Propuesta de diseño de concreto permeable, con distintas relaciones agua cemento y aditivo plastificante, de uso
en vías peatonales, como alternativa para reducir el encharcamiento pluvial en calles de Huaraz – Áncash
Item Type info:eu-repo/semantics/bachelorThesis
Authors Peña Palacios, Manfred Romeo; Laguna Jorge, Robert Joel Publisher Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas (UPC)
Rights info:eu-repo/semantics/openAccess; Attribution- NonCommercial-ShareAlike 4.0 International Download date 04/05/2022 00:46:36
Item License http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
Link to Item http://hdl.handle.net/10757/657846
UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA ACADÉMICO DE INGENIERÍA CIVIL
Propuesta de diseño de concreto permeable, con distintas relaciones agua cemento y aditivo plastificante, de uso en vías peatonales, como alternativa
para reducir el encharcamiento pluvial en calles de Huaraz – Áncash
TESIS
Para optar el título profesional de Ingeniero Civil
AUTORES
Peña Palacios, Manfred Romeo (0000-0002-8459-1455) Laguna Jorge, Robert Joel (0000-0003-3651-8947)
ASESOR
Huerta Campos, Carlos Alberto (0000-0003-3758-3126)
Lima, 11 de octubre de 2021
I DEDICATORIA
La presente investigación está dedicada a las fuentes de inspiración en mi vida. Gracias a mi esposa, a mis pequeños hijos, a mi madre y a la memoria de mi querido padre: Orestes Peña Alfaro, quien siempre vivirá en mi corazón.
II
AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer a todas las personas que estuvieron involucradas en esta tesis. A mi familia, por su paciencia y de manera especial a Martin, por su gran aporte para sacar adelante esta tesis.
III RESUMEN
El presente trabajo de investigación pretende encontrar el diseño de un concreto permeable con la mejor relación agua/cemento, para ser usado en vías peatonales y de bajo tránsito.
Además, busca demostrar que su empleo en zonas lluviosas reduce el volumen pluvial y atenúa el impacto que se produce en las poblaciones urbanas, como la ciudad de Huaraz, en las que existen continuas inundaciones debidas al uso de técnicas y métodos que provocan la impermeabilización del suelo.
Se ejecutaron ensayos en laboratorio sobre la base de tres muestras con relaciones agua/cemento de 0.30, 0.35 y 0.40. Luego de someterlas a pruebas de compresión simple, flexión y permeabilidad, se encontró que el diseño que cumple con las mejores características es el de relación agua/cemento 0.30.
Se concluye que, para la realidad problemática descrita, el uso de un concreto permeable con dicha relación es viable en tanto este posee un coeficiente de permeabilidad k de 0.44 mm/s o 0.44 x 10-3 m/s., que se equipara a un suelo de arena limpia con mezcla de grava y se comporta como un suelo granular. Por lo tanto, contribuirá a absorber las escorrentías, incluso en zonas con una pendiente pronunciada.
Palabras clave: concreto permeable; zonas lluviosas; suelo impermeable; poblaciones urbanas
IV Design proposal of permeable concrete, with different relationships water cement and plasticizing additive, for use in pedestrian routes, as an alternative to reduce the rainwater
stagnation in streets of Huaraz – Ancash
ABSTRACT
The present research work aims to find the design of a permeable concrete, with the best water/cement ratio to be used in pedestrian and low-traffic pavements. In addition, it seeks to demonstrate that use in rainy areas reduces the rainfall volume and attenuate the impact that occurs in urban populations, such as the city of Huaraz, where there are continuous floods due to the use of techniques and methods that cause the waterproofing of the soil.
Laboratory tests were performed on the basis of three samples with water/cement ratios of 0.30, 0.35 and 0.40. After undergoing tests of simple compression, bending and permeability, it was found that the design that meets the best characteristics is the one of water/cement ratio 0.30.
It is concluded that, for the problematic reality described, the use of a permeable concrete with this relationship is feasible as it has a permeability coefficient k of 0.44 mm/s or 0.44 x 10-3 m/s, which sand equates to a clean sand soil with gravel mixture. Therefore, it will help absorb runoffs, even in areas with a steep slope.
