DISEÑO Y APLICACIÓN DE CONCRETO POROSO PARA PAVIMENTOS

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1 DISEÑO Y APLICACIÓN DE CONCRETO POROSO PARA PAVIMENTOS YF Moujir 1, LF Castañeda 2 Estudiantes de Ingenieria Civil Pontificia Universidad Javeriana-Cali 1 2 Resumen En En el presente documento se revisará la adecuada aplicación de concreto poroso para pavimentos Para lograrlo, el grupo de estudio realizará una serie de pruebas para dos tipos de mezclas de concreto permeable, con y sin agregados finos, para medir su resistencia a compresión y a flexión, permeabilidad, módulo de elasticidad, módulo de rotura, porcentaje de vacíos, entre otros, con el fin de verificar las características del concreto permeable que se debe utilizar en obras de construcción para infraestructura vial Abstract In this thesis the development of porous concrete for paving is studied To achieve this, the study group conducts a series of tests for two types of mixtures of pervious concrete, with or without fine aggregates, to measure its compression and flexural resistance, permeability, modulus of elasticity, void spaces and others, in order to verify the characteristics of pervious concrete to be used in this type of construction 1 INTRODUCCION Las superficies de pavimentos están sometidas a recibir grandes volúmenes de aguas lluvias, estos contenidos hídricos, no solo afectan al suelo, sino que también terminan desperdiciándose al dirigirse directamente a los alcantarillados tratándose como aguas residuales En vista del impacto ambiental que el planeta está atravesando y sumado a la escases porcentual de agua que se tiene para el consumo humano (1), se retoman técnicas que en el pasado tal vez no fueron trascendentales para la ingeniería Colombiana, pero que en el presente podrán ser determinantes para rescatar los recursos naturales Por esta razón, se planteo realizar una investigación que explore la tecnología y aplicación del concreto permeable El objetivo general de la investigación será, diseñar un concreto poroso aplicado a estructuras de pavimento rígido comparando la inclusión o no de agregados finos en la mezcla, posteriormente se identificará una metodología apropiada para el diseño de un concreto poroso, siguiendo con la evaluación de las propiedades físico-mecánicas por medio de ensayos de laboratorio y finalmente comprobar la viabilidad económica de la aplicación de concreto poroso con respecto al convencional 2 FUNDAMENTACIÓN TEORICA Dentro de la fundamentación teórica del documento de investigación, se debe explicar los conceptos referentes a las pruebas de de permeabilidad, prueba de resistencia a la flexión, prueba de compresión simple, las cuales se consideraran como determinantes para la prueba de las mezclas

