Estudio de dosificaciones para la elaboración de hormigón poroso

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Ing. Gustavo F. Chávez (1), Iván D. Semeniuk (2), José L. Gutiérrez (3),(1) Ing. Civil, Prof. Investigador, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Itapúa, Encarnación, Paraguay. (2) Ing. Civil, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Itapúa, Encarnación, Paraguay. (3) Ing. Civil, M.Sc., Prof. Investigador, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Itapúa, Encarnación, Paraguay.

RESUMEN
Con el aumento de la urbanización en las ciudades ocurre una gradual impermeabilización del suelo, lo que disminuye de forma considerable el volumen de agua infiltrada al mismo. Debido a esta situación se produce un incremento significativo del caudal de escurrimiento superficial con el consiguiente riesgo de inundaciones en los sectores más bajos de las ciudades. Por esta razón, buscando una solución al problema antes mencionado, se han desarrollado estudios del hormigón poroso y su aplicación en pavimentos permeables como alternativa para reducir el escurrimiento superficial, ya que el mismo permite la infiltración del agua a través de su superficie para su posterior eliminación en el suelo. En este trabajo se elaboraron 16 dosificaciones de hormigón poroso sobre las cuales se realizaron ensayos de permeabilidad, ensayos de compresión simple en probetas cilíndricas y ensayos de flexión en probetas prismáticas sobre un total de 177 cuerpos de prueba. Estos cuerpos de prueba fueron extraídos de losetas de mayor superficie compactadas con la utilización de un rodillo liso, simulando la técnica utilizada en campo para compactación de pavimentos de hormigón. Los resultados indican que las características de resistencia y permeabilidad de las dosificaciones utilizadas se encuentran dentro de los requerimientos establecidos por la ACI 522-R10 “Report on Pervious Concrete”. Se obtuvieron valores de resistencia a la compresión dentro del rango bajas a moderadas (3,5 a 10 MPa) con altos índices de permeabilidad (200 a 2.000 L/min/m²), encontrándose dosificaciones adecuadas para su utilización en la elaboración de pavimentos permeables.

1. INTRODUCCIÓN

El uso indiscriminado de las estructuras, como el concreto asfáltico y el hormigón de cemento Portland, que causan la impermeabilización del suelo en áreas urbanas, disminuye notoriamente la capacidad de recarga natural de agua en los terrenos, e incrementa de forma considerable el volumen y el caudal de escurrimiento superficial, aumentando el riesgo de provocar inundaciones en los sectores más bajos de las ciudades. Según Tennis et al. (2004), los pavimentos de hormigón poroso son estructuras de hormigón, fabricados con granulometrías sin finos, y que son en sí mismas permeables, escurriendo el agua a través de vacíos interconectados que generalmente alcanzan valores entre el 15-25%, lo que permite el paso de 120 a 230 litros de agua a través de cada metro cuadrado, con una tasa de flujo típica de 3,4 mm/s (200 L/m²/min) o más. Esto podría ofrecer una mejor solución para la problemática actual de inundación urbana que afecta a las ciudades, que ocasionan pérdidas de vidas humanas por causa de los raudales, cuantiosos daños materiales, calles y avenidas colapsadas, interrupción de las actividades laborales y sociales habituales, preocupación y miedo generalizados. Dadas estas ventajas, se verifica que el interés por los pavimentos permeables en general, y por el hormigón poroso, en particular, se está diseminando fuera de los Estados Unidos, donde se han registrado los avances más importantes y normalizaciones del material (Mulligan, 2005). De acuerdo a Polastre y Santos (2006), ya existen registros de experiencias recientes en varios países, como Brasil (Holtz, 2011), Japón y Chile (Castro, 2004), donde se estudiaron métodos de diseño de mezclas y se realizaron análisis de dosificaciones de hormigón poroso.
En atención a los beneficios que presenta el uso de este material, el trabajo tiene como objetivo analizar dosificaciones de hormigón poroso elaboradas utilizando materiales de construcción disponibles en la zona de Encarnación, Paraguay y determinar si las características de resistencia y permeabilidad que presentan se encuentran dentro de los requerimientos establecidos por la recomendación ACI 522R-10 “Report
on Pervious Concrete” publicada por la American Concrete Institute (ACI, 2010).