Keywords: Permeable concrete; rainy areas; soil waterproof; urban populations
V TABLA DE CONTENIDOS
INTRODUCCIÓN ... 1
Realidad problemática ... 1
Estado de arte... 5
Pregunta de investigación ... 9
Objetivo general ... 9
Objetivos específicos ... 9
CAPÍTULO I. MARCO TEÓRICO ... 10
Inundaciones ... 10
Permeabilidad del suelo ... 11
Drenaje sostenible... 13
Concretos permeables ... 13
1 Definición ... 13
2 Factores que afectan al concreto permeable, según ACI 522-R-10 ... 14
3 Aplicaciones ... 14
4 Porosidad ... 14
5 Ventajas y desventajas del concreto permeable ... 14
5.1 Ventajas ... 14
5.2 Desventajas ... 15
6 Pavimentos permeables ... 15
7 Aplicaciones del concreto poroso a nivel internacional y nacional... 15
CAPÍTULO II. METODOLOGÍA. ... 22
Ensayos de los agregados ... 22
Diseño de las mezclas de concreto permeable... 24
1 Consideraciones previas ... 24
2 Procedimiento de diseño (caso general) ... 26
3 Resultados de diseño ... 30
4 Elaboración de mezcla y probetas ... 31
VI
4.1 corrección del agua ... 31
4.1.1 Primer tanteo a/c=0.30 ... 31
4.1.2 Segundo tanteo s/c=0.35 ... 32
4.1.3 Tercer tanteo a/c=0.40 ... 32
4.2 Preparación de la mezcla ... 33
5 Análisis de costos del concreto convencional versus el concreto permeable ... 35
6 Mantenimiento del concreto permeable ... 37
CAPÍTULO III. DESARROLLO ... 38
Ensayos de laboratorio... 38
1 Prueba de compresión simple de especímenes - ASTM C 39 ... 38
2 Pruebas de resistencia a la flexión de especímenes - ASTM C 78 ... 38
3 Prueba de permeabilidad ... 39
Análisis de resultados ... 39
1 Pruebas de resistencia a la compresión simple ... 40
2 Pruebas de resistencia a la flexión ... 41
3 Pruebas de permeabilidad ... 42
CAPÍTULO IV. CONCLUSIONES ... 44
CAPÍTULO V RECOMENDACIONES ... 47
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 49
ANEXOS ... 52
A.1 Ensayos de laboratorio del agregado fino ... 52
A.1.1 Granulometría ... 52
A.1.2 Humedad natural ... 53
A.1.3 Peso específico y absorción ... 53
A.1.4 Peso unitario ... 54
A.2 Ensayos de laboratorio del agregado gruesos ... 55
A.2.1 Granulometría ... 55
A.2.2 Humedad natural ... 56
A.2.3 Peso específico y absorción ... 56
A.2.4 Peso unitario ... 57
A.3 Diseño del concreto Permeable ... 58
A.3.1 Diseño con relación agua/cemento=0.30 ... 58
VII
A.3.2 Diseño con relación agua/cemento=0.35 ... 60
A.3.3 Diseño con relación agua/cemento=0.40 ... 62
A.4 Ensayos de laboratorio del concreto permeable en estado endurecido... 64
A.4.1 Resistencia a la compresión simple ... 64
A.4.2 Resistencia a la flexión ... 65
A.4.3 Prueba de permeabilidad ... 66
VIII ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1 Precipitaciones máximas de los años 1980 al 2016 en Huaraz - Áncash ... 3
Tabla 2 Requisitos para pavimentos especiales como veredas y vías peatonales ... 25
Tabla 3 Datos de ejemplo para diseño de concreto permeable... 26
Tabla 4 Valores efectivos de b/bₒ ... 27
Tabla 5 Cálculo de volúmenes de componentes ... 29
Tabla 6 Proporción de diseño (a/c= 0.30). ... 30
Tabla 7 Proporción de diseño (a/c= 0.35). ... 30
Tabla 8: Proporción de diseño (a/c= 0.40 ... 30
Tabla 9 Proporciones de diseño de concreto permeable para a/c= 0.30 ... 31
Tabla 10 Proporciones de diseño de concreto permeable para a/c= 0.35 ... 32
