HORMIGÓN POROSO
Centro Técnico Loma Negra – Av. Cnel Roca 6757 – Te.: (54-11) 4605-3000/01 : Porosidad, permeabilidad, interfase, resistencia, desgaste.
El presente trabajo trabajo muestra el desarrollo desarrollo de un hormigón poroso con propiedades drenantes, buscando paralelamente mantener mantener un nivel de resistencia mecánica y de desgaste superficial superficial mínimo, haciéndolo apto para su utilización en capas de rodamiento de vías de comunicación, caminos secundarios o estructuras con menores exigencias. Se analiza la metodología disponible disponible para la dosificación dosificación de hormigones porosos, estudiándose estudiándose además además la incidencia de las características de forma de los agregados y proporciones de los materiales componentes sobre las propiedades evaluadas. El estudio incluye el efecto de la incorporación de distintos tipos de aditivos y adiciones para mejorar la resistencia de la interfase manteniendo constantes los valores de permeabilidad. La selección de las mezclas definitivas se realiza buscando la optimización de la energía de compactación utilizada, las propiedades mecánicas y físicas. Finalmente se consideró importante ponderar la resistencia al desgaste, analizándose la validez de los resultados obtenidos para los ensayos propuestos. M.M.O., Técnico Senior C. Técnico Loma Negra – email:
[email protected] [email protected] M.M.O., Técnico C. Técnico Loma Negra - email:
[email protected] [email protected] Ing. Civil., Líder C. Técnico Loma Negra – email: gabriel.mansilla@lomanegra
[email protected] .com.ar
Se denomina hormigón poroso al material en el que se ha eliminado parte del agregado fino, generándose huecos ó vacíos interconectados que actuarán como c omo capilares macroscópicos drenantes de la escorrentía superficial. En estado fresco presenta el aspecto de las mezclas secas ó semi húmedas, haciendo necesaria su compactación mediante equipos de acción manual y/o mecánica. El crecimiento de superficie impermeable manifestado manifestado durante los últimos 50 años en zonas urbanizadas, ha provocado un aumento de los caudales máximos a evacuar para la misma precipitación de diseño, saturando la red de desagües pluviales (ej. Aº Maldonado). La utilización de este material en reemplazo parcial del hormigón tradicional ayudará a paliar la situación, ya que aumentará la tasa de infiltración, reduciendo la escorrentía superficial y el caudal pico a evacuar.
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Se estudian las metodologías de dosificación con el fin de obtener una segura y rápida manera de optimizar estas mezclas, basándose fundamentalmente en la valorización de sus dos propiedades principales, la resistencia (fundamentalmente Módulo a Flexión) y la permeabilidad. Como premisas para el desarrollo de este trabajo se adoptó un Módulo de rotura a Flexión de 2,8 MPa y una permeabilidad de 3,5 mm/s (valor mínimo para ser calificado como hormigón poroso).
En la totalidad de las mezclas ejecutadas se utilizó un Cemento Pórtland Compuesto (CPC40), utilizado normalmente por Hormigones Lomax. Con el objeto de lograr una mejor resistencia de la interfase, se utilizó como adición mineral activa, una Sílica Fume de marca comercial (SF). La Tabla 1 consigna las características y propiedades más sobresalientes del cemento y la adición utilizadas.
Clinker + Yeso Escoria de Alto Horno Filler Calcareo Retenido tamiz 75 µm Superficie específica (Blaine) Densidad Resistencia a Compresión a 2 días Resistencia a Compresión a 28 días
% % % % m2/kg MPa MPa
90,0 5,0 5,0 1,3 399 3,12 29,9 59,7
20000 2,2 -
Los agregados empleados con los que se realizaron las mezclas son los tradicionales en el ámbito de la industria del hormigón elaborado. La Tabla 2 resume las propiedades físicas que los caracterizan, consignando para la Fracción Gruesa el Desgaste y su resistencia a Compresión (evaluada sobre un testigo extraído del manto rocoso). Con el objeto de emplear una granulometría discontinua se optó por la utilización de un agregado grueso monogranular con tamaño máximo igual a 12 mm, encuadrándose dentro de los valores de 9,5 a 12,5 mm recomendados por la bibliografía consultada. Se observa sobre esta fracción un elevado porcentaje de partículas lajosas y elongadas, que podrían afectar la resistencia de este tipo de hormigón por falla del agregado. Con el propósito de minimizar el efecto de microfisuración por retracción de la pasta utilizada como puente de unión se utilizó una arena fina silicea para el método A y una arena mezcla compuesta por Arena granítica 0-6 (lavada) y Ar. Oriental para el método B de diseño.
