Articulo trabajo de grado - Vitela Repositorio Institucional

DISEÑO Y APLICACIÓN DE CONCRETO POROSO PARA PAVIMENTOS
YF. Moujir 1, LF. Castañeda2
Estudiantes de Ingenieria Civil. Pontificia Universidad Javeriana-Cali
1
[email protected]
2
[email protected]
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.
2.1. 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 ACI522 R que aplica la ley de Darcy:
=
×
ℎ
ℎ
2.2. 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 42–03 y
probados conforme a ASTM C 78–02 (4).
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.
3.1. 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.
Ensayo de asentamiento
2.3. PRUEBA DE COMPRESION SIMPLE
Mezcla
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
Promedio
Desviación
estándar
TIPO I CON
FINOS
TIPO II SIN
FINOS
mm
Pulg
mm
Pulg
25.71
1.01
221.29
8.71
3.73
0.15
18.71
0.74
De acuerdo a los resultados obtenidos en
la tabla 1, el asentamiento promedio de la
mezcla tipo I con finos, es aproximadamente
12% menor que la mezcla Tipo II sin finos.
RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO
Mezcla
3.2. 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
MASA UNITARIA
TIPO I CON
FINOS
TIPO II SIN
FINOS
Masa Unitaria
[Kg/m3]
Masa Unitaria
[Kg/m3]
Promedio
2010.38
1913.03
Desviación
estándar
95.27
52.49
Mezcla
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 2200 – 2400 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
TIPO I CON
FINOS
TIPO II SIN
FINOS
Masa total
materiales
[Kg]
Masa
Unitaria
[Kg/m3]
Relación
[m3]
1996.07
2010.38
1.01
1925.62
1913.03
1.01
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).
3.3. 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
compresión para las mezclas Tipo I.
a
la
Resistencia promedio de cilindros a compresión
Edades
Diseño
7 Días
28 Días
Mezcla
Ton
MPa
Ton
MPa
TIPO I CON FINOS
23.68
13.12
40.98
22.81
TIPO II SIN FINOS
21.40
11.87
38.04
21.05
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
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.
3.4. 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
Mezcla
TIPO I CON
FINOS
TIPO II SIN
FINOS
Edades
7 Días
28 Días
Kg/cm2
MPa
Kg/cm2
MPa
25.28
2.48
37.49
3.68
23.21
2.28
36.38
3.57
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.
3.5. 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
Edad
Diseño
28 Días
Mezcla
Kg/cm2
MPa
TIPO I CON FINOS
37.09
3.64
TIPO II SIN FINOS
35.98
3.53
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.
3.6. 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]
21
DISEÑO DE COCNRETO POROSO
Mezcla Tipo II
Mezcla Tipo I
Sin finos
Con finos [MPa]
[MPa]
17,399.43
16,583.08
De la tabla anterior, se puede observar que
la mezcla Tipo I es aproximadamente 5%
mayor que la mezcla Tipo II, con valores
17,399.43 y 16,583.08 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.
3.7. 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
permeabilidad Mezclas Tipo I y Tipo II.
de
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
PERMEABILIDAD
Muestra
Tipo I Con
Finos
Coeficiente K
[m/s]
Tipo II Sin
Finos
Coeficiente K
[m/s]
Promedio
1.45E-02
2.57E-02
8.85E-04
3.01E-03
6.12%
11.69%
Desviación
estándar
Coeficiente de
variación
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.
coeficiente de
Investigaciones Concreto Poroso
Coeficiente
[m/s]
Tipo I Con Finos
1.45E-02
Tipo II Sin Finos
2.57E-02
NRMCA Publication #2PPCRT
Concretos permeables Ingeniera
hoy
Uso de poroso en pavimento
Noticreto
1.30E-02
N subramanian
3.40E-03
Concretos drenantes valor mínimo
1.00E-04
Concreto Convencional
Brite Euram BE- 3415 Tráfico
Pesado
1.11E-06
2.30E-03
1.40E-04
8.90E-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
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.
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