Tabla 11 Proporciones de diseño de concreto permeable para a/c= 0.40 ... 32
Tabla 12 Análisis de costo de concreto convencional ... 36
Tabla 13: Análisis de costo de concreto permeable ... 36
IX ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Ubicación de la ciudad de Huaraz. ... 1
Figura 2. Vista en planta del jirón José de Sucre. ... 2
Figura 3.Vista de perfil del jirón José de Sucre. ... 2
Figura 4. Precipitaciones máximas de los años 1980 a 2016 (mm/min)… ... 4
Figura 5. Inundación a causa de precipitaciones en la intersección del jr. Sucre con av. Luzuriaga ... 5
Figura 6. Permeabilidad del suelo ... 12
Figura 7. Estacionamiento del estadio Finley. ... 16
Figura 8. Miller Park en Fair Oaks ... 17
Figura 9. Parque deportivo Imperial Beach, CA. ... 17
Figura 10. Almacenamiento Mt. Angel, OR. ... 17
Figura 11. Plaza central de Soyaló, Chiapas, México. ... 18
Figura 12. Instituto de Vivienda del Estado de Aguascalientes, México. ... 18
Figura 13. Avenida Moctezuma, en Guadalajara. ... 19
Figura 14. Alamedas peatonales en Panamá. . ... 19
Figura 15. Alamedas peatonales en Panamá. . ... 20
Figura 16. Cantera Río Santa, en Tacllán. ... 22
Figura 17. Ábaco para calcular volumen de pasta en función del porcentaje de vacíos .... 27
Figura 18. Equipos y materiales: ... 31
Figura 19. Cohesión de la mezcla: ... 33
Figura 20. Dosificado de las mezclas ... 33
Figura 21. Preparación de la mezcla: ... 34
Figura 22. Mezclado: ... 34
Figura 23. Varillado de las probetas. ... 34
Figura 24. Codificación de las probetas. ... 35
Figura 25. Curado de las muestras... 35
Figura 26. Ensayo de compresión simple. ... 38
Figura 27. Ensayo de resistencia a la flexión. ... 39
Figura 28. Ensayos de permeabilidad. ... 39
Figura 29. Resistencia a la compresión simple. ... 40
Figura 30. Resistencia a la flexión. ... 41
Figura 31. Coeficiente de permeabilidad. ... 42
1 INTRODUCCIÓN
Realidad problemática
La ciudad de Huaraz es la capital del departamento de Áncash y posee una población de 170 mil habitantes. Está ubicada en la cordillera de los Andes, específicamente en el valle interandino del Callejón de Huaylas, que se extiende entre las Cordilleras Blanca y Negra.
Sus coordenadas geográficas son 9° 31’48” latitud sur y 77°31’44.3” latitud oeste. Véase la figura 1.
Figura 1. Ubicación de la ciudad de Huaraz. Elaboración propia
Huaraz se encuentra a una altitud promedio de 3050 m s. n. m. Tiene un clima templado durante el día. La temporada lluviosa comienza —como en toda la sierra del Perú— entre octubre y septiembre, y se prolonga hasta finales de abril o principios de mayo. Alcanza una precipitación máxima de 218 mm por día en los meses de enero a marzo (Agro Áncash, s.f.).
Posee un relieve geográfico plano en su mayor parte, con una inclinación desde 7.25% en la parte más alta y de a 1.47% en la parte baja, tomando como referencia el jirón José de Sucre,
2 que es una de las principales vías de la ciudad. Este jirón comienza en la zona alta del barrio de La Soledad, que es uno de los puntos más altos de la ciudad, y se extiende de este a oeste, pasa por la plaza de armas y termina en el jirón Leonisa y Lescano, en el barrio de Huarupampa, que es uno de los puntos más bajos y planos de la ciudad.
