Introducción

Desde sus inicios el ser humano empleó los recursos disponibles en la naturaleza para satisfacer sus necesidades básicas; al inicio, por sus patrones de caza y recolección, era nómada, de manera que requería refugios temporales, como grutas y cavernas, para cobijarse (^{Bardou y Arzoumanian, 1979, p. 23}). Más adelante, con la implantación de la vida sedentaria, surgió la necesidad de crear nuevos sistemas de construcción, en algunos de los cuales el adobe ha sido desde ese entonces de los materiales más predominantes. Está constituido principalmente por una mezcla de tierra (tierra, limo, arcilla), agua y algunos materiales como aditivos; también puede contener otros, de refuerzo, como fibras vegetales.

En México hay ejemplos de asentamientos prehispánicos muy significativos; en la región árida, en el estado de Chihuahua, destaca la ciudad de Paquimé, cuyo apogeo ocurrió entre los siglos XIV y XV. Es reconocida por sus construcciones con gruesos muros de adobe dentro de una traza urbana laberíntica (^{UNESCO, 1998}). A pesar de que en el área tropical de México la precipitación media anual es elevada y los vientos del norte azotan fuertemente la costa, el empleo de adobe como material de construcción está presente en por lo menos 132 sitios arqueológicos del centro-sur de Veracruz (^{Daneels y Guerrero, 2013, p. 35}).

Uno de los problemas más importantes, ya sea debidos a causas intrínsecas o extrínsecas, en edificaciones erigidas a base de adobe es la falta de solidez de los materiales. En la actualidad la preocupación por preservar o restaurar todos los vestigios que han dejado culturas ancestrales trae como consecuencia una serie de propuestas o alternativas, como materiales consolidantes que buscan la cohesión mecánica superficial a través de la reintegración de sus partículas; materiales aglutinantes que permitan mantener una unión homogénea de las partículas de adobe o, incluso, una sustitución parcial de las piezas de adobe con otras de características muy similares a la original (Figura 1).

(Fotografía: Josué Israel Moreno Fraga, 2020; cortesía: Centro INAH Zacatecas)

FIGURA 1 Vestigios de muro con aplanado a base de tierra en la zona arqueológica La Quemada, Zacatecas. 

En sistemas constructivos, en general los aditivos son referidos como productos de origen natural o sintético que, agregados en pequeñas cantidades antes o durante el proceso de mezclado, tienen la capacidad de mejorar la trabajabilidad, la resistencia a la compresión y la durabilidad de las estructuras en condiciones climáticas extremas. A lo largo de la historia han variado los aditivos y, por lo mismo, las técnicas para emplearlos nunca han sido estáticas; así, se han utilizado con diferentes propiedades: estabilizantes, consolidantes, adhesivas, aglutinantes, etcétera (^{Veiga, 2017, p. 136}; ^{Ventola et al., 2011, p. 3315}). El hombre siempre ha recurrido a la utilización de los materiales que tiene a su alrededor, así el uso de gomas vegetales, resinas de árboles, miel (^{Barba y Villaseñor, 2013, p. 106}), almidón de arroz (^{Pacheco, 2014, p. 154}), extractos de hojas y tallos de malva (^{Pinta, 2022, p. 8}).

Algunas de las principales ventajas de usar materiales naturales a base de vegetales son las siguientes: son biodegradables (se descomponen biológicamente en elementos naturales sin dañar el medio ambiente), no son tóxicos, son de bajo costo, son recursos renovables, presentan disponibilidad local, por mencionar algunas (^{Jani et al., 2009, p. 309}).

Actualmente los procesos de restauración en elementos de zonas arqueológicas y edificios virreinales en México emplean, para mejorar sus propiedades, aditivos en adobes. El uso de esos materiales se debe ajustar a los lineamientos institucionales generales en materia de conservación del patrimonio cultural establecidos por el Instituto Nacional de Antropología e Historia (^{INAH, 2014}).

