y técnicas constructivas propias del cáñamo industrial para una comparativa lo más similar posible en cuanto a los cerramientos de cáñamo con los materiales propios de la Casa Garoza. En cuanto a la obtención del cáñamo como principal materia prima, se contempla trabajar parte del terreno para cultivar y obtener el cáñamo necesario para la construc-
or
te
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cultivo
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mb
abr.
em b de alaje c tra ortif ns ica for ció ma n co s ciò en ech n /t ria a ra do ns
po
opción 2: cáñamo / semillas
ra
ión
opción 1: cáñamo / fibra
pr ep ar ac
Se procedió a estudiar a la Casa Garoza desarrollado por Herreros Arquitectos en el 2011. Consisten en un prototipo industrializado de vivienda de 75 m2 construidos en una primera etapa, capaz de crecer según sus necesidades o intereses” (Herreros, 2011). Su fabricación se lleva a cabo casi en totalidad dentro del taller. Ahí se elaboran las unidades completas, incorporando con todos los acabados interiores del tamaño máximo que admite el transporte convencional (3 m. de ancho, 2’50 de altura, y hasta 12 de longitud) (Herreros 2011).
ción de la vivienda del caso-estudio. De la superficie total de 2,3857 Ha., se consideró sembrar la mitad del predio (1,15 Ha.) para la producción de la cantidad de cáñamo necesaria para la vivienda. Esto considerando 7-10 Toneladas para una construcción de 100 m2, pudiendo obtenerse en 1 Hct. de cultivo (Tradical, 2011 /Cannabric 2011).
sie
El lugar donde se desarrolló la comparativa fue en el municipio de Argentona (cerca de Mataró, Barcelona), donde el clima permite el cultivo de cáñamo industrial. Para ello se eligió una parcela con una superficie de 2,38 Hct.
oct.
decortificación
transporte / fab. materiales construcción
Gráfica de procesos de cultivo y cosecha de cáñamo. (elaboración propia)
Mediante el análisis del proceso para la obtención de cáñamo y cañamiza (opción 1: abril - mediados de agosto) se observaron todos trabajos a realizar y la factibilidad de los mismos para la obtención de cañamiza que se emplearía en la casa con cáñamo. En ella se observó que es factible si realización, siempre y cuando se consideré una posible la falta de precipitación, costes adicionales en mano de obra y lo que implica procesar la cañamiza en sitio. Sin embargo, la tendencia indica que el mayor uso de estos materiales fomentaría a un número mayor de cultivos derivando en el establecimiento de plantas procesadoras a una escala regional que eventualmente reducirá los costos, fomentando así el desarrollo de una actividad económica local y benéfico al medio ambiente. Proceso constructivo con cáñamo: En este apartado se describió la obtención de diversos materiales y trabajos que por ausencia de materias primas dentro del sitio tendrán que obtenerse de fuera, siguiendo en la medida de lo posible un proceso simi-
CÁÑAMO INDUSTRIAL: RESUMEN
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UPC-ETSAB IDERA 09/11_Integración de Energías Renovables en la Arquitectura
CASO DE ESTUDIO: RENDIMIENTO TÉRMICO tanque de almacenamiento de agua cañamiza
H2O agua
mezcladora
3-4 personas electricidad
bomba
rociadora tabla protectora
cal aérea
andamios
Organización del sitio para la colocación de la mezcla de cáñamo en cerramientos (elaboración propia - Fuente: Allin, 2005))
lar empleado en el sistema constructivo de la Casa Garoza. Aquí se revisó desde los trabajos de extracción y procesamiento de una estructura prefabricada con madera PEFC y su transporte al sitio. Una vez armada la estructura en sitio, se expuso el procedimiento para colocación de los cerramientos y recubrimientos siguiendo el sistema de rociado - el cual por volumen y tiempos de obra resultó el más adecuado. En comparación a la casa Garoza, este sistema implica un mayor tiempo de construcción. Si bien la estructura puede elaborarse en 2-4 días y la colocación de la mezcla de cáñamo en los cerramientos entre 1-4 días adicionales (dependiendo del personal y disponibilidad del equipo), se tiene que esperar entre 7-10 días más para el reposo y posterior colocación de los acabado (1 jornada). Sin embargo los impactos ecológicos que pueden producirse en la realización del vertido de la mezcla son bajos (salvo la energía ocupada en los equipos), pues son materiales biodegradables y sin impactos (salvo posibles incrementos en el ph del suelo por la presencia de cal - Allin, 2005).