2 21 PRUEBA DE PERMEABILIDAD La permeabilidad mide la cantidad de migración de líquidos por los poros del material en un determinado tiempo; esta propiedad está directamente relacionada con las características de los materiales, la relación agua/cemento y el contenido de vacios de la estructura Para su cálculo se utiliza la norma ACI- 522 R que aplica la ley de Darcy: = h h 22 PRUEBA DE RESISTENCIA A LA FLEXION La resistencia a la flexión es una medida de la resistencia a la tracción del concreto Es una medida de la resistencia a la falla por momento de una viga o losa de concreto no reforzada (3) (4) La resistencia de diseño especificada a la tensión por flexión, se verifica en especímenes moldeados durante el colado del concreto, correspondientes a vigas estándar 6 X6 y mínimo 21 (15 cm x 15 cm x 53 cm), compactando el concreto por vibro compresión y una vez curados adecuadamente, se ensayan a los 7 y 28 días aplicando las cargas en los tercios del claro, fabricados conforme a ASTM C y probados conforme a ASTM C (4) 23 PRUEBA DE COMPRESION SIMPLE Esta prueba determina la resistencia a compresión haciendo uso de cilindros de concreto, para esto se aplicará una carga axial a una velocidad que está dentro de un rango determinado hasta que la muestra falle El cálculo de la resistencia a la compresión que alcanza una muestra de concreto se establece mediante el cociente entre la carga máxima alcanzada durante el periodo de ensayo y la sección transversal de área del espécimen 3 RESULTADOS Después de tener un diseño de mezcla establecido, se decidió evaluar el comportamiento de dos tipos de mezcla, la mezcla Tipo I con finos y la mezcla Tipo II sin finos, bajo el método establecido por la investigación de referencia Adicionalmente se tomó la norma ACI 522 R, como modelo para validar las mezclas obtenidas en los diseños planteados en esta investigación, pues no existe un procedimiento establecido de ensayos que se apliquen al concreto poroso En cuanto a los resultados, se consideraron los ensayos de: asentamiento del concreto; masa unitaria y rendimiento volumétrico; porcentaje de vacíos; resistencia a compresión; resistencia a flexión; modulo de rotura; modulo de elasticidad; permeabilidad Los resultados en cada uno se describen a continuación 31 ASENTAMIENTO DEL CONCRETO Este ensayo se realizó para cada una de las muestras, teniendo en cuenta los parámetros expuestos en la norma NTC 396 método de ensayo para determinar el asentamiento del concreto Tabla 1 Resultados ensayo de asentamiento para las mezclas Tipo I y Tipo II Mezcla Ensayo de asentamiento mm Pulg mm Pulg Promedio Desviación estándar De acuerdo a los resultados obtenidos en la tabla 1, el asentamiento promedio de la

3 mezcla tipo I con finos, es aproximadamente 12% menor que la mezcla Tipo II sin finos 32 MASA UNITARIA Y RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO Este ensayo se realizó para cada una de las muestras, teniendo en cuenta los procedimientos establecidos en la norma NTC 1926 método de ensayo para determinar la densidad (masa unitaria), el rendimiento y el contenido de aire por gravimetría del concreto Tabla 2 Resultados ensayo de masa unitaria para las mezclas Tipo I y Tipo II Mezcla MASA UNITARIA Masa Unitaria [Kg/m3] Masa Unitaria [Kg/m3] Promedio Desviación estándar Como se muestra en la tabla 2, la masa unitaria de la mezcla tipo I, es aproximadamente 6 % más densa que la mezcla tipo II, este se debe principalmente a la presencia de arena en la mezcla Tipo I y a un mayor porcentaje de vacios en la mezcla Tipo II, lo que se traduce en una estructura abierta y menos densa En cuanto a la masa unitaria del concreto convencional, ambas mezclas tienen densidades menores a los intervalos habituales, entre Kg/m3, esto se debe a un mayor porcentaje de vacios en las mezclas de concreto poroso Tipo I y Tipo II, a la cantidad de aire atrapado, a la relación agua/cemento y en general a las propiedades de los agregados Tabla 3 Rendimiento volumétrico para las mezclas Tipo I y Tipo II Mezcla RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO Masa total materiales [Kg] Masa Unitaria [Kg/m3] Relación [m3] Los resultados obtenidos para el cálculo del rendimiento volumétrico, se realizaron con la masa unitaria promedio de las mezclas Tipo I y Tipo II De la tabla 3, se observa que el peso de los materiales sumado en sus cantidades individuales, es muy cercano al peso total de la mezcla estado fresco, sin embargo, un valor mayor a 1 en el rendimiento volumétrico implica una exceso de concreto (7) 33 RESISTENCIA A COMPRESIÓN CILINDROS En la tabla 4, se muestran los resultados obtenidos tras realizar el ensayo de resistencia a compresión a los diseño Tipo I con finos y Tipo II sin finos, de cada diseño se fundieron 7 mezclas y por cada mezcla se obtuvieron 4 cilindros para compresión y de esos 4 cilindros, 2 se ensayaron a los 7 días y 2 los 28 días, para un total de 14 cilindros a 7 días y 14 a 28 días Tabla 4 Resultados resistencia a la compresión para las mezclas Tipo I Resistencia promedio de cilindros a compresión Diseño Edades 7 Días 28 Días Mezcla Ton MPa Ton MPa Se puede observar que las mezclas de concreto poroso Tipo I y Tipo II, cumplen con la resistencia deseada para su aplicación en pavimentos según el objetivo de esta investigación, sin embargo, es necesario

