CONCRETO POROSO: TECNOLOGÍA E INVESTIGACIÓN PARA SU USO EN PAVIMENTOS
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POR: ING. FREDY REYES , PHD.,ING. ANDRÉS TORRESGRUPO CECATA UNIVERSIDAD JAVERIANA . FUENTE COMPLEMENTARIA : DE SOLMINIHAC, HERNÁN : PAVIMENTOS POROSOS DE CONCRETO: UNA OPCIÓN PARA MITIGAR LOS EFECTOS DE LAS AGUAS LLUVIAS, EN REVISTA BIT, ESPAÑA , 2002. FOTOGRAFÍAS : ING. SANDRA REINAGUERRA , CONCRETOS PREMEZCLADOS
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l problema del agua en los pavimentos es su participación en el deterioro progresivo sobre la estructura de los mismos. Su evacuación final implica costosos sistemas de drenajes. Sin embargo, la mera inclusión de drenajes no constituye una solución definitiva al efecto del agua, porque si estos no funcionan el problema es más grave, ya que el sistema puede fallar ante lluvias intensas y las consecuencias sobre el deterioro de la vía serían peores. Como solución no se plantea la eliminación sistemática del agua, sino impedir que se acumule en la rodadura, llevándola al respectivo sistema de alcantarillado a través de una o más capas de pavimentos rígidos diseñados con concreto poroso y, por lo tanto, permeable. En el artículo se presentarán las características de este tipo de concreto, su diseño, algunas recomendaciones prácticas para su construcción y finalmente los resultados obtenidos a través de una investigación realizada en Colombia, en la que, entre otras conclusiones, los autores exponen la manera de utilizar tiras plásticas provenientes de desechos domésticos a fin de contrarrestar el riesgo que significa realizar una mezcla de concreto bastante permeable y, por ello, con disminución de su resistencia. Este tipo de refuerzo fue sustentado en cuatro diseños de mezcla cuyas características se basan en investigaciones desarrolladas en varios países y sometidas a diferentes pruebas de laboratorio tales como la compresión simple, flexión, tracción indirecta y módulo de elasticidad.
Capa de concreto poroso en etapa de colocación y nivelación.
PAVIMENTO CON CONCRETO POROSO QUÉ ES La principal característica de este tipo de pavimento es permitir la infiltración del agua a través de su superficie y proporcionarle a ésta un almacenamiento temporal, para su posterior disposición o infiltración en el terreno. Este tipo de pavimento es punto de análisis en la actualidad, por ser una alternativa viable tanto en lo técnico como lo económico dentro de los pavimentos rígidos usados en Colombia.
Estructura de pavimento rígido: la losa de concreto, una capa de concreto poroso y la subrasante.
La reproducción total o parcial de los artículos sólo se autoriza bajo previo conocimiento por parte de la Asociación Colombiana de Productores de Concreto – ASOCRETO. Una vez aprobado su uso, debe citarse: No. de la edición de la Revista NOTICRETO, fecha de publicación y fuentes tanto de texto como fotográficas. No puede ser utilizada para fines comerciales.
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COMPONENTES En este tipo de pavimento se utiliza un concreto hidráulico común pero fabricado sin arena (finos), la cual se puede sustituir por aditivos como polímeros, negro de sílice o adiciones de tiras de plástico, que aumentan su resistencia al fraguar. La mezcla está constituida por cemento, agua y agregado grueso cuyo tamaño máximo esta entre 1y 2 cm1. De esta manera, los vacíos que deberían ser llenados por la arena quedan uniformemente distribuidos aligerando el material. Las características finales de la mezcla corresponden a un producto muy maleable, fácil de usar y colocar, de muy alta resistencia a la compresión y buena resistencia a la flexión.