El mucílago y la goma son productos de origen fisiológico de la cactácea del género Opuntia comúnmente denominada nopal. El primero, de origen metabólico, se forma dentro de la célula y se produce sin dañar a la planta, mientras que el segundo se considera producto patológico, formado después de que la planta ha sufrido un daño debido a condiciones desfavorables, como la sequía, o a una ruptura de las paredes celulares (formación extracelular; gomosis), lo que provoca la descomposición de la celulosa (^{Prajapati et al., 2013, p. 1686}). Por otro lado, el insecto denominado picudo barrenador del nopal (Cactophagus spinolae) es considerado una plaga que ataca el cuerpo de la planta, que también puede causar en ésta el desarrollo de la goma: en ningún caso es reabsorbida por los tejidos vegetales (^{Lobos et al., 2013, p. 151}).

Éstas son algunas de las similitudes que tienen los mucílagos y las gomas: son sustancias hidrocoloides, amorfas, translúcidas y contienen monosacáridos, muchos de los cuales se combinan con ácidos urónicos. Unos y otras contienen, asimismo, moléculas hidrófilas, que pueden combinarse con agua para formar soluciones viscosas o geles (^{Jani et al., 2009, p. 309}).

El mucílago de nopal está constituido por heteropolisacáridos de alto peso molecular (D-galactosa, L-arabinosa, L-ramnosa y D-xilosa), con propiedades coloidales, que se hinchan y se disuelven exclusivamente en agua caliente. La goma de mucílago es insoluble en disolventes orgánicos, alcoholes y éter, y al hidrolizarse se descompone en determinados ácidos orgánicos complejos, además de pentosas y hexosas (^{Medina-Torres et al., 2000, p. 419}).

Recientes investigaciones se han enfocado en explicar el comportamiento del mucílago de nopal en los sistemas constructivos. ^{Rodríguez-Navarro et al. (2017)} y ^{Pérez et al. (2015)} estudiaron la incorporación de esa sustancia en la formulación de morteros de cal, y encontraron una mejoría en la plasticidad de las pastas y un buen comportamiento ante la erosión de dichos morteros.

^{Pérez et al. (2021)} adicionaron pectina de nopal a morteros de cal, mejorando la plasticidad de la masa y reduciendo el agrietamiento y la absorción por capilaridad durante el secado, además de que obtuvieron un incremento en la resistencia mecánica. ^{Jáidar (2006)} utilizó extractos de vegetales en morteros de cal, y encontró que la aplicación del aditivo después de hidratar la cal es más efectiva, ya que se reduce la absorción capilar y la permeabilidad al vapor de agua. Algunas investigaciones realizadas en adobes son: ^{Guillen et al. (2019)} adicionaron mucílago de nopal en mezclas de tierra-agua-celulosa, que observaron buen comportamiento mecánico y reducción en la absorción de humedad; ^{Medina et al. (2015)} utilizaron gomas vegetales en adobe: como resultado, se redujo la permeabilidad al vapor de agua y se incrementó la resistencia a la abrasión; antes de la aplicación del mucílago de nopal en adobes erosionados, ^{Martínez-Camacho et al. (2008)} emplearon una solución de alcohol/agua con la que se redujo la tensión superficial y se mejoró la difusión del mucílago en el adobe, y ^{Torres et al. (2015)} asperjaron esa sustancia en superficies de adobe, logrando estabilizar la superficie deleznable.

Aun cuando son varios los trabajos encontrados sobre el mu cílago de nopal como aditivo en los sistemas constructivos y, específicamente, en el patrimonio arquitectónico de adobe, es importante ampliar el conocimiento en función de la aplicación de la goma de nopal, ya que, se cree, puede tener una composición química muy similar al mucílago de nopal.

El objeto de este trabajo consiste en realizar análisis de las propiedades fisicoquímicas de la goma de nopal y, evaluando la resistencia mecánica, de su comportamiento como aditivo a diferentes concentraciones en especímenes de tierra cruda comprimida, con la finalidad de establecer una metodología estandarizada y sistematizada que sirva como referencia para su posible uso en procesos de conservación arquitectónica de adobe y demás sistemas constructivos.

Metodología

En este apartado se exponen los materiales, la elaboración de especímenes de tierra cruda comprimida y las técnicas de análisis utilizados en esta investigación.