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Origen Procedencia T. M.N. [mm] Absorción [%] Modulo de Finura Densidad Relativa (sss) P.U.V.(s y c) % Part. Lajosas % Part. Elongadas Desgaste Los Angeles Resis. a Compresión [MPa]
Granítica Olavarría Bs. As. 12,5 0,3 6,04 2,73 1,42 39 30 21,6 239
Silicea Río Paraná 0,3 1,63 2,63 -
0-6 / Oriental 0,4 2,68 2,68 -
Para mejorar la resistencia de la interfase, de modo de permitir un aumento en el porcentaje de vacíos y mantener los niveles de resistencia mecánicas, se utilizó un aditivo adhesivo sintético a base de látex (AL) y un aditivo superfluidificante con base policarboxilato (BP). En algunas de las mezclas se combinó el aditivo adhesivo sintético a base de látex (AL) con un aditivo plastificante retardador del fraguado (PR), con el objeto de ampliar el tiempo abierto de trabajo, facilitando los trabajos de colocación, distribución y compactación del material.
El proyecto de las Mezclas Drenantes o Porosas exige lograr un equilibrio ajustado entre su porosidad (permeabilidad) y su resistencia (mecánica y al desgaste superficial), por tratarse de dos propiedades de características opuestas. Se presentan a continuación los parámetros elegidos para los dos métodos empleados.
variación entre 0.2 y 0.24.
(0,05 < F/G < 0,3) en función de los antecedentes bibliográficos
se acotó el rango de
relación entre “Ag. Grueso x m3 de Hormigón” y “P.U.V. del Agregado Grueso Seco y Compactado” . Se recomienda trabajar con valores comprendidos entre 0,85 y 0,92. Se tomó para el estudio K= 0,90 (obtenido del pastón de prueba). Se adoptó una porosidad teórica cercana al 20%. Se considera a este valor como límite superior para garantizar un adecuado puente de unión entre partículas y un % de vacíos satisfactorio. Las relaciones Agua/Cemento se mantuvieron por debajo de 0,41, buscando una buena resistencia de la interfase entre partículas de agregado grueso.
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: relación entre la “Densidad Real Compactada” y la “Densidad Teórica”. La
bibliografía indica que los valores obtenidos en la práctica para el FC varían entre 0.84 a 0.99, adoptándose para este trabajo un valor de 0,90.
Se adopto un rango de análisis para la relación Agua/Cemento variable entre 0,3 y 0,41. Según la bibliografía el volumen de pasta óptima para maximizar la resistencia mecánica y permeabilidad es igual a 250 dm3, para mezclas que utilizan reductores de agua de rango normal. Se adoptó una porosidad teórica variable entre 14 y 18 %.
En función de los parámetros adoptados para cada método y conociendo la densidad relativa de los materiales componentes, se definieron las proporciones de los diferentes mezclas estudiadas.
En una primera etapa se utilizó el “Método A” para ajustar las mezclas denominadas patrón o de referencia que prescindieron del uso de aditivos y adiciones minerales. Posteriormente se buscó aumentar el nivel de resistencia manteniendo constante la porosidad. En esta etapa de optimización se incluyeron un aditivo plastificante retardador (PR), un aditivo adhesivo sintético a base de látex (AL) y una adición mineral activa (SF). Por último, y siguiendo el “Metodo B” de diseño, se repitieron los pasos indicados anteriormente para otro conjunto de mezclas. En principio se dosificaron las mezclas patrón (sin aditivos ni adiciones), para luego optimizarlas mediante la utilización de un aditivo superfluidificante con base policarboxilato (BP) y una adición mineral activa (SF). Para este caso, se logró ajustar el volumen de pasta a los 250 dm 3 recomendados por la bibliografía para la mezcla patrón; logrando reducir este volumen cuando se utilizó aditivo superfluidificante con base policarboxilato (BP), aún con la disminución del contenido de material cementicio (CPC+SF). La Tabla 3 muestra las proporciones y parámetros que definen las dosificaciones, y las características relacionadas con el estado fresco y compactación de algunas mezclas estudiadas.