VENTAJAS Estas son algunas características por las que en varios países se está tratando de potenciar la utilización de pavimentos de estructura porosa en las obras de carretera: • Permite la proyección del agua en la superficie del pavimento, con la consiguiente disminución del riesgo en la circulación en presencia de lluvia. • Disminuye los gradientes térmicos y de humedad. • Al aumentar la estructura de los macroporos, el material se convierte en drenante y autoventilado. • Aumenta la facilidad de puesta en obra y acabado. • Disminuye las distancias de frenado de los vehículos especialmente en condiciones ambientales adversas. • Baja probabilidad de deslumbramientos por reflexión de la luz sobre películas de agua superficial. • Aumenta la calidad de servicio que este tipo de pavimentos presta a los usuarios.
Detalle de la permeabilidad de una placa en concreto poroso
CARACTERÍSTICAS DE DISEÑO Los objetivos de la dosificación son obtener un material que posea las siguientes características: • Una granulometría apropiada que permita obtener una dimensión importante de los poros, facilitando la buena circulación de agua dentro del material. Esta granulometría se debe formar con la dimensión de los agregados más gruesos del concreto y la ausencia parcial de agregados medianos y finos. • Una gran porosidad (contenido de vacíos) que permita el paso de agua dentro del material aproximadamente 15 a 20% de porosidad, que se alcanza generalmente limitando el contenido de mortero (cemento + arena) del 20 al 30% en peso2. • Las características mecánicas deben ser del orden de aquellas de las gravas tratadas con ligantes hidráulicos, que generalmente permiten obtener resistencias a la compresión a los 28 días mínimo de 15 MPa, con la cual se resiste el desgaste por abrasión del trafico.3 Debe tenerse una resistencia a los agentes agresivos contenidos en el agua; esto se obtiene asegurando la liga entre los agregados mediante un mortero compacto, contrariamente a los concretos porosos comunes donde la liga está constituida sólo por cemento. Este resultado se logra introduciendo en la mezcla una cantidad de arena entre 150 y 200 kg/m3 dependiendo del tipo de diseño que se desee obtener4. • Algunos estudios incluyen las medidas de la penetración del agua bajo una fuerte lluvia simulada y la evaluación de la capacidad estructural de la superficie del pavimento. El rango concluido de la penetración del agua es de 1 x 10-4 m/s mínimo para concretos drenantes.5
Dos cilindros usados para el ensayo de resistencia a la compresión, una vigueta saturada para el ensayo de flexión y una sección de muro que muestra la superficie de un concreto poroso.
RECOMENDACIONES DE CONSTRUCCIÓN 1 Sánchez de Guzmán, Diego: Concretos y Morteros. Manejo y Colocación en Obra; p. 42. 2 Villemagne, Maurice; Palliere, Ana María y Retour, Patricie : Construcción de Pavimentos. Bogotá, Asocreto-ICPC, 2000, p. 58. 3 Ibid., p. 58. 3 Ibid., p. 58. 5 Shackel, Bryan; Kaligis, J. O. y Muktiarto, Y. Infiltration and Structural Tests of Permeable Eco-Paving. International Conference Pave Israel 96, Número 5. Tel-Aviv, p. 623.
• El pavimento permeable debe tener un perfil relativamente plano. Si se aplica sobre una pendiente pronunciada, las aguas lluvias absorbidas por la capa de concreto poroso comenzarán a escurrir en la capa inferior, generando posibles subpresiones que pueden dañar las losas. Si las pendientes requeridas son mayores al 1% es recomendable construir barreras impermeables.
La reproducción total o parcial de los artículos sólo se autoriza bajo previo conocimiento por parte de la Asociación Colombiana C Taprobado U B R E su- uso, N debe O V I citarse: E M B No. R E de la- edición D I C de I E laMRevista B R E D E de Productores de Concreto – ASOCRETO. UnaOvez NOTICRETO, fecha de publicación y fuentes tanto de texto como fotográficas. No puede ser utilizada para fines comerciales.
