PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA J AVERIANA – CALI FACULTAD DE INGENIERÍA
MA E S TR ÍA E N IN G E NI E R Í A C IV IL , É NF A S IS E N CON C ONSS TR UC C IONE IO NE S CONCRETO PERMEABLE DOCENTE PhD. Alejandro Rojas, Msc. AUTORES Jonathan Armijos Tinoco y Juliana Trujillo Urbano
1. RESEÑA HISTORICA El concreto permeable tiene sus inicios en el continente europeo en los años de 1852 en Reino Unido, en donde por escases de materiales y por las pocos recursos para su explotacion se implementaron como materia prima inicialmente agregado grueso y cemento. Posteriormente en Escocia, Edimburgo; se inician proyectos de vivienda impleadon este material. Luego de la segunda guerra mundial, Europa requiere de la necesidad de rehabilitar sus paises en aspectos de infraestructura y vivienda, con esto inicia una era de investigacion referidos a los tipos de concretos enfocados inicialmente en la economía. De la investigaciones realizadas determinan la aplicabilidad de los concretos pososos pososos (grava y cemento) como opcion para la construccion construccion de viviendas. Los primeros paises a implemetar esta tipo de concreto fueron: Reino Unido, Alemanía, Holanda, Francia, Bélgica, Escocia, España, Hungría, Africa Occidental, Oriente Medio, Australia y Rusia. (Castañeda, 2014) En América no ha tenido tanta aceptación de este tipo de concreto durante el siglo XIX, debido a que no ha sido afectada por escases de materiales o dificultad en su explotación. Existen registros del American Concrete Institute por sus siglas en inclges ACI, que destacan la utilizacion de concreto permeable en edificicaciones como:
Proyectos de vivienda en Toronto Base estructural para edificaciones en Ottawa Construccion de elementos de soporte para edificaciones de hasta 10 pisos.
La utlizacion de concretos permeables ha sido considerada en casos muy mu y especificos a relacion del concreto convencional. (ACI - Committee 522, 2006). En colombia no existe documenta informacion referido a la utilización de este tipo de concreto; pero existen registros de investigaciones academicas referente al tema que datan a partir del año 2000, estas son:
Grupo CECATA, de la Pontificia niversidad Javeriana realizó ensayos de laboratorio en concretos porosos con agregados especiales como tiras de plásticos y así así poder estudiar su resistencia. (CECATA, 2002)
Resistencia mecánica y condiciones de obra para concreto poroso en los pavimentos, según el tipo de granulometría. (Meneses Ospina, 2007).
2. DEFINICIÓN Y CARACTERISTICAS GENERALES El concreto permeable se ha diseñado con un alto contenido de vacíos el cual varía entre 10 y 35%, los tamaños de los poros están en el rango de 2 a 8 mm, para lograr este resultado se ajusta la separación del agregado grueso, ya sea eliminando o disminuyendo el volumen de finos en la mezcla. La estructura que se forma con este tipo de concreto es altamente porosa, por consiguiente, es permeable a los fluidos y comparado al concreto convencional presenta una resistencia menor. Uno de los grandes problemas del concreto permeable es su resistencias y durabilidad, estos pueden alcanzar resistencias a la compresión de 20 MPa, dicho problema se puede solucionar utilizando un diseño especial, mezclas químicas y procesos constructivos especializados.La durabilidad en este tipo de concretos se puede mejorar mediante el uso de materiales cementicos como humo de sílice, ceniza volante de carbón y escoria de alto horno. La mezcla de concreto permeable es más rígida, menos trabajable y su tiempo de fraguado es menor, comparado con un concreto convencional; por tal motivo en caso de ser necesario se pueden utilizar aditivos retardantes de fraguado. (Metha, 2014).
3. NORMATIVIDAD VIGENTE ACI-522 R 06 informe que proporciona información técnica en la aplicación de concreto permeable . La norma ASTM C 1688, Método de prueba para determinar la densidad fresca y el contenido nulo de hormigones permeables, se usa para determinar la porosidad fresca de las mezclas de concreto permeable; las porosidades de estado endurecido se evalúan utilizando un método volumétrico.122 Inicialmente, el peso unitario envasada en seco para cada uno de los diferentes agregados se mide de acuerdo con ASTM C 29, y el contenido total de vacío se calcula a partir del peso unitario medido en seco. Si se debe diseñar una mezcla de concreto permeable para lograr una porosidad específica o cierta (φdiseño), se puede suponer el volumen mínimo de pasta necesario (vp-min). Donde vp-min se basa en la suposición de que los agregados en la mezcla se compactan de manera similar al procedimiento ASTM C 29, y la pasta es relativamente incompresible. Dado que el esfuerzo de compactación basado en el procedimiento ASTM C 1688 es inferior al basado en el procedimiento ASTM C 29, la fracción de volumen de pasta se varía para obtener la porosidad del diseño. Esta variación o diferencia en la porosidad se ajusta incrementando la fracción de volumen de pasta o aumentando el esfuerzo de compactación en la fracción de volumen total de la mezcla de hormigón.