4 realizar una mejora al diseño de mezcla en función del tiempo al cual el concreto puede entrar en funcionamiento, pues la resistencia esperada solo se logra a los 28 días de fundida la mezcla 34 RESISTENCIA A FLEXIÓN VIGUETAS, En la tabla 5, se muestran los resultados obtenidos tras realizar el ensayo de resistencia a compresión a los diseño Tipo I con finos y Tipo II sin finos, de cada diseño se fundieron 7 mezclas y por cada mezcla se obtuvieron 4 cilindros para compresión y de esos 4 cilindros, 2 se ensayaron a los 7 días y 2 los 28 días, para un total de 14 cilindros a 7 días y a 28 días Tabla 5 Resultados resistencia a flexión promedio de las mezclas Tipo I y Tipo II RESISTENCIA PROMEDIO DE VIGUETAS A FLEXIÓN Diseño Edades 7 Días 28 Días Mezcla Kg/cm2 MPa Kg/cm2 MPa Según los resultados obtenidos en la tabla 5, la resistencia de la mezcla Tipo I es aproximadamente 3 % mayor, que la mezcla Tipo II, esto muestra que la diferencia entre las dos mezclas no es relevante en cuanto a esta característica mecánica, pues los resultados obtenidos exponen resistencias homogéneas y sin gran variación entre sí 35 MODULO DE ROTURA En la tabla 6 se muestran los resultados obtenidos tras realizar el cálculo del módulo de rotura, para 7 mezclas con el diseño Tipo I con finos y 7 mezclas con el diseño Tipo II, según lo expuesto en la norma NTC 2871 Tabla 6 Resultados Modulo de Rotura promedio para las mezclas Tipo I y Tipo II MODULO DE ROTURA PROMEDIO Diseño Edad 28 Días Mezcla Kg/cm2 MPa De la tabla anterior se obtiene un módulo de rotura (MR) de 37 / y 35 / para la mezcla Tipo I y Tipo II respectivamente, ambos resultados son inferiores en comparación con la resistencia que debe alcanzar el concreto (8) de 38 / que es el valor mínimo para vías con transito inferior a 25 camiones por día 36 MODULO DE ELASTICIDAD En esta investigación se utilizó el método por secante para calcular el módulo de elasticidad Tabla 7 Resultados módulo de elasticidad de las mezclas Tipo I y Tipo II DISEÑO Resistencia de diseño [MPa] DISEÑO DE COCNRETO POROSO Mezcla Tipo II Mezcla Tipo I Sin finos Con finos [MPa] [MPa] 21 17, ,58308 De la tabla anterior, se puede observar que la mezcla Tipo I es aproximadamente 5% mayor que la mezcla Tipo II, con valores 17,39943 y 16,58308 MPa para una resistencia de diseño de 21 MPa Esto valida la teoría con respecto a que a mayor resistencia a la compresión mayor es la resistencia a los esfuerzos con una determinada deformación unitaria, por lo que hay una relación directamente proporcional entre estas dos variables