Materiales

Tierra (tierra, limo, arcilla)

En la elaboración de los especímenes de tierra se utilizó una tierra procedente de San Luis Potosí, México. Para conocer su plasticidad se determinaron los límites de Atterberg (medida que define la consistencia de un suelo en relación con su contenido de agua) de acuerdo con la Norma ^{ASTM D4318-05 (2005)}, y se encontraron los siguientes valores: 29 para el límite líquido (LL), 15 para el límite plástico (LP) y 14 para el límite de plasticidad (IP), los cuales indicaron que aquélla corresponde a una tierra inorgánica de baja plasticidad y es utilizable como material de construcción (^{MMP-1 02/03, 2003}). El tamaño de partícula de la tierra: por debajo de 0.8 mm, se determinó mediante las normas ^{ASTM C136-01 (2017)} y ^{ASTM C117-95 (1995)}.

El contenido de humedad óptimo para la correcta compactación de la tierra se determinó mediante la prueba Proctor, de acuerdo con la ^{Norma ASTM D698-12 (2021)}, y se obtuvo un valor óptimo de humedad de 16.6%, con densidad de 1.9 g/cm3. Con base en todos esos resultados, se diseñó la mezcla de las muestras de tierra que se requerían para el estudio.

Goma de nopal

La goma de nopal Opuntia ficus indica se recolectó en el municipio de Armadillos de los Infante, San Luis Potosí, México (Figura 2).

(Fotografía: Josué Israel Moreno Fraga, 2020)

FIGURA 2 Proceso de recolección de la goma de nopal Opuntia ficus indica. 

Se hizo limpieza superficial de la goma, eliminando los residuos del cladodio. Posteriormente, la goma se deshidrató mediante un proceso de secado en un horno marca Felissa®, a una temperatura de 100 °C, hasta alcanzar un peso constante. La goma seca se trituró y molió en un mortero de ágata hasta obtener un polvo fino y homogéneo. En la Figura 3a se muestra la goma de nopal extraída del cladodio, y en la Figura 3b se aprecia el polvo de ésta obtenido después del proceso de secado. La goma en polvo se colocó en un recipiente hermético y después se llevó a un desecador para evitar la absorción de humedad del medio ambiente. Para la identificación de los grupos funcionales presentes en la goma se realizó un análisis de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR, por sus siglas en inglés) en el equipo Nicolettm iStm 10 de Thermo Scientific, en el Laboratorio de Ciencias Ambientales de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP). Obtener una goma en polvo y completamente deshidratada permite preparar con precisión soluciones a diferentes concentraciones.

(Fotografía: Josué Israel Moreno Fraga, 2020)

FIGURA 3a Estado natural de la goma de Opuntia ficus indica. 3b. Polvo de goma obtenida después del proceso de secado. 

La preparación de soluciones se llevó a cabo mediante un proceso de hidratación de la goma en polvo, que consistió en disolver éste en agua, a una temperatura de 90 °C, manteniendo una constante agitación durante seis horas para asegurar su completa disolución (Figura 4), con lo que se rehidrató la goma de nopal, garantizando la disolución de los azúcares en el medio acuoso y obteniendo una solución con las características y propiedades fisicoquímicas de una goma fresca, en su estado natural.

(Fotografía: Josué Israel Moreno Fraga, 2020)

FIGURA 4 Proceso de hidratación del polvo de goma de nopal Opuntia ficus indica. 

Se prepararon tres soluciones, con 6%, 9% y 12% en peso de goma de nopal. El pH de cada una de ellas para la preparación de los especímenes de tierra se determinó con un potenciómetro Hanna® calibrado con soluciones amortiguadoras de pH 4 y 7, a 25 °C de temperatura.

Preparación de especímenes de tierra

Se realizaron especímenes cúbicos de tierra -con dimensiones de 5 × 5 × 5 cm- sin y con adiciones de 1%, 1.5% y 2% de goma de nopal y 16.6% de agua respecto del peso de la tierra, de acuerdo con la norma ^{ASTM D698-12 (2021)}. Los porcentajes de goma utilizados equivalen a 6%, 9% y 12% en peso respecto del contenido de agua del espécimen sin adición de goma de nopal, el cual se tomará como espécimen de referencia. Previamente, la goma de nopal se disolvió en la cantidad de agua requerida para la mezcla, a 90 °C, con agitación constante durante 6 horas. Después de 24 horas se desmoldaron los especímenes y tuvieron un tiempo de secado (curado) de 28 días a temperatura ambiente.