2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1. Materiales
Para el desenvolvimiento de esta investigación fueron utilizados materiales de construcción típicamente utilizados en la ciudad de Encarnación (Departamento de Itapúa, Paraguay).Como aglomerante fue utilizado Cemento Portland Compuesto Tipo II (CPII – Z32), producido por la Industria Nacional del Cemento (INC). Como agregado grueso, fracción que representa el mayor volumen del hormigón poroso, fue utilizada piedra triturada de origen basáltico. En este caso las dosificaciones fueron realizadas con piedra triturada IV con = 19 mm, proveniente de canteras cercanas a la ciudad.

2.2. Variables experimentales y dosificaciones
Considerando que el hormigón poroso es un material nuevo y poco conocido en la zona, se decidió trabajar con dos variables básicas y necesarias para orientar las dosificaciones del hormigón: la relación agua/cemento (a/c) y el tenor de agregados (m). Para definición de la faja inicial de investigación de esas variables se tomó como referencia la recomendación ACI 522R-10. La misma menciona que la faja de relación agua/cemento (a/c) apropiada para la generación de hormigones porosos varía entre 0,26 y 0,45. Se decidió que la faja investigada, estaría entre estos valores y fueron establecidos cuatro niveles que serían adoptados para la variable relación a/c: nivel mínimo (0,30); nivel máximo (0,38) y dos intermedios (0,32 y 0,35).

Para la variable cantidad de agregados (m), se decidió el estudio con 4 niveles (m=4, m=5, m=7 y m=9), equivalentes a consumos de cementos menores. Se buscaba así, intentar evaluar si existiera una combinación que fuese económica, resistente y suficientemente permeable. Combinando las dos variables de estudio (m y a/c), en sus varios niveles, fueron generados 16 dosificaciones (Tab. 1), todos compatibles con las informaciones contenidas en el Apéndice 6 (Pervious Concrete Mixture Proportioning) de la recomendación 211.3R-02 de la ACI, Guide for Selecting Proportions for No-Slump Concrete.

2.3. Preparación de probetas
De acuerdo con la experiencia internacional (ACI, 2010), las mezclas de hormigón poroso deben ser compactadas con un rodillo pesado de ancho mayor que el de la losa a hormigonar. Por esta razón se diseñó un rodillo de 150 mm de diámetro, 500 mm de ancho y 25 kg de peso, que proporciona presiones similares (0,08 MPa) a las utilizadas en el terreno. Utilizando moldes metálicos, se confeccionaron probetas de 150 mm de espesor, 400 mm de ancho y 550 mm de largo, las que por su tamaño se denominaron losetas, compactadas con el rodillo fabricado. Las losetas fueron desmoldadas después de 72 horas y cubiertas con plástico durante 21 días (Fig. 1). Luego, fueron extraídas 6 probetas testigo de 90 mm de diámetro y 150 mm de altura de cada loseta (Fig.
2 y Fig. 3). Para disminuir posibles efectos de las paredes de los moldes, las probetas fueron extraídas de la sección central.

2.4. Ensayos desarrollados
Dos diferentes ensayos fueron desarrollados sobre las probetas extraídas: ensayo de índice de permeabilidad y resistencia a la compresión; las probetas prismáticas fueron sometidas al ensayo de resistencia a la flexión. Para la realización del ensayo de índice de permeabilidad, se utilizó un método basado en una propuesta originalmente presentada en el trabajo de Neithalath et al. (2003), que se basa en un concepto equivalente al de un permeámetro de carga variable (falling head). Como se muestra en la Fig. 4, el método de ensayo concebido envuelve la colocación de una muestra de hormigón poroso, de 150 mm de altura, dentro del permeámetro y se controla el tiempo (t) que la altura del agua demora para percolar por el sistema, entre el punto 290 mm (h1) y 70 mm (h2) del cilindro graduado.