Figura 2. Vista en planta del jirón José de Sucre. Elaboración propia
Figura 3.Vista de perfil del jirón José de Sucre. Elaboración propia
3 En la tabla 1, se aprecian los volúmenes de precipitación desde 1980 al 2016 de la ciudad de Huaraz. Como se puede apreciar, el máximo de este lapso se registró en febrero de 2000, con 217.1 mm/día.
Tabla 1
Precipitaciones máximas de los años 1980 al 2016 en Huaraz - Áncash.
Año/Mes Ene. Feb. Marzo Abril May. Jun. Julio Agosto Set. Oct. Nov. Dic.
1980 2 7 3.5 2.8 1.1 6.7 0.2 0.5 10.1 3.2 40 2.8
1981 28.7 13.6 9.6 6 1.9 3.8 1.2 1.4 9.6 3.3 12.9 9.7
1982 12.3 25.1 20.7 32.2 5.8 0.8 0 0 19.4 63.6 22.5 46.2
1983 22.1 1.9 45.1 18.7 12.7 4.3 0 0.5 4.5 2.1 10.9 19.2
1984 5.7 25.3 5.9 4.2 1.6 0 0.1 0.4 18.4 19.1 13 2.4
1985 0.7 39.8 3.4 3.1 0.9 5 1 2.5 12.8 3.9 4.4 6.2
1986 3.8 19.6 36.9 9.5 10.9 0.1 0.1 1.5 2.6 1.1 18.2 2.2
1987 7.3 43.7 2.3 5.7 3 0.1 0.2 0 11.6 14.4 3.2 5.5
1988 24.4 2.2 9.2 15.3 1.8 1.2 0 0.2 7.8 2.3 35.2 3.7
1989 95.8 26.5 8.7 6 2.3 2.7 0 3.1 0 3 3.5 3.7
1990 4 3.9 10.9 2.6 27.6 3.5 0 0.8 8.3 3.6 22.6 16.2
1991 5.6 2.5 13.2 24.1 16.2 0 0 0.4 6.8 0.8 54.9 22.1
1992 4.6 1.3 9.4 17.1 0.2 2.9 0 0 14.8 0.8 21.8 11.6
1993 9.5 2.6 25.5 14.6 87.7 1.2 0 3.8 17.5 1.5 23.3 2.6
1994 8.5 26.9 20.5 26 2.1 0.6 0.1 1 9.3 2.1 1.4 1.9
1995 0.9 56.6 14.8 10.9 12.4 0.4 0.3 0.9 8.1 1.5 15.3 1.3
1996 22.2 19.4 15.6 6 1.4 3.3 0.3 1.8 7.1 26.7 24.2 1.6
1997 10 1.1 3.6 13 27.2 0.1 0.2 0.2 7.5 172.2 19.2 8.7
1998 41.8 36.8 100.7 17.1 1.3 0 0.2 0.9 9 2.1 11.8 1.3
1999 74.8 167.1 6.9 18 2.1 0.7 0.3 0 8.1 11.5 19.2 27.6
2000 3 217.1 70 13.8 0.5 4.3 0.2 1.4 18.7 7.8 36.6 18.2
2001 16.3 34.2 59.9 7.3 6.9 0.2 0.5 1.3 45.8 7.5 19.4 4.7
2002 9.8 64.8 69.1 68.4 0.1 0.4 0 1 4.1 14.4 12.8 14.3
2003 92.4 9.5 113.7 22.5 1.2 2.7 0 1.1 14.4 1.9 10 18.6
2004 3.7 82.4 17.7 4.8 0.1 0.7 0.4 0.1 8.1 16.7 10.6 13.1
2005 24.4 9.9 109 15.9 5.1 0.2 0 0 3.3 6 26.7 10.4
2006 8.3 26.5 29.6 20.8 2.3 1.4 0.2 7.5 12.8 20.3 10.5 10.9
2007 5.1 19.2 41.5 15.4 2.1 0 0.3 0.1 1.2 6.8 5.8 11
2008 5.5 50.3 154.8 9.4 13.1 3.8 0 0.2 1.7 13.3 6.1 5.5
2009 86.5 57 109.6 16.2 2.3 0.1 0 0 0.7 2.8 9 20.8
2010 7 35 34.8 14.3 0 0 0 2.4 6.3 6.3 16.4 13.4
2011 12.9 114.1 27.5 12.1 0 1.1 0.5 0.1 3.6 3.5 8.5 9.7
2012 18.8 85.8 94.5 15.9 0 0.2 0 1.1 30.3 12.9 10.2 11.9
2013 14.8 111.7 84.5 3.9 5 0.2 0.2 0.7 1.9 9.2 15.5 9.2
2014 14.9 122.4 156.8 7.7 0.5 0.1 0 0 2.7 17.8 17.6 11.8
2015 52.9 15.5 26.4 5.7 6.8 0 0.1 0 0 1.3 22.3 36.6
2016 11.8 95.8 156.8 5.2 2.8 0.3 5.8 0 4.8 7.3 17.1 11.6
Máx. 95.8 217.1 156.8 68.4 87.7 6.7 5.8 7.5 45.8 172.2 54.9 46.2
Nota: La medición del volumen de precipitaciones se hace en mm/día. Elaboración propia a partir de datos meteorológicos de Agro Áncash, s.f.