4. MATERIALES QUE LO CONFORMAN
El concreto permeable esta compuesto por cemento portland, agregado grueso, poco o nada de finos, aditivos y agua, produce un material endurecido con poros interconectados, cuyo tamaño varia entre 2 a 8 mm lo que permite el paso de agua, el contenido de vacios puede variar de 10 a 35% con resistencias a la compresión típicas de 2.8 a 28 MPa, su velocidad de drenaje depende del tamaño del agregado y la densidad de la mezcla, los agregados de forma redondeada producción mayores resistencias, la resistencia depende de la adherencia de la pasta de cemento y el agregado grueso, la falta de agua puede provocar la falta de adherencia, mientras que el exceso de agua puede obstrucción de los poros, en el primer caso no se tendrá durabilidad, mientras que en el segundo se perderá la capacidad de filtración del concreto
5. RECOMENDACIONES DE DOSIFICACIÓN Para la dosificación de concreto permeable se ha trabajado con prueba y error, por lo que se dosifica una mezcla se prueba en laboratorio y una vez funciones adecuadamente se prueba en el campo para garantizar su buen comportamiento. El objetivo principal de la mezcla es lograr el contenido de vacíos, trabajabilidad requerida, los dos factores más importantes son la proporción de cemento y la relación agua-cemento, ya que estas afectan las características mecánicas. Se utiliza una relación agua cemento entre 0,30-0,40, se usan aditivos químicos para influir en la trabajabilidad y el tiempo de fraguado, la clasificación agregada suele ser de agregados gruesos de un solo tamaño o clasificación entre ¾” y 3/8”, para evitar obstrucción en pavimentos de concreto permeable se recomiendan agregados de tamaño máximo nominal de 20 mm. Entre los aditivos utilizados encontramos retardantes de fraguado, reductores de agua de rango alto o medio.
6. MÉTODOS DE ENSAYO Los ensayos que se realizan a los agregado del concreto permeable:
Analisis granulometrico del agregado grueso (ASTM C-136). Peso Unitario o conocido como: Método de prueba estandar para densidades de masa y vacios en el agregado. (ASTM C-29). Gravedad específica o conocido como: Método de prueba estandar para densidad, densidad relativa y absorcion de agregado grueso (ASTM C-127). Porcentaje de absorcion de los agregados (ASTM C-128) Contenido de humedad (ASTM C-70) Resistencia a la abrasión (ASTM-131)
7. PROPIEDADES EN ESTADO FRESCO Y ENDURECIDO ESTADO FRESCO: Asentamiento: Esta propiedad no define al concreto poroso, como al concreto convencional; sino que permite adquirir conocimientos referido a la manejababididad de la mezcla.
Peso unitario: La relacion del peso unitario entre el concreto convencional y concreto permeable es de un 70%. Tiempo de fraguado: Debido a la consistencia de la mezcla del concreto poroso se reduce el tiempo de fraguado.Se reduce en el concreto a partir de estas consideraciones se debe precuatelar el uso de aditivos químicos retardantes para permitir la adecuada colocación. (Imcyc, 2008) ESTADO ENDURECIDO: Porosidad: La condición de vacios para los concretos porosos esta considerada en valores de 15% al 25%. (Castañeda, 2014). Esta propiedad caracteriza el comportamiento mecánico y funcional del concreto permeable, los concretos permeables con un valor menor del 15% se consideran de baja porosidad, mientras que aquellos con 30% se consideran con alta porosidad. Un promedio normal es de 20%. La porosidad depende de la gradación del agregado, el contenido de pasta y el esfuerzo de compactación.
Permeabilidad: El concreto poroso permite el flujo de agua por su interior, con la caracteristica que este no afecta su estructura. Esto dependera de los métodos de colocación ya que para el concreto permeable si se compacta demasiado se reducen los poros y con esto se pierda su permeabidad. Para medir esta propiedad se utiliza la ley de Darcy la cuál es utilizada para describir la conductividad hidráulica de la muestra de concreto, ya que se presenta un flujo laminar al interior del concreto. Los caudales típicos a través del concreto permeable son de 740 cm3/h a 1960 cm3/h.