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- Para vibrar este tipo de concretos se recomienda en la mayoría de los casos, el uso de un vibrador mecánico en el modo más lento posible, pues si se utilizan frecuencias de vibrado altas, lo más probable es que el concreto se sobre compacte, alterando la estructura de huecos y por ende la permeabilidad. - Las juntas requeridas en un concreto poroso difieren de las convencionales debido a que el pavimento poroso tiene menos de un tercio de la retracción de un concreto común. El espaciamiento de las juntas transversales es de aproximadamente 15 a 20 m. En Europa, la experiencia ha demostrado que las juntas de dilatación térmica no son necesarias en estos pavimentos.
INVESTIGACIONES EN EUROPA Los Países Bajos, Alemania y España han logrado un estudio unificado en las propiedades de los concretos porosos, en el proyecto de investigación Brite-Euram BE-3415, titulado Optimización de las Características de la Superficie de Vías en Concreto. Las pruebas en el laboratorio y los análisis estructurales de este estudio fueron logradas por el Instituto Español del Cemento y sus Aplicaciones-IECA, el Instituto de los Materiales e Investigación en el Ambiente, (Países Bajos)-El Intron, la Universidad Politécnica de Cataluña y el Instituto de Investigación de la Industria Alemana del Cemento-VDZ.
• Programas de ensayos Para la fabricación del concreto poroso, se ha usado un mezclador que tiene un eje vertical, con un tiempo de mezclado de 1,5 minutos, luego de la incorporación de todos los materiales. La compactación de las probetas (cubos, cilíndricos o prismas, según el caso) se logra por vibración (mesa vibradora en Alemania y Países Bajos, martillo vibrador en España) y se ha efectuado el curado de las muestras sin polímero desde el primer día, en un molde a 20 °C. • Se obtienen beneficios por su curado durante 6 días a 20 °C en un medio saturado, y después, a 20 °C y 95% de humedad relativa (Alemania y Países Bajos) y a 20 °C y 50% de humedad relativa (España). • Se usan distintas dosificaciones entre 1.400 kg a 1.500 kg de granulares gruesos; de 75 kg a 175 kg de finos; de 200 kg a 350 kg de cemento y de 50 a 100 litros de agua. Para conseguir una porosidad del hormigón suficientemente elevada, se ha usado una curva granulométrica discontinua. • Se ha empleado tanto granulares de tipo calcáreos como granulares silicios; sin embargo, en los últimos solamente se han utilizado agregados gruesos con el fin de asegurar una resistencia suficiente al pulimento superficial debido al tráfico que actúa directamente en esta fracción, y no para los agregados finos, como en los concretos densos. 58
• Experiencias foráneas En la actualidad se cuenta con millones de m2 de pavimentos porosos, aplicados en países como Francia, España, Japón y Alemania, entre otros. A modo comparativo, la Tabla 1 indica las dosificaciones y algunos resultados acerca de las resistencias y las permeabilidades de los concretos porosos usados en Francia en los diferentes pavimentos, en las bermas y las capas de base, y capas de rodadura de vías de tráfico ligero y vías urbanas.
TIPO DE OBRA CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO POROSO
BERMA
CAPA DE BASE
Autopista A1 (1977)
El aeropuerto Charles de Gaulle (1980)
DOSIFICACIÓN POR M3 : El cemento (en kg) Arena (en kg) Granulares (kg) Agua (l)
150 300 1.350 (c) 70 - 100
200 300 1.350 (d) 85
RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN (MPA) : Al final de 3 días Al final de 28 días
8
7
RESISTENCIA A FLEXIÓN (MPA) : Al final de 28 días
-
2,5 (e)
15 -
22 19
Porosidad (%) Permeabilidad (l/m2/s)
Tabla 1: Como se observa, la dosificación de 400 kg/m3 de cemento permite conseguir una resistencia a la tracción a los 28 días igual a 4 MPa, es decir igual a la resistencia de un BP-40 (tipo de base) muy utilizado en España en vías con tráfico muy pesado.