18
Al retomar algunas propiedades térmicas de los cerramientos elaborados con cáñamo industrial, se pusieron a prueba para revisar como actúan en un caso estudio como el de la Casa Garoza. Con la elaboración de un análisis de balance y variabilidad térmica del edificio, revisando la oscilación que existe en la temperatura interior en ambos casos, teniendo en cuenta el mantenimiento de la orientación de la Casa Garoza, los datos climáticos correspondientes al sitio en Argentona, así como los materiales con sus diversos espesores y lo más apegado al proyecto original. El caso de la Casa Garoza, la mayoría de sus cerramientos metálicos emplean sistema de aislamiento paneles sándwich de poliuretano y un acabado en paneles de madera OSB, sostenidos a través de un bastidor metálico. Al ser sustituidos por el sistema constructivo de cáñamo industrial, estos materiales son comparados con los cerramientos que incorpora la mezcla cáñamo-cal y panel Heraklith con madera como bastidor y material principal de estructuración. Transmitancia térmica (valores U) Una vez determinados los materiales presentes, se realizaron los cálculos por medio de los espesores, las densidades y los niveles de conductividad térmica de cada uno de ellos lo más fidedignamente posible Los valores “U” en cada edificio presentaron variaciones en sus coeficientes debido a un ligero cambio en el espesor o variación en presencia/ausencia de materiales por su ubicación dentro del módulo (muro, cubierta, forjado, etc.). De cualquier forma predomina la presencia de niveles más bajos de coeficientes en los cerramientos de cáñamo industrial y apegados a los mencio-
El cáñamo industrial y su aplicación como alternativa de material de construcción sostenible.
nados por las empresas que manejan productos con cáñamo. Cabe mencionar que los valores “U” de transmitancia térmica en los cerramientos de cáñamo-cal no son constantes, esto debido a la humedad; sin embargo la propiedad higroscópica que presentan sus cerramientos permeables al vapor permite la regulación de la humedad en el edificio de cáñamo, siendo un valor agregado que no está presente en el Casa Garoza por la impermeabilidad que hay en el empleo de materiales metálicos en sus cerramientos. 3500
cáñamo-cal madera
Capacidad Calorífica (inercia térmica KJ / m3K)
3500
cuenta también en los consumos de energía en la casa de cáñamo, sólo que en el cálculo son empleados en un 50% menos. Verano - En este caso las temperaturas interiores que se logran en verano son muy parecidas – alrededor de los 25 °C – con una variación de temperatura más alto en los sistemas de cáñamo industrial. El incremento de temperatura con respecto a la media de temperatura (23.5°C) se produce en ambos casos ya que el diseño original de la Casa Garoza no cuenta con elementos arquitectónicos pasivos que protejan los sistemas captadores - necesarios en el invierno – del asoleamiento en verano.