Resistencia a la compresión: La resistencia a compresión a 28 días varía de 3.5 a 28 MPa, con 17 MPa como valor típico, en general la resistencia a la compresión de un concreto permeable no se utiliza con fines de control de calidad. Resistencia a la flexión: Es un propiedad importante debido a su amplio uso en pavimentos, generalmente varía entre 1 a 3.8 MPa, está nfluenciada principalmente por el grado de compactación y porosidad, se puede medir por pruebas descritas en ASTM C 215 o mediante el uso de un instrumento de medición de la velocidad del puso ultrasónico portátil. Densidad:Está en función de la proporción de la mezcla y la compactación de la misma, las densidades in situ se encuentran en un rango de 1600 a 2000 Kg / m3, tomando en cuenta la compactación del Proctor estándar. Absorción acústica: Los concretos permeables son altamente eficientes en la absorción acústica, debido a que tienen un gran volumen de poros interconectados. En pavimentos se reduce el ruido que se produce a partir del bombeo de aire entre el neumático y la superficie de la carretera. Un concreto normal tiene un coeficiente de absorción de 0.03 a 0.05; el concreto permeable típicamente tiene un rango de absorción de 0.1 a casi 0.8.
Resistencia a la congelación y descongelación: La estructura abierta del concreto permeable permite la entrada de agua a la muestra, y la posterior congelación podría conducir a un deterior rápido. Se puede evaluar de acuerdo con ASTM C 666. Porosidad Asentamiento. mm Peso Unitario. Kg/m3 Tiempo de Fraguado. h(horas) Porosidad. %(Volumen) Permeabilidad, cm/seg Resistencia a la Compresión. Mpa Resistencia a Flexion. MPa
Rango 20 1600-2000 1 15-25 0.20-0.54 3.5-28 1-3.8
Elaboracion: Los autores Fuente: (Imcyc, 2008)
8. PROCESO DE PRODUCCIÓN Diseño de mezcla para concreto permeable: a) Consideraciones básicas. Diseñar una mezcla de concreto permeable, depende de las características hidráulicas y mecánicas que deseamos que posea, las cuales están en función del uso del concreto en obra. En la dosificación de las mezclas de concreto permeable, las variables que afectan el comportamiento del concreto poroso son: granulometría, cemento, relación agua – material cementante y contenido de vacíos.Una mayor dosis de cemento generará un concreto poroso más resistente, pero demasiado cemento disminuirá el porcentaje de vacíos interconectados en el concreto, perdiendo este su capacidad de infiltración. Una cantidad insuficiente de agua resultará una mezcla sin consistencia y con baja resistencia, una cantidad excesiva de agua, generará una pasta que sellara los vacíos de la mezcla y que además lavará el cemento de la superficie del agregado.Para que una mezcla sea considerada porosa, debe tener como mínimo un 15% de vacíos y se recomienda además que este contenido no supere el 25% por la poca inestabilidad de la mezcla. Las mezclas de concreto permeable para obtener características especiales como un concreto convencional, se utiliza adiciones para mejorar sus propiedades en estado fresco (trabajabilidad) y endurecido (resistencia). b) Método de Dosificación, consideraciones de diseño. El concreto permeable utiliza los mismos materiales que un concreto convencional, con la ausencia parcial o total del agregado fino, y la distribución del tamaño del agregado grueso seleccionado, esto proporciona características endurecidas útiles, pero también da lugar a una mezcla que requiera diversas consideraciones en mezclarse, la colocación, la consolidación y el curado. Las consideraciones para pavimentos a base de concretos permeables(porosos), estas son:
1. Consideraciones estructurales Propiedades del Terreno Base. Características de los materiales en el Concreto. El tráfico que soportará el pavimento. 2. Consideraciones hidráulicas Selección de Lluvia de Diseño. (Período de Retorno) Volumen del Afluente Acumulado. (Intensidad de la Lluvia, Duración, Área Aportante, Coeficiente de Escorrentía) Volúmen Infiltrado en el Terreno Natural. 9. APLICACIONES El concreto permeable es adecuado para una amplia variedad de aplicaciones que incluyen: pavimentos de bajo volumen, entradas para automóviles, estructuras hidráulicas como drenajes, áreas de parqueo, pistas de despegue para reducir el escurrimiento del agua pluvial, canchas de tenis, aceras, senderos, patios, barreras acústicas y muros de carga, entre otros; siendo de mayor aplicación en materia de pavimentos Como principal acojida del concreto permeable ha sido en el tema de pavimentos en comparación con el concreto convencional se pueden clasificar en: seguridad, beneficios ambientales, ventajas económicas y desventajas.