INVESTIGACIONES EN COLOMBIA EL POLIETILENO EN UN CONCRETO PERMEABLE Debido a que el concreto poroso tiene ausencia de finos, la resistencia a la flexión y compresión tiende a ser inferior a la de un concreto convencional. Esto motivó recientemente a un grupo de investigadores (CECATA) de la Universidad Javeriana encabezados por el ingeniero Fredy Reyes, a investigar el com-
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portamiento de este tipo de concreto cuando se le adicionan tiras de plástico de desechos de bolsa de leche, buscando aumentar su resistencia, principalmente a la flexión. Los resultados de la investigación se presentan enseguida.
• Ensayos de laboratorio El material con el cual se producen las bolsas de plástico es el polietileno de baja densidad, o LDPE. Este tipo de polímero tiene un buen comportamiento a la tensión, aunque normalmente TIPO DE OBRA CAPA DE RODADURA TRÁFICO LIGERO
TRÁFICO PESADO
El estacionamiento Bourdeux (1979)
La carretera CD 44 Marsella (1987)
Avenida de la Puerta De Vitry, París (1992) (a)
150 300 700 70
200 200 1.700 85
400 (b) 120 1.360 100
9,5
22,5
16
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2,27
4
23 5,5
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21 0,89 m/s
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a) Se ha clasificado en la categoría de tráfico pesado puesto que había una parada de autobuses donde hay maniobras de paradas y arrancadas. b) Con adición del 8% de humo de sílice. c) Mezclas iguales de granulares de 5/20 y 20/40 mm. d) Granulares 6/20 mm. e) Estimado a partir de la resistencia a la tracción indirecta.
Prueba de asentamiento del diseño preliminar (mezcla sin adiciones de tiras). La reproducción total o parcial de los artículos sólo se autoriza bajo previo conocimiento por parte de la Asociación Colombiana - Productores N O V I E M Bde R EConcreto - D – I CASOCRETO. I E M B R E Una D E vez 2 0 aprobado 0 2 de su uso, debe citarse: No. de la edición de la Revista NOTICRETO, fecha de publicación y fuentes tanto de texto como fotográficas. No puede ser utilizada para fines comerciales.
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su resistencia a la compresión es deficiente. Debido a esta combinación de resistencias y debilidades, se presenta como una buena opción usarlo con material para compensar la resistencia a la tensión del concreto permeable o poroso. La investigación se inició con la caracterización de los materiales a utilizar en la elaboración de los diseños de las mezclas, bajo las especificaciones de las Normas Técnicas Colombianas.
Variación de la resistencia a la flexión:
Diseño de mezcla con adiciones de tiras de plástico: Una vez seleccionado el diseño de mezcla, se efectuó una corrección a la distribución granulométrica ajustándola con la granulometría de los agregados obtenida. Posteriormente se realizaron los ensayos de compresión, flexión, tracción indirecta y módulo de elasticidad a fin de evaluar el comportamiento de la mezcla seleccionada a los 3, 7, 14 y 28 días. Después de ejecutar los anteriores ensayos, se realizaron las adiciones con diferentes dosificaciones de tiras plásticas, de las siguientes dimensiones: Tira 1 : 4 mm x 20 mm Tira 2 : 2 mm x 10 mm Se utilizaron diferentes porcentajes respecto al peso de la mezcla: 0,025%, 0,05%, 0,075%, 0,100%, 0,200%, 0,300%, 0,400% 0,500%, Y se efectuaron ensayos de compresión y flexión a los 7 días a cada una de las probetas con los diferentes porcentajes, todo esto a fin de obtener la tira de mejor comportamiento al igual que el porcentaje óptimo de adiciones de tiras de plástico. Finalmente se realizarían los ensayos a la mezcla más idónea para obtener las curvas de diseño y compararlas con la mezcla sin adiciones.