hormigòn celuar ladrillo de arcilla
2500
lana mineral hormigón (portland)
2000 1500
Garoza Invierno VARIABILIDAD
1000
Tª EXT
13.3° C 9.5° C 5.1° C
INVIERNO
δ Tª INT
Tª INT
18.15° C 1.13° C 17.02° C 15.89° C
Cáñamo Invierno VARIABILIDAD
INVIERNO
Tª EXT
13.3° C 9.5° C 5.1° C
δ Tª INT
Tª INT
18.99° C 1.57° C 17.42° C 15.85° C
Garoza Invierno VARIABILIDAD
INVIERNO
Tª EXT
13.3° C 9.5° C 5.1° C
δ Tª INT
Tª INT
18.15° C 1.13° C 17.02° C 15.89° C
Cáñamo Invierno VARIABILIDAD
INVIERNO
Tª EXT
13.3° C 9.5° C 5.1° C
δ Tª INT
Tª INT
18.99° C 1.57° C 17.42° C 15.85° C
500
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Humedad Relativa (%)
Capacidad calorífica (inercia térmica) de materiales en la construcción en relación con la humedad (Evrard, 2008)
Cálculos de Balance y Variabilidad Térmica Invierno - Las bajas temperaturas que se producen nos llevaron a tomar como estrategia la búsqueda la mayor cantidad de captación indirecta y, al mismo tiempo, minimizar cualquier intercambio térmico con el exterior y evitar la pérdida de calor en el interior de edificio. Con esta premisa los cerramientos de cáñamo arrojan una temperatura interior ligeramente mayor a la Casa Garoza. Sin embargo, la casa de cáñamo presenta una variabilidad mayor de temperatura – aunque no muy significativa - con respecto a la Casa Garoza. Esto se debe a que la Casa Garoza emplea en su funcionamiento sistemas de calefacción contemplados en los aportes internos del cálculo. Este sistema se tomo en
2.56 W/m3 0 W/m 3
CAPTACIÓN
I I´
2.56 W/m3 0 W/m 3
APORTES INT.
D D´
0.80 W/m3 1.12 W/m3
APORTES INT.
D D´
0.53 W/m3 0.73 W/m3
0.39 W/° C m 3 0.34 W/° C m 3
PÉRDIDAS
G G´
0.44 W/° C m 3 0.35 W/° C m 3
PÉRDIDAS
G G´
0.39 W/° C m 3 0.34 W/° C m 3
Gv Gv´
0.14 W/° C m 3 0.14 W/° C m 3
Ventilación
Gv Gv´
0.145 W/° C m 3 0.145 W/° C m 3
Ventilación
Gv Gv´
0.14 W/° C m 3 0.14 W/° C m 3
Gt Gt
0.24 W/° C m 3 0.20 W/° C m 3
Transmisión
Gt Gt
0.30 W/° C m 3 0.21 W/° C m 3
Gt Gt
0.24 W/° C m 3 0.20 W/° C m 3
2.56 W/m3 0 W/m 3
CAPTACIÓN
APORTES INT.
D D´
0.53 W/m3 0.73 W/m3
0.44 W/° C m 3 0.35 W/° C m 3
PÉRDIDAS
G G´
Gv Gv´
0.145 W/° C m 3 0.145 W/° C m 3
Ventilación
Gt Gt
0.30 W/° C m 3 0.21 W/° C m 3
2.56 W/m3 0 W/m 3
CAPTACIÓN
APORTES INT.
D D´
0.80 W/m3 1.12 W/m3
PÉRDIDAS
G G´
Ventilación Transmisión
I I´
I I´
I I´
CAPTACIÓN
Transmisión
DATOS
DATOS
DATOS
DATOS
0
Transmisión
Comparativa cálculos de balance y variabilidad
Sin embargo, este método no nos permitió involucrar el factor de la masa en términos de inercia térmica, por lo cual no es posible exponer la importancia que tiene este concepto en los cerramientos de cáñamo del cual carecen los cerramientos metálicos de la Casa Garoza. Tampoco fue posible mostrar como los cerramientos de cáñamo - al regular la humedad del interior de inmueble – mejoran significativamente el confort con respecto al desempeño de los muros metálicos en el modelo original de la Casa Garoza. EMISIONES DE CO2 Para esta aproximación se analizaron los principales elementos constructivos que intervienen en ambos modelos. Para la
CÁÑAMO INDUSTRIAL: RESUMEN
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UPC-ETSAB IDERA 09/11_Integración de Energías Renovables en la Arquitectura
constante investigación, actualmente ofrece muchas ventajas y soluciones en comparación con productos industriales.