En la figura 4, presentamos un resumen de las precipitaciones máximas, que corresponden a 0.151 mm/min. Este valor es un parámetro hidrológico importante.
4
Figura 4. Precipitaciones máximas de los años 1980 a 2016 (mm/min). Elaboración propia
Huaraz como muchas ciudades en nuestro país, ha experimentado un crecimiento desordenado y no planificado. Es por esta razón que no existen suficientes áreas verdes y en su mayor parte las áreas libres están pavimentadas. Por otro lado, las calles de la ciudad están pavimentadas con concreto y asfalto impermeable y sus áreas recreacionales y parques están cubiertos con pavimento convencional, debido al bajo coste de mantenimiento y a su durabilidad. Todo esto impermeabiliza el suelo, no permite el paso adecuado del agua al subsuelo y provoca una distorsión en el curso del agua.
Todo esto genera muchos problemas de inundación en la época lluviosa, ya que las escorrentías al no ser absorbidas de manera natural incrementan su volumen y generan acumulación de agua en la superficie. Parte del agua es absorbida por el sistema de drenaje, pero el resto, debido a la pendiente, arrastra partículas sólidas que obstruyen el sistema de alcantarillado. El problema se agrava cuando el volumen del caudal supera al volumen de diseño o el agua encuentra obstrucciones y rebalsa las alcantarillas. Como consecuencia de esto muchas partes de la ciudad, especialmente las zonas bajas, resultan inundadas y convierten las calles en verdaderos ríos, como se puede apreciar en la figura 5.
5
Figura 5. Inundación a causa de precipitaciones en la intersección del jr. Sucre con av. Luzuriaga Tomado de
"Lluvia torrencial en Huaraz colapsa sistemas de drenaje y alcantarillado", por Huaraz Informa, 24 de febrero de 2013
En ese sentido, resulta relevante preguntarse sobre la viabilidad del uso del concreto permeable en realidades como la descrita.
Estado de arte
La revolución industrial y los grandes descubrimientos en muchos aspectos del conocimiento humano, entre ellos la medicina, han mejorado enormemente las condiciones de vida y de salud. Esto ha generado bienestar y un incremento de la población mundial. Este proceso parece, en general, positivo. Sin embargo, la quema de combustibles fósiles, la gran cantidad de desechos y el uso intensivo del suelo, generado por las grandes concentraciones urbanas, han traído como consecuencia distorsiones ambientales y climatológicas.
En estas últimas décadas, las técnicas y el conocimiento humanos intentan darles soluciones a los problemas ambientales. En el campo de la Ingeniería Civil, se realizan diversas investigaciones. Uno de los problemas de interés es la impermeabilización del suelo, que trae como consecuencia una distorsión hidrológica a causa de la mala gestión del agua de lluvia. Para resolver este problema se proponen diferentes técnicas. Una de las más populares es el concreto permeable. Se reseñan a continuación algunas investigaciones publicadas sobre este tema.