Evaluación de las propiedades físicas de los especímenes de tierra

Se evaluó la pérdida de peso durante el proceso de secado de los especímenes con adiciones de goma de nopal con mediciones de las diferencias en peso de las probetas respecto del tiempo, hasta alcanzar un peso constante, las cuales se llevaron a cabo en condiciones de laboratorio (temperatura ambiente de 25 °C y 50% de humedad relativa). El índice de capilaridad de los especímenes de tierra se determinó de acuerdo con la norma ^{UNE-EN-772-11 (2011)}; su resistencia a la compresión se evaluó a los 28 días de secado (curado) en una máquina universal Shimadzu UH-600 kNI (60 t) del Laboratorio de Materiales de Construcción (Lamac) de la Facultad de Ingeniería de la UASLP, a una velocidad de 1.5 kg/cm2. Las pruebas para las probetas de adobe se practicaron por triplicado, con las distintas concentraciones de goma.

La preparación y caracterización de muestras así como todos los ensayos, con excepción de los que ya se han indicado en el texto, se llevaron a cabo en el Laboratorio de Procesos Químicos de la Facultad del Hábitat de la UASLP.

Resultados de la investigación

A continuación se hace una breve descripción de los resultados obtenidos, que incluye una discusión de cada uno de ellos.

Composición química de la goma de nopal

La Figura 5 muestra el espectro de FTIR de la goma de nopal, donde se aprecian las bandas características de los grupos funcionales presentes: las localizadas entre 3 470 y 3 130 cm-1 corresponden a la vibración de los grupos hidroxilo (-OH); estas vibraciones se atribuyen al enlace de hidrógeno presente en los alcoholes y el ácido carboxílico; la posición en 2 929 cm-1 se atribuye al estiramiento de los enlaces -CH presentes en la piranosa y en el glucósido -COCH2 (^{Gheribi et al., 2018, p. 208}). Las bandas ubicadas a 1 730 cm-1 y 1 620 cm-1 se asocian con el grupo carbonilo (C=O), y la banda en 1 425 cm-1 está relacionada con la vibración simétrica del grupo (COO-), presente en la estructura de la goma, grupos funcionales atribuidos a la presencia de monosacáridos y residuos del ácido. Por último, las bandas entre 900 y 1 200 cm-1 se atribuyen a la región conocida como la huella de los polisacáridos (^{Razavi et al., 2014, p. 460}).

(Esquema: Juana María Miranda, 2021; cortesía: Laboratorio de Ciencias Ambientales-Facultad de Ingeniería-UASLP)

FIGURA 5 Espectro infrarrojo de la goma de nopal Opuntia ficus indica. 

La presencia de estos grupos funcionales en la goma de nopal corrobora que su composición química está basada principalmente en azúcares compuestos por monosacáridos -los cuales pueden ser muy similares o iguales a los reportados en el mucílago del nopal-, como son la galactosa, la arabinosa, la xilosa, la ramnosa de diferente estructura (Figura 6), mencionados en el párrafo anterior. Es importante mencionar que existe poca información acerca de la composición química de la goma de nopal, sin embargo, dado su origen, es muy probable que su composición sea muy similar a la del mucílago de nopal.

(Esquema: Juana María Miranda, 2021; cortesía: Facultad del Hábitat-UASLP)

FIGURA 6 Estructuras de los monosacaridos presentes en la goma de nopal Opuntia ficus indica. 

El pH de la fase acuosa de los especímenes de tierra registró valores aproximados a 3.5, ubicándolos en un pH de carácter ácido, esto es, ligeramente más ácidos que los encontrados en trabajos previos al emplear mucílago de nopal (^{Torres et al., 2015, p. 102}). El carácter ácido de las gomas puede presentar algunas pequeñas variaciones debido a factores como el grado de madurez del nopal, a condiciones del suelo, al uso de fertilizantes, al clima, la humedad, etcétera (^{Nazareno, 2013, p. 96}).