Capacidad Calorífica (inercia térmica KJ / m3K)
2500
2000
1500
1000
500
iza
poli u exp retan and o ido
o/c al
cañ am
cáñ am
blo hor que mig ón
oar cilla term
ma de (pin ra o)
cáñ (blo amo que )
lad r ma illo cizo
ado be
ma d (rob era le) hor mig arm ón ado
0
Capacidad calorífica (inercia térmica) de materiales en la construcción (fuentes: Cannabric 2011/Holcroft 2010)
elaboración de los datos de cáñamo se tomaron en cuenta los expuestos por Forde y Wooley en el apartado de Ciclo de Vida, mientras que para la obtención de los datos del proyecto de Casa Garoza se tuvieron en cuenta el dimensionamiento y los materiales expuestos en los detalles constructivos previamente expuestos, y las cantidades se obtuvieron del banco de datos ITEC. emisiones de CO2 28.2 Kg.
1 M2
aglutinante de cal 66 Kg.
captura de CO2
=
Cañamiza 33 Kg.
+ -
- 32.4 Kg.
2
108 Kg.
emisiones de CO2
Poliuretano 2.05 Kg.
= - 32.4 M
emisiones de CO2 neto
60.6 Kg.
+
acero galvanizado 8.54 Kg.
1 M2
CO2
Kg.
=
26.71 Kg. 19.67 Kg. 32.83 Kg.
=
=
madera aglomerada 24.32 Kg.
captura de CO2
(ESPESOR= 5 CM.)
-
= 79.21
CO2
Kg. M2
emisiones de CO2 neto
Comparativa de emisiones de CO2 en un cerramiento CO CO de1cáñamo-cal metálico (30 cm.) = 0.06 = con 2.8un Kg. Kg.cerramiento Kg. 1 Kg. (Elaboración propia: fuentes: Forde, 2010 /Wooley, 2006, ITEC, 2011) 2
2
CONCLUSIONES A lo largo de esta investigación se pudo observar que el cultivo del cáñamo es un cultivo con alto potencial y sostenible en sus diversas etapas (extracción, proceso, funcionamiento y recuperación) y en la protección del entorno. A pesar de estar en
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España cuenta con el respaldo del marco legal y demuestra ser una buena actividad agrícola a retomar. A pesar de los bajos niveles de producción que se registran en la actualidad, es un cultivo que genera bajos impactos ambientales, fomenta la biodiversidad y contribuye a la reducción de emisiones de CO2. Las materias primas que se obtienen de la planta tienen la capacidad de ofrecer una amplia gama de productos y recursos renovables. La recién intervención del cáñamo en el campo de la construcción a mostrado ser positivo y en constante desarrollo e investigación. La oferta actual de productos derivados del cáñamo muestran una capacidad de combinación con materias primas de origen natural, lo que permite una fácil recuperación y cierre de ciclos de los mismos. El caso-estudio muestra la posibilidad de la incursión del cáñamo como una alternativa de actividad económica local y sostenible. Con el uso responsable en sus procesos de obtención de materia prima y transformación de los mismos, es posible ver como los sistemas actuales de construcción con cáñamo van mejorando con respecto a los materiales industriales. A pesar de tener desventajas en cuestiones económicas y el tiempos de construcción, presenta posibilidades de contrarrestar los con el mejoramiento de sus procesos y sistemas constructivos en constante evolución. Así mismo, las propiedades físicas y térmicas que ofrece el cáñamo en el desempeño de sus cerramientos cumplen con las demandas actuales en términos de confort y eficiencia energética y presenta ventajas en cuanto al manejo de humedad y eficiencia energética en sus inmuebles.
El cáñamo industrial y su aplicación como alternativa de material de construcción sostenible.
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