Sravana y Vijaya (2016), investigadores del Departamento de Ingeniería Civil del ACE Engineering College de la India, presentan un estudio sobre el concreto permeable titulado
“A Study on the Properties of Pervious Concrete for Pavements”, en el que analizan la efectividad del material y su porosidad para permitir el paso adecuado del agua a través de
6 él. Para demostrar que el concreto permeable (al que denominan también concreto sin finos) es eficiente, realizan pruebas con las cantidades y proporciones siguientes:
Muestra N.º 1: 0 % agregados finos y una relación agua cemento a/c = 0.34 y una proporción de material para 1 m3 de concreto permeable de cemento/AF/AG fino = 1/0/2.5
Muestra N.º 2: 10 % agregados finos y una relación agua cemento a/c =0.34 y una proporción de material para 1 m3 de concreto permeable de cemento/AF/AG fino = 1/0.5/4.9
Como se puede apreciar, los autores estudian dos escenarios: concreto sin finos y concreto con el 10 % de finos. A partir de estas condiciones, se estudian las propiedades y cómo varían de acuerdo con la cantidad o porcentaje del uso de finos. Las propiedades que se estudia son densidad, contenido de vacíos y resistencia a la compresión.
Concluyen que la resistencia a la compresión aumentó gradualmente debido a la presencia de agregado fino. Asimismo, el contenido de vacíos disminuyó. Los investigadores indican también que las relaciones de agua/cemento deberán ser entre 0.27 y 0.30, algunas veces con la inclusión de aditivos químicos apropiados. Valores altos entre 0.34 y 0.40 también dan resultados satisfactorios.
Por otro lado, sugieren que la relación de fuerza y la relación de agua/cemento no son tan precisas o claras para un tipo de concreto fresco permeable, por lo que este presenta baja trabajabilidad para lograr un poro deseado. El rango de porosidad para el tipo de concreto permeable es de 15 a 30 %, valores que también dependen de la compactación adoptada y el curado.
Finalmente, destacan los investigadores que en los últimos años se ha venido empleando pavimentos permeables, pues aportan la facilidad de drenar el agua, sobre todo en las zonas donde hay frecuentes precipitaciones.
Benavides, Fernández, Villalpando, Chacón y Alvarado (2015) son investigadores de la Universidad Tecnológica de Chihuahua. Desarrollan un estudio sobre las propiedades mecánicas del concreto permeable. Con ello, intentan demostrar la resistencia y durabilidad de este tipo de concreto. Además, estudian la necesidad de aplicar los pavimentos permeables en zonas donde existe bajo tráfico, ya que, al ser una mezcla porosa y que permite el paso o filtración del agua a través de él, no desarrolla grandes resistencias mecánicas.
7 Para esto, ejecutaron previamente pruebas de aceptación de los materiales, como son granulometría, densidad, peso volumétrico y módulo de finura. Luego, se diseñaron 8 mezclas, con diferentes proporciones de materiales y con 2 tipos de cementos. Es así como se obtuvieron 6 especímenes de prueba con tiempos de secado de 3, 7 y 28 días. Asimismo, para las pruebas finales, adicionaron a cada tipo de cemento fibras de polipropileno.
Como conclusión, los autores definen que las pruebas 1 y 5 son las que resultaron positivas:
la primera es más resistente y la prueba 5 mejora o tiende a subir debido a la presencia de fibra. Recomiendan que, al realizar los diseños, la relación de agua/cemento se debe mantener constante, por ser un parámetro de suma importancia en el concreto. Además, definen que los pavimentos permeables deberán ser aplicados en las zonas de tráfico vehicular moderado, como parques o plazas, es decir, zonas de vialidades peatonales. En cuanto a la durabilidad del pavimento permeable, precisan que, con un mantenimiento adecuado, puede llegar a ser de 20 a 30 años.
El último estudio que reseñamos se publicó en el Journal of Irrigation and Drainage Engineering. Se titula “Examination of the material found in the pore spaces of two permeable pavements”. En él, Welker, Gilbert, McCarthy y Nemirovsky (2013) analizan la obturación de los poros como principal causa de falla de los pavimentos.