Gráfico 1: Se puede observar que en cuanto a la flexión, el concreto poroso con la tira 1 adicionada en un 0,1% es la de mejor comportamiento, puesto que incrementa la resistencia en un 38.00%. En cuanto al concreto poroso con la tira 2, se observa de igual manera un incremento aunque inferior del 14,0%, con una adición de 0,05% respecto a la del concreto poroso sin adiciones. Por lo tanto, se puede anotar que la tira 1 adicionada en un 0,1% es la de mejor comportamiento frente a los esfuerzos producidos por la flexión (porcentaje óptimo). Recordemos que la resistencia a la flexión es el parámetro principal de diseño para pavimentos en concreto. Concreto poroso con la tira 1 adicionada en un 0,10% = 34,50 kg/cm2 Concreto poroso sin adiciones = 25,0 kg/cm2
• Resultados de los ensayos preliminares Basados en los datos obtenidos de los ensayos en las diferentes probetas, se realizaron las siguientes comparaciones y análisis.
Variación de la resistencia a la compresión simple:
Prueba de resistencia a la compresión simple 60
Los resultados del ensayo de resistencia a la compresión simple vs. porcentaje de tiras de plástico permitió definir claramente que en cuanto a la compresión, el concreto poroso con la tira 1 adicionada en un 0,05% es la de mejor comportamiento, ya que produce un incremento de la resistencia a la compresión de un 15,46% respecto a la del concreto poroso sin adiciones. Concreto poroso con la tira 1 adicionada en un 0,05% = 214.76 kg/cm2 Concreto poroso sin adiciones = 186 kg/cm2
Gráfico 2: Cuando se hace la adición del porcentaje óptimo se produce un incremento en promedio de un 37,8% frente a la resistencia obtenida en la mezcla sin adición de tiras, la cual prácticamente se mantiene constante durante los primeros 28 días.
Variación de la resistencia a la tracción indirecta: Los resultados del ensayo de resistencia a la tracción indirecta permitieron afirmar que cuando se hace la adición del porcentaje optimo se produce un incremento en promedio del 1,0% de la resistencia obtenida en la mezcla sin adición de tiras.
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Variación del módulo de elasticidad:
Gráfico 3: Se observa que cuando se agrega el porcentaje óptimo se produce un incremento en promedio del 13,7% de la resistencia obtenida en la mezcla sin adición de tiras, la cual prácticamente se mantiene constante durante los primeros 28 días.
CONCLUSIONES La utilización de un pavimento con concreto poroso permite una superficie 100% permeable, logrando que el agua lluvia se infiltre al subsuelo, siempre y cuando éste cuente con un sistema de sub-drenajes que permitan captar el agua. En consecuencia, mejora las condiciones de servicio de las vías durante la lluvia. Como muchos otros materiales, el concreto poroso es una tecnología con muchas ventajas competitivas, pero que solo pueden ser aprovechadas si se sigue un proceso diligente en su diseño y se respetan sus especificaciones de construcción. De las investigaciones, se concluye: - Mediante la adición de tiras de plástico se logra aumentar la resistencia en todos los modos de carga (compresión, flexión y tracción indirecta) y disminuir la fragilidad de la matriz débil y quebradiza del concreto poroso, facilitando de igual manera la reutilización de un material no biodegradable.
- La rata de infiltración medida en concreto para pavimentos convencionales es aproximadamente 1,11 x 10-6 m/s y la obtenida en el concreto poroso con el porcentaje óptimo de adiciones de tiras de plástico es de 3,12 x 10-4 m/s.6 - Comparando los resultados del concreto poroso con porcentaje óptimo de la tira 1, con un concreto convencional con un f´c = 420 Kg/cm2 , se puede decir que a flexión solo se tiene un incremento del concreto convencional del 15,00% respecto al concreto permeable. - Confrontando los datos obtenidos con el módulo de elasticidad, se puede concluir que un concreto convencional con un f´c aproximado de 240 Kg/cm2 tiene un incremento promedio del 14,80% respecto al concreto permeable. - El concreto poroso óptimo obtenido, genera alta resistencia a la flexión con un baja resistencia a la compresión; el valor de K encontrado para obtener el MR para este tipo de concreto fue de aproximadamente 3,12.
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