Este procedimiento debe ser repetido tres veces, siendo el tiempo medio usado como valor del tiempo t para el cálculo del valor del coeficiente de permeabilidad (k) determinado a partir de la ley de Darcy

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

3.1. Ensayos desarrollados

3.1.1. Resistencia a compresión
En la Fig. 6 se muestra la evolución de la resistencia a compresión para cada una de las dosificaciones, en función a la variación de m y a/c. Se observa que las dosificaciones con mayor relación a/c desenvolvieron mayores valores de resistencia, contrario de lo que se esperaría en el hormigón convencional. Ello ocurre por el hecho de que, con una mayor relación a/c, la mezcla gana trabajabilidad y la pasta consigue lubricar mejor la mezcla,permitiendo un mejor acomodamiento de los agregados que quedan mejor envueltos por la pasta. Los valores más altos de resistencia a compresión se obtuvieron con las dosificaciones con menor cantidad de agregados y mayor contenido de pasta de cemento (1:4), no obstante las resistencias medias no superaron el valor de 10 MPa (3,5 a 9,5 MPa). A pesar de ello, todos los valores obtenidos se encuentran dentro de la faja mencionada por la ACI (2010) de resistencia de hormigones porosos, que varía entre 2,8 y 28 MPa.

3.1.2. Permeabilidad
En la Fig. 7 se muestra la evolución de la permeabilidad para cada una de las dosificaciones, en función a la variación de m y a/c. Al contrario de lo observado en la resistencia a compresión, la permeabilidad tiende a disminuir al aumentar la relación a/c, ello ocurre debido a un mayor bloqueo de la red de poros por la penetración de la pasta de cemento a través de los agregados.

Se observaron mayores valores del coeficiente de permeabilidad para las dosificaciones con mayor cantidad de agregados y menor contenido de pasta de cemento; las dosificaciones con 1:7 y 1:9 presentaron los valores más altos de flujo, superando inclusive los 2.000 L/min/m². Para todas las dosificaciones se observan valores muy satisfactorios con respecto al flujo de agua, ya que el valor de referencia usado para representar la permeabilidad de un hormigón poroso está en el orden de 200 L/min/m² (ACI, 2010).

3.1.3. Resistencia a flexión
En la Fig. 8 se muestra la evolución de la resistencia a la flexión para cada una de las dosificaciones ensayadas , en función a la variación de m y a/c. Como se puede observar en la Figura, la resistencia a flexión no se haya ligada a la relación a/c, mostrando un comportamiento errático y distinto para cada relación 1:m. En este estudio en particular, se encontró un pico de resistencia a la flexión de 1,97 MPa para la dosificación m=4 y a/c=0,35

4. CONCLUSIONES

Con base al análisis de los resultados de los ensayos se pueden presentar las siguientes conclusiones, derivadas del programa experimental desenvuelto en el presente trabajo.
Las tasas de infiltración de todas las dosificaciones de hormigón poroso fabricadas fueron elevadas y superiores al valor de referencia de 200 L/min/m² estipulada por la ACI (2010), se alcanzaron inclusive valores de 2.000 L/min/m². Para la faja de dosificaciones de estudio, las resistencias a compresión aumentan con el aumento de la relación a/c, con la disminución de la cantidad de agregados y con el aumento del contenido de pasta de cemento; aunque las resistencias obtenidas no superan el valor de 10 MPa, todos los valores obtenidos se encuentran dentro de la faja de 2,8 a 28 MPa mencionada por la ACI (2010).
En las curvas de resistencia a flexión se corrobora que la misma se haya ligada a la cantidad de cemento en la mezcla y la normativa ACI indica que relaciones entre m=4 y m=4,5 son las más recomendables. Para obtener resistencias superiores a los 9 MPa, se debe utilizar la dosificación con m=4 y una relación a/c=0,32, ya que fue la dosificación que presentó los mayores valores de resistencia a compresión y tasas de infiltración superiores a la media establecida para el hormigón poroso. Naturalmente estas conclusiones precisan ser confirmadas y ampliadas en estudios complementarios e independientes. Sobre todo son necesarios estudios para mejorar la resistencia a compresión. Se comprueba así, los beneficios de este material en cuanto a la permeabilidad, que supera incluso a los de suelos naturales, por lo que es ideal para su utilización en la elaboración de pavimentos permeables para la disminución de la escorrentía superficial que se produce durante los eventos de lluvia.