En este artículo, se muestran estudios realizados en la Universidad de Villanova sobre dos tipos de pavimentos permeables, asfalto poroso y concreto permeable. El principal objetivo es responder a la pregunta sobre qué materiales se depositan en los poros.
Para obtener la respuesta prepararon una sección de 30 x 90 m de pavimento permeable en el estacionamiento de la mencionada universidad. En la mitad de esta sección (15 x 90 m), se usó concreto permeable y el resto fue recubierto con asfalto poroso.
Posteriormente, se hizo una aspiración intensiva sobre la superficie permeable. Se utilizó un limpiador de fuerza de vacío industrial para extraer el material contenido en los poros de la capa superficial del pavimento permeable y se analizó el material extraído en cuanto a la distribución del tamaño de grano, porcentaje de materia orgánica y la concentración de metales (cobre, plomo y zinc).
8 Los resultados arrojaron que parte del material retirado correspondía a piezas de los pavimentos que se habían desprendido. Asimismo, el análisis reveló que muy pocos finos se encuentran en los espacios de los poros de los pavimentos. Para esto, se realizó un análisis de hidrómetro D422-63 ASTM, con la finalidad de obtener la distribución de tamaño de grano de los sedimentos aspirados. Estos sedimentos se clasificaron según el sistema de clasificación de suelos unificados ASTM D2487-11. La cantidad de materiales orgánicos se determinó por la pérdida de las pruebas de ignición D7348-08 ASTM. Solo se obtuvo 1.4 a 15.9 % de la muestra. El valor promedio fue de 2.63 % y la desviación estándar de 1.14 %.
Las muestras obtenidas de PC-1 y PC-2 a 6 m tenían el porcentaje más alto de compuestos orgánicos: 4.6 y 5.9 %, respectivamente.
En lo que respecta a los metales, se encontró dos muestras: una que pasa a través de un tamiz de 2 mm y otra a través de uno de 0.15 mm. Se extrajeron con ácido nítrico. Las suspensiones se agitaron durante 1 h y después se sometieron a una centrifugadora. El extracto se filtró a través de un filtro de 0.14 um y los extractos se analizaron para hallar la concentración de Cu, Pb y Zn, utilizando un estretoscopio de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente.
Los resultados estuvieron sobre los 20.1 gr de Cu, 1.8 gr de Pb y 18.7 gr de Zn, lo que indica que los pavimentos permeables no solo reducen el volumen de las escorrentías, sino que mejoran la calidad del agua mediante la retención de los contaminantes en varias etapas a lo largo del recorrido del agua. Los contaminantes son absorbidos por los sedimentos en los espacios de los poros, las rocas en el lecho de infiltración y los suelos naturales debajo de la cama de infiltración. Así, se demuestra que los pavimentos permeables pueden mejorar la calidad del agua de la escorrentía y disminuir considerablemente las cantidades de cobre, plomo y zinc, que son los metales comúnmente detectados en las aguas de lluvia.
Con estos resultados, los investigadores concluyeron que el material extraído era casi exclusivamente grano grueso. En todas las muestras, se tiene menos de 4% de finos. Todos los materiales fueron clasificados como arenas gradadas o mal gradadas.
A partir del análisis de la realidad problemática y la revisión de la literatura más relevante sobre el tema, esta investigación se plantea el siguiente problema de investigación.
9 Pregunta de investigación
¿Cuál es el diseño de concreto permeable que contribuye de mejor manera a reducir el encharcamiento pluvial en las calles de la ciudad de Huaraz?
Objetivo general
Determinar el diseño de concreto permeable —con distintas relaciones de agua/cemento y aditivo plastificante, y que se someta a ensayos mecánicos de compresión, flexión y permeabilidad— que contribuya de mejor manera a reducir el encharcamiento pluvial en las calles de la ciudad de Huaraz-Áncash
Objetivos específicos
Diseñar un concreto permeable, con relaciones de agua/cemento de 0.30, 0.35 y 0.40, usando un aditivo plastificante y tomando como referencia el reglamento ACI 522 R-10.