Comportamiento físico de los especímenes de tierra

En la Figura 7 se aprecia la pérdida de peso durante el proceso de secado de los especímenes de tierra sin y con goma de nopal: véase que, al tercer día de secado, la pérdida de humedad en el espécimen de referencia es de 9%, mientras que los especímenes de tierra con goma de nopal perdieron aproximadamente 6.5%. A los seis días, los especímenes de tierra con goma experimentaron una pérdida de humedad entre 8% y 10%; cabe mencionar que el espécimen que tiene un porcentaje mayor de goma (2%) presenta el valor más bajo de pérdida de humedad, mientras que el espécimen de referencia mostró una pérdida de 12%. A los 10 días del ensayo, los especímenes con goma pierden entre 10% y 12% de humedad, mientras que el espécimen de referencia alcanza una pérdida de 14.5%. Estas diferencias entre los especímenes de referencia y los que tienen goma continúan así hasta alcanzar los 14 días, fecha en que las pérdidas tienden a ser constantes. Ese comportamiento se puede atribuir a la composición química de la goma, ya que, al ser un polímero de alto peso molecular, crea redes de gel internas en las que se retiene el agua y, por lo tanto, se ve reducido su transporte al exterior (^{Khachatoorian et al., 2003, p. 20}). Esa ligera retención de humedad, favorecida por la goma de nopal presente en los especímenes, en los primeros días hace más lento el proceso de secado, lo que podría propiciar menor formación de grietas durante ese proceso. Además, aumenta la plasticidad de la pasta, facilitando la aplicación en forma de capas durante los procesos de reposición de faltantes, acabados superficiales, rellenos, etcétera.

(Esquema: Lilia Narváez Hernández, 2021; cortesía: Facultad del Hábitat-UASLP)

FIGURA 7 Variación de peso de especímenes de tierra con goma de nopal al 1%, 1.5% y 2% en peso. 

En la Figura 8, con los índices de capilaridad obtenidos en los especímenes sin y con adiciones de goma, se observa que las variaciones de esos índices de los tres especímenes adicionados con goma (1%, 1.5% y 2% en peso) son menores en comparación con el espécimen de referencia. Aunque esa diferencia es mínima, se alcanza a advertir, cuanto mayor es el contenido de goma, un ligero decremento del índice de capilaridad.

(Esquema: Lilia Narváez Hernández, 2021; cortesía: Facultad del Hábitat-UASLP)

FIGURA 8 Índice de capilaridad de especímenes de tierra con y sin adiciones de goma de nopal de 1%, 1.5% y 2% a 28 días de curado. 

Los hidrogeles presentes en los especímenes de tierra debidos a la presencia de la goma de nopal presentan una estructura vítrea durante los primeros siete días de secado y, por lo tanto, proporcionan la resistencia necesaria contra la entrada de humedad ocasionada por la acción capilar, lo que genera una disminución de la absorción de agua y, por consiguiente, la reducción del índice de capilaridad (^{Muguda et al., 2017, p. 312}).

En la Figura 9 se observan los especímenes de tierra con 2% de goma de nopal durante el ensayo de capilaridad. Se aprecia que el grado de absorción del agua es muy semejante en las tres probetas ensayadas a esta concentración, después de haber sido expuestas en agua durante 10 minutos. Cabe hacer notar que la sección húmeda de la probeta está intacta y no sufrió pérdidas de tierra durante el ensayo, lo que prueba la eficacia de la goma de nopal para mantener la cohesión entre las partículas de tierra cuando están expuestas a un medio húmedo agresivo (^{Lemboye et al., 2021, p. 2}).

(Fotografía: Josué Israel Moreno Fraga, 2020)

FIGURA 9 Aspecto superficial de especímenes de tierra con 2% de goma de nopal después del ensayo de capilaridad. 