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Metodo A Nº de MEZCLA Cemento [kg/m3] Vol. Pasta Silica Fume [kg/m3] Aditivo PR [%] Aditivo AL [kg/kg/m3] Aditivo BP [%] Relación a/c %Fino/Total Agregado P.U.V. [kg/m3] Factor de Compactación Forma de Compactación
289 0,32 17 2060
300 0,33 15 2066
350 0,28 20 1988
350 0,2 20 0,29 20 2033
325 25 0,2 20 0,31 20 2094
390 248 0,32 5 1990
330 247 20 0,70 0,4 10 1996
300 226 20 0,64 0,41 10 2015
0,86
0,94
0,99
1,00
1,03
0,94
0,95
0,97
3 capas 3 capas 3 Capas 3 Capas 3 Capas 3 Capas 3 Capas 3 Capas 42Gol.T9 52Gol.T18 18Gol.T9 18Gol.T9 18Gol.T9 18Gol.T9 18Gol.T9 18Gol.T9 9 0 9 9 9 9 9 9
Energ. Compac. [kg/cm2] Esponjamiento [%]
mezclas.
Metodo B
1,81
6,11
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
0,78
-
-
31,8
37,0
44,0
22,0
20,0
25,6
La Tabla 4 muestra los resultados obtenidos para las propiedades medidas en estado endurecido sobre las mismas
Metodo A Nº de MEZCLA Desgaste Dorry [%] Desgaste Cántabro [%] Permeabilidad [mm/s] Huecos [%] Flexión [MPa] Compresión a 28 días [MPa]
Metodo B
5,5 21,7 1,8
12,4 1,8 8,3 3,9
1,9 24,6 5,3 21,6 1,9
1,6 24,6 4,9 18,8 2,5
23,2 3,2 14,7 3,0
1,7 14,2 3,5 15,1 2,9
1,5 15,5 3,2 14,3 3,4
13,3 4,0 16,5 3,0
14,3
31,1
14,1
18,9
20,7
22,9
25,2
21,8
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Para la evaluación en estado fresco de las mezclas se escogieron dos variables, ambas relacionadas con el concepto de trabajabilidad. La primera de ellas tiene en cuenta la cuantificación de la energía de compactación necesaria para lograr la máxima compacidad evitando la segregación de la pasta o mortero. En este sentido se logró un mejor resultado con la combinación de los aditivos AL y PR, para un caso; y con el superfluidificante BP, para el otro. La segunda variable es la relación entre el P.U.V. suelto y compactado de la mezcla (esponjamiento), buscándose durante la optimización minimizarlo. La determinación de la cantidad de vacíos se realizó por desplazamiento de volumen. Descartando durante las pruebas preliminares la compactación mediante mesa vibradora, por generar una excesiva segregación de la pasta-mortero, se decidió adoptar una compactación manual mediante el equipo Proctor Normal (T99) y Modificado (T180) utilizado en ensayo de suelos. Para la compactación de mezclas patrones fue necesario utilizar 40 golpes y 26 golpes por capa para los equipos T99 y T180 respectivamente. La incorporación de los aditivos AL y superfluidificantes BP permitieron utilizar exclusivamente el equipo T99, ajuntándose a 18 el número de golpes por capa y logrando reducir sensiblemente la energía de compactación. Estos valores de energía de compactación deberán ser ajustados para condiciones reales de colocación en obra. El moldeo de las probetas se realizó por compactación, con el dispositivo Proctor Normal (T99) utilizado para realizar el ensayo de compactación de suelos (Fotografía 1).