La seguridad: El considerable número de vacíos en el concreto permeable lo hace altamente permeable, lo que permite que el agua se drene rápidamente a través del concreto en lugar de que el exceso de agua drene sobre el pavimento. Esto elimina la pulverización y la acumulación de agua, y evita peligros como el deslizamiento en agua. Además, debido a la falta de agregados finos, el concreto tiene una textura superficial única compuesta de agregados redondeados y angulares, como piedra caliza, grava o piedra triturada. El agregado grueso expuesto del concreto permeable proporciona tracción mejorada para los vehículos. Esto evita condiciones de manejo peligrosas durante condiciones meteorológicas adversas, como fuertes lluvias y nieve. Beneficios ambientales: El uso de pavimento de concreto permeable ayuda a recargar la capa freática que se mantendría casi agotada si se utiliza un pavimento de concreto convencional o más bien impermeable. Otros beneficios ambientales importantes del concreto permeable incluyen la posible reducción del efecto isla de calor urbano debido a sus características permeables y apariencia relativamente más ligera, y una reducción del agua de riego en áreas urbanas al permitir que el agua se almacene en los suelos, fomentando así el crecimiento de vegetación en áreas adyacentes. También ha determinado que los pavimentos permeables usados para estacionamientos tienen el potencial de atrapar aproximadamente el 98 por ciento o más del petróleo introducido por los derrames vehiculares. Recientemente ha habido un interés considerable en el uso de concreto permeable para mitigar el ruido de interacción entre el pavimento permeable y el tradicional. Ventajas económicas: El uso de pavimentos de concreto permeable puede eliminar la necesidad de medidas costosas para el control de la escorrentía de aguas pluviales,
como estanques de retención, turberas y lagunas. Al reducir las tarifas de impacto de aguas pluviales que invierten las agencias gubernamentales, minimizan las demandas de sistemas de alcantarillado. El concreto permeable también se reconoce como un material de pavimento que tiene un bajo costo del ciclo de vida.
Desventajas: Grietas debido a la pérdidas de sub-rasante causadas por hundimiento Necesidades de Investigación La exposición al congelamiento y descongelamiento tiende a dañar el concreto. La resistencia a la compresión es muy baja comparada con el concreto convencional.
Imagen 1: Innovación Mexicana para el control de aguas lluvias Fuente: Chijome, 2015
Imagen 2: Muestra de concreto permeable Fuente: J.J Harrison
Imagen 3: Parqueadero del CasinoQuill Ceda Creek Fuente: Tulalip Casino
10. REFERENCIAS
1. ACI - Committee 522. (2006). Committee 522 American Concrete Institute. American Concrete Institute. 2. Castañeda, Y. M. (Octubre de 2014). Diseño y apliacion de concreto poroso para pavimento. Diseño y apliacion de concreto poroso para pavimento. Santiago de Cali, Valle del Cauca, Colombia. 3. CECATA, G. (2002). Concreto Poroso: Tecnologia e Investigación para su uso en pavimentos. Noticreto, 56-61. 4. Imcyc. (21 de Junio de 2008). Construccion y tecnologia en Concreto. Obtenido de www.imcyc.com: www.imcyc.com/revistacyt/jun11/arttecnologia.htm 5. Meneses Ospina, C. M. (2007). Resistencia mecanica y condiciones de obra del concreto poroso en os pavimentos de el tipo de granulometría. Medellin: Universidad de Medellin. 6. Metha, P.K. y Monteiro, P.J.M. Concrete: Microstructure, Properties, and Materials. Fourth Edition, Ed: MacGraw-Hill. 2014. 7. M.Uma Maguesvari Studies on characterization of previous concrete for pavement applications.ELSEVIER 2013. 8. Yu Chen,Kejin Wang,Xuhao Wang &Wenfang Zhou. (2013). Strength, fracture and fatigue of pervious concrete. Construction and Building Materials. 9. Zhuge.Y & Lian.C. (2009). Development of environmentally friendly and structural enhanced permeable concrete pavement material, Southern Engineering conference
PREGUNTAS 1- ¿Se pueden usar pavimentos permeables sobre suelos impermeables y arcillosos? Sí, pero el concreto permeable debe instalarse sobre una capa de subrasante permeable de roca de varias pulgadas de espesor. Esta capa adicional permitirá que el pavimento contenga más agua hasta que se absorba en el suelo.
2- ¿Cómo se debe hacer el mantenimiento de un concreto permeable? En general, el único mantenimiento necesario es barrer ocasionalmente, lavar a presión o aspirar el pavimento para eliminar cualquier residuo que pueda obstruir los poros e impedir la penetración del agua.
3- ¿Se puede disminuir la relación agua cemento en un concreto permeable hasta conseguir un concreto de alta resistencia? No es posible, ya que la resistencia máxima que alcanza este tipo de concreto es de 28 MPa y al tener una baja relación agua cemento perderá aún más la trabajabilidad.
4- ¿Cuál es la composición granulométrica que el concreto permeable debe tener para ser más eficiente? La granulometría del agregado debe ser uniforme para garantizar un concreto más permeable, la literatura recomienda agregado grueso con tamaño entre ¾” o 3/8”.