En la Figura 10 se exponen los resultados obtenidos del ensayo de resistencia a la compresión de los especímenes sin y con adiciones de goma de nopal después de 28 días de secado (curado). Se observa un incremento de la resistencia a la compresión conforme aumenta el contenido de goma de nopal, con porcentajes de 12.5% con 1% de goma, 20% con 1.5% de goma y 25% con 2% de goma, comparados con la resistencia del espécimen de referencia. Como puede advertirse, los especímenes de tierra adicionados con 2% en peso de goma mostraron los valores de mayor resistencia a la compresión, lo que indica que a mayor cantidad de goma en la mezcla de tierra, se favorecen las propiedades mecánicas. La presencia de los polisacáridos contenidos en la goma de nopal Opuntia ficus en la mezcla de las tierras induce la adhesión entre las partículas de la tierra, como ya se había mencionado anteriormente, en la Figura 7; la lenta disminución en la pérdida de humedad de los especímenes de tierra, además de apoyar la trabajabilidad, causa un secado lento, el cual evita la pérdida abrupta de humedad y propicia una adecuada cohesión de los materiales. ^{Chang et al. (2016)} mencionan que la presencia de las gomas ayuda a la aglomeración entre las partículas de las tierras por medio de una cohesión inducida derivada de la presencia del hidrogel, que varía con las condiciones de humedad de la mezcla.

(Esquema: Lilia Narváez Hernández, 2021; cortesía: Facultad del Hábitat-UASLP)

FIGURA 10 Resistencia a la compresión de especímenes de tierra con y sin goma de nopal a 28 días de curado. 

Conclusiones del estudio realizado

El proceso de obtención y secado de la goma de nopal resultó eficiente y adecuado, ya que fue posible obtener una goma en polvo seca sin que se modificaran sus propiedades fisicoquímicas. Esto permitió conservarla y facilitar su uso como aditivo durante periodos prolongados (seis meses). Además, el proceso de rehidratación de la goma en polvo resultó viable y efectivo para su empleo en solución.

La composición química de la goma de nopal en función del análisis de ftir permitió establecer la presencia de grupos funcionales pertenecientes a los monosacáridos, que forman las cadenas de los biopolímeros presentes en la goma de nopal, a los que se le atribuyen las características fisicoquímicas de ésta. Los grupos funcionales son muy similares a los presentes en el mucílago de nopal; sin embargo, se requiere emplear otro tipo de técnicas analíticas, como cromatografía, resonancia magnética nuclear y espectrometría de masas, que permitan precisar el tipo de sacáridos presentes. Existen reportes de análisis químicos respecto del mucílago y la baba del nopal, mas todavía se carece de información sobre la goma de nopal (producto patológico generado por el “picudo barrenador”).

El efecto de la goma de nopal en los especímenes de tierra favoreció un secado más lento; cuanto mayor contenido de goma hay en las muestras, más tiempo se retiene la humedad. Ese fenómeno resulta favorable, ya que propicia menor agrietamiento en el espécimen de tierra, mayor cohesión entre las partículas de tierra y mejor apariencia superficial.

La presencia de la goma de nopal en los especímenes de tierra mostró una disminución del índice de capilaridad; a mayor contenido de goma de nopal, menor índice de capilaridad y, por lo tanto, menor absorción de humedad por parte de los especímenes estudiados. La presencia de la goma condujo, conforme aumentaba el porcentaje de ésta, a una menor disgregación de las partículas de tierra durante el ensayo.

Los ensayos de resistencia a la compresión de los especímenes de tierra con goma de nopal también mostraron un mejor desempeño; según aumenta la goma de nopal en el espécimen, es mayor la resistencia a la compresión.

Los diferentes análisis experimentales llevados a cabo en el laboratorio muestran que la goma de nopal es un material, principalmente, a base de polisacáridos, que tiene la capacidad de aglutinar y consolidar la tierra presente en los especímenes, sin alterar su apariencia física y el pH, confiriéndoles firmeza y solidez, lo que incide directamente en su comportamiento físico mecánico.

La goma de nopal presenta las siguientes características: buena penetración en los especímenes de tierra, no es tóxica, se puede manipular fácilmente, es un material ambientalmente amigable, con nula formación de películas plásticas superficiales, ausencia de cristalización. Además presenta buena reversibilidad, ya que, si se requiere retirar o eliminar, se disuelve fácilmente a temperaturas por encima de los 90 °C. Tales características hacen de este material una opción viable para ser utilizado como aditivo consolidante en sistemas constructivos de adobe.

Investigaciones futuras podrían enfocarse en realizar un estudio de vida de anaquel de la goma deshidratada y pulverizada, así como en evaluar tanto la influencia de la goma de nopal en los cambios dimensionales de los especímenes de tierra como el comportamiento mecánico de éstos, utilizando mayores concentraciones de goma de nopal y a tiempos de curado más prolongados.