Compactación de Probetas Ensayo a Flexión La experienca adquirida durante el desarrollo del trabajo permite recomendar la secuencia de carga y mezclado que se detalla en la Tabla 5, como forma efectiva para lograr un mezclado que asegure la homogeneidad del material.
Carga s 100% Ag. Grueso e l a i r 100% Cemento e t a M 100% Adición Mineral
Cubrir la superficie del
o t e agregado con cemento j b garantizando el puente O
Carga 70% Agua de mezclado
a r t s a z 100% PRF o 50 % BP a i h e o n d e a g l o c m Formación de pelicula de z e o pasta uniforme M h
recubriendo al agregado
Carga 100% Ag. Fino
a r t s a z a i h e o n d e a g l o c m Formación del mortero z e o como puente de unión M h
o interfase
Carga 30% Agua de amasado
a r t s a z 100% AL ó 50% BP a i h e o n d e a g l o c m Formación completa del z e o puente de unión o M h
interfase
a r t s a z a i h e o n d e a g l o c m z e o M h
de unión
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Se estableció como única edad de ensayo para la resistencia a la compresión, módulo de rotura a flexión y desgaste, la de 28 días. Conforme a los resultados de ensayo que se vuelcan en la Tabla N° 4, se observa un aumento en los niveles de resistencia a compresión y flexión de aquellas mezclas que incorporaron adiciones (SF) y aditivos (AL, AR y BP). De las observaciones realizadas sobre las probetas ensayadas a compresión y flexión (Fotografía 2), se verifica un elevado porcentaje de agregado fracturado, relacionándose este fenómeno con la forma lajosa del agregado utilizado. También se observa, en un porcentaje menor falla en la interfase agregado puente de unión. Las Figuras 1 y 2 muestran la variación de la resistencia a compresión y flexión en función de los Vacíos respectivamente, observándose en ambos casos buenos coeficientes de correlación para las expresiones ajustadas.
Resistencia a Flexión - % Vacíos
Resistencia a Compresión - % Vacíos 40
) a P 35 M ( s 30 a í d 25 8 2 a 20 . p m15 o C 10 a . s 5 e R
) 5 a P 5 M ( 4 s a 4 í d 8 3 2 a 3 n ó i 2 x e 2 l F a 1 . s 1 e R 0
y = -20,002Ln(x) - 15,585 R2 = 0,9039
0 0,0%
5,0%
10,0%
15,0%
20,0%
y = -2,403Ln(x) - 1,6095 R2 = 0,8659
0%
25,0%
5%
10%
15%
20%
25%
% Vacíos
% Vacíos
. Variación de la Res. a Flexión en función del % Vacíos
. Variación de la Res. a Compresión en función del % Vacíos
Permeabilidad - % Vacíos 6 ) 5 s / m m4 ( d a d i l 3 i b a e 2 m r e P 1
y = 29,225x - 0,8051 R2 = 0,9777
0 0%
5%
10%
15%
20%
25%
% Vacíos
Permeámetro
Variación de Permeabilidad vs. % Vacíos
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Para la medición de éste parámetro se utilizó el método de carga variable descripto en (Fotografía 2). Las muestras ensayadas corresponden a los 150 mm centrales de probetas cilíndricas normalizadas obtenidas mediante corte con disco diamantado. Se observó una muy buena correlación entre esta variable y el % Vacíos de la mezclas estudiadas (Figura Nº 3), permitiéndo relacionar la permeabilidad con las propiedades mecánicas.
Se trató de evaluar esta propiedad a través del Método Dorry (IRAM 1522) y de Método Cántabro (utilizado para mezclas asfálticas drenantes-NLT-352/86), tratando de encontrar una correlación entre el desgaste y alguna de las propiedades físicas o mecánicas determinadas anteriormente. Luego de los primeros ensayos, se concluyó que el Método Dorry no era lo suficientemente sensible ya que evalúa fundamentalmente el desgaste del agregado expuesto, motivo por el cual fue descartado. Se continuó el plan de ensayos mediante el método Cántabro, que contempla la utilización de la máquina de los Ángeles, sin carga abrasiva y un nº de vueltas igual a 300. Las muestras ensayadas (150 mm de diámetro x 75 mm de altura) fueron obtenidas del corte proveniente de la parte superior de probetas cilíndricas normalizadas (según el llenado de la misma).