5 37 PERMEABILIDAD Para cada mezcla Tipo I y Tipo II, se elaboraron 7 mezclas y de cada una se ensayaron 2 cilindros, para un total de 14 cilindros por mezcla Tabla 7 Resultados coeficiente de permeabilidad Mezclas Tipo I y Tipo II Muestra PERMEABILIDAD Tipo I Con Finos Coeficiente K [m/s] Tipo II Sin Finos Coeficiente K [m/s] Promedio 145E E-02 Desviación estándar Coeficiente de variación 885E E % 1169% En la tabla 7 se puede ver que el coeficiente de permeabilidad de la mezcla Tipo II, es aproximadamente un 44% mayor que la mezcla Tipo I, de aquí se infiere que el porcentaje de vacíos es mayor en la mezcla tipo II y por ende su estructura permite un mayor flujo de agua en menor tiempo Tabla 8 Comparación temperatura Investigaciones Concreto Poroso Tipo I Con Finos Tipo II Sin Finos NRMCA Publication #2PPCRT Concretos permeables Ingeniera hoy Uso de poroso en pavimento Noticreto N subramanian Concretos drenantes valor mínimo Concreto Convencional Brite Euram BE Tráfico Pesado coeficiente de Coeficiente [m/s] 145E E E E E E E E E-01 En la tabla 8, se observa que el coeficiente de permeabilidad calculado para los dos tipos de mezcla desarrolladas en esta investigación, son superiores a los valores obtenidos en investigaciones similares, es necesario aclarar que los valores con los que se comparo este coeficiente dependen de otras variables tales como la relación agua/cemento, el porcentaje de vacíos, la dosificación de materiales o la resistencia de diseño, por tal motivo se puede observar una alta variabilidad entre las investigaciones de referencia DISCUSION Y CONCLUSIONES El cconcreto poroso Tipo I, desarrollado en la presente investigación contribuye a la disminución de la escorrentía superficial, utilizando de forma complementaria un sistema de drenaje, el cual permita disponer adecuadamente del agua, sin que ésta afecte las propiedades mecánicas del concreto poroso Este concreto se puede utilizar como capa de rodadura en tráfico ligero o liviano Implementándose en estacionamientos, ciclo vías, andenes peatonales, entre otras Sin embargo, se debe tener un sistema de drenaje complementario, que disminuya los problemas de colmatación debido a la carencia de finos Se puede asegurar que la presencia de finos, brinda una mayor cohesión a la pasta que llena los intersticios del agregado grueso Por otro lado se concluye que la permeabilidad promedio de mezcla Tipo II sin finos, es mayor que la mezcla Tipo I con Finos, también el porcentaje de vacios de la mezcla Tipo II sin finos, es mayor que la mezcla Tipo I con finos, esto se debe a que la pasta de la mezcla tipo I, por efecto de los finos, brinda mayor cohesión entre partículas y disminuye el volumen de vacios Para la realización de concretos porosos, es necesario realizar estudios enfocados a la normatividad del diseño y al desarrollo de métodos de ensayo, de manera que se puede estandarizar la implementación en la industria de la construcción BIBLIOGRAFIA 1 Subramanian N Concreto permeable - un material

6 ecologico que contribuye al ahorro de los recursos hidricos, frente a la escases de agua [Online]; 2009 [cited 2014 Febrero 20 Available from: %20Especial_julio09pdf Velez L Permeabilidad y porrosidad en concreto Revista tecnologias logicas 2010;: p Nrmca El concreto en la practica [Online]; 2006 [cited 2014 Febrero 21 Available from: pdf Flores Prieto JR Caracterización del concreto permeable, usando el modulo de ruptura y el porcentaje de desgaste Morelia:; 2010 ASTM D 2166 Ensayo de Compresion Simple [Online]; 2006 [cited 2014 Febrero 21 Available from: NSAYO-DE-COMPRESI%C3%93N-SIMPLEpdf Minaya Gonzalez S Seminario taller de mecanica de suelos y exploracion Geotecnica Lima:; 2002 Sanchez De Guzman D Tecnologia del concreto y del mortero Santafe de Bogota: Bhandar editores LTDA; Instituto Nacional de Vias Manual de diseño para concreto Medellin:; 2008 [1] Electron spectroscopy studies on magneto-optical media and plastic substrate interface, IEEE Transl J Magn Japan, vol 2, pp , August 1987 [Digests 9th Annual Conf Magnetics Japan, p 301, 1982] [2] M Young, The Technical Writer's Handbook Mill Valley, CA: University Science, 1989

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