Resistencia a Flexión - Desgaste
Vacíos % - Desgaste 30
) 5 a P 5 M ( 4 s a 4 í d 8 3 2 a 3 n ó 2 i x e l F 2 a 1 . s e 1 R
25
) 20 % ( s o 15 i c a V 10
y = -1,2116Ln(x) + 6,2289 2 R = 0,5851
y = 37,86Ln(x) + 84,831 R2 = 0,4818
5
0
0 0
5
10
15
20
Desgaste %
25
30
35
0%
5%
10%
15%
20%
25%
Desgaste %
Vacíos % - Desgaste Resistencia a flexión - Desgaste Los resultados obtenidos se correlacionaron con la resistencia a flexión y con el porcentaje de vacíos (Figuras 4 y 5). A pesar de no lograrse una buena correspondencia, se observa un mejor ajuste entre el desgaste y la resistencia a flexión. Considerando la estrecha relación que existe entre la resistencia del puente de unión y estas dos propiedades, y teniendo en cuenta que la aplicación de este método de ensayo sobre un hormigón convencional de pavimento arrojó valores de desgaste cercanos al 9 %, resulta conveniente profundizar los estudios en un futuro.
De acuerdo a los resultados de ensayos de laboratorio expuestos en el presente trabajo se resumen las siguientes conclusiones.
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1) El porcentaje de vacíos puede disminuirse hasta un valor límite inferior de 14%, permitiendo mejorar las propiedades mecánicas, sin comprometer sustancialmente el límite deseable de permeabilidad (3,5 mm/s). 2) La utilización de la combinación de un aditivo a base de Latex y un plastificante retardador del fraguado, reduce la energía de compactación y el esponjamiento de las mezclas respecto de aquellas tomadas como patrón (sin aditivo), disminuyendo los costos operativos. En cuanto al comportamiento mecánico, la utilización de esta combinación mejoró hasta un 20% la resistencia a compresión y entre un 15 a 20% la resistencia a flexión respecto de las mezclas patrón. 3) La incorporación de Silica Fume mejora el puente entre mortero y agregado grueso de las mezclas que utilizaron aditivo a base de Latex, lográndose incrementos del orden del 10% en compresión y flexión. 4) La combinación de aditivo superfluidificante base policarboxilatos y Silica Fume produce efectos similares a los obtenidos con el conjunto aditivo a base de Latex y Silica Fume. 5) La utilización de agregado grueso con partículas predominantemente cúbicas, mejoraría la distribución espacial de la red de capilares macroscópicos y minimizaría la falla de rotura por fractura de agregado. 6) La cuantificación del desgaste mediante el método Dorry fue descartada por considerarse poco sensible. Si bien no se encontró una buena correlación entre el desgaste (método Cántabro) y la resistencia a flexión, los resultados logrados justifican continuar los estudios. 7) Si bien las propiedades mecánicas obtenidas sobre las mezclas denominadas “patrones” limitan su uso para capa de rodamiento, pueden considerarse aptas para ser aplicacadas en sub-bases ó bases drenantes de pavimentos realizados con hormigón poroso.
Este trabajo está enteramente dedicado a la memoria de Adelino Domingo Ríos. Agradecemos además la colaboración de todo el personal del Centro Técnico de LOMA NEGRA.
- Fernandez Luco, L. Vitola, L y Salminci, P.: “Estado del arte en el uso de h ormigones porosos”, XII Congreso Argentino de Vialidad y Tránsito, Buenos Aires, Argentina. - Solminihac, H., Videla, C, Fernández, B., Castro, J.: “Desarrollo de mezclas de hormigón poroso para pavimentos urbanos permeables”. - Kevern, J. , Wang, K., Suleiman, M., Schaefer, V.: “Mix design development for pervious concrete in cold weathe r climates”. Waneilista M, Chopra M, ea: “Hyadrulic Perforance Assessment of Pervious Concrete Pavements for Stormwater Managment Credit”, Stormwater Managment Academy University of Central Florida.
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