Ejecutar ensayos mecánicos de compresión simple y flexión en las 3 muestras.
Ejecutar ensayos de permeabilidad con las 3 muestras.
Encontrar el diseño de concreto permeable con la mejor relación agua/cemento, que reúna las mejores características mecánicas y de permeabilidad
10 CAPÍTULO I
MARCO TEÓRICO
Como se ha visto, el concreto permeable es una alternativa constructiva de gran relevancia en el mundo contemporáneo. En ese sentido, es necesario plantear una caracterización precisa de qué es, su uso y la importancia que tiene en la gestión del manejo del agua de lluvia. Además, es preciso describir los diferentes problemas que genera el uso de materiales no adecuados en el manejo y gestión del agua de lluvia. En relación con este tema, conviene tratar el tema de las técnicas del manejo sostenible del agua de lluvia que se están implementado en el mundo. Finalmente, es oportuno revisar los usos que se viene haciendo, en el mundo y en nuestro país, de esta técnica.
Inundaciones
Una de las características fundamentales de los pavimentos convencionales es su impermeabilidad. Esta característica es deseable en vías de tránsito pesado, donde se espera que las capas de suelo, debajo del pavimento, mantengan una humedad constante y no sufran deformaciones. Sin embargo, esta condición no necesariamente es adecuada en las concentraciones urbanas, donde muchas vías locales son de tránsito vehicular ligero y peatonal. Tampoco lo es en las áreas recreativas, como parques y alamedas, en las que se persiste en utilizar pavimentos impermeables debido a su bajo coste de mantenimiento. Todo esto genera impermeabilización en gran parte del suelo de las concentraciones urbanas, lo que causa problemas, como las inundaciones.
Las inundaciones son acumulaciones de agua en una infraestructura hecha por el hombre y son producidas por factores externos a las decisiones del ingeniero que las diseñó. Pueden deberse a diversos factores, como lluvias o desastres naturales. En este caso, nos interesan las inundaciones causadas por el agua de las lluvias, que es uno de los factores de inundación más frecuentes. Dichas inundaciones se deben principalmente al uso indiscriminado de materiales no adecuados, que impermeabilizan el suelo en las ciudades y causan acumulaciones de agua de lluvia, que, al no ser absorbidas por el suelo, se convierten en inundaciones.
11 El fenómeno descrito no solo es un problema en nuestro país: situaciones similares ocurren en distintas regiones del mundo. Por este motivo, muchos gobiernos y comunidades científicas desarrollan métodos y técnicas para una mejor gestión del agua de lluvia.
De hecho, muchos investigadores y publicaciones sostienen que las inundaciones se han convertido en uno de los mayores problemas a nivel mundial y se han incrementado de tal forma que han llegado a generar una sensación de vulnerabilidad en los ciudadanos y son el más común y costoso de los desastres naturales registrados anualmente a nivel mundial, como indica Sañudo (2014).
Este mismo autor indica que uno de los informes de mayor relevancia para la gestión del agua de lluvia es “Floods in the WHO European Region. Health effects and their prevention”, fruto de la colaboración entre la oficina europea de la Organización Mundial de la Salud y la Public Health England. En dicho informe, se hace una amplia descripción de los mayores efectos que produce las inundaciones sobre la salud humana. Algunos de los efectos negativos mencionados son:
Lesiones y exposición a sustancias químicas peligrosas
Infecciones y riesgo de epidemias
Efectos sobre la salud asociados con edificios y otras construcciones que se han visto inundadas
Agotamiento sicológico
Población vulnerable
Impacto en los servicios sanitarios
Finalmente, en nuestro país muchas ciudades no poseen un sistema de drenaje para lograr una gestión eficiente del agua de lluvia y, si lo tienen, como es el caso de la ciudad de Huaraz, colapsan con regularidad.
Permeabilidad del suelo
El suelo se encuentra formado por la descomposición de diferentes elementos de origen mineral y orgánico. No presenta una estructura uniforme, es decir, está conformado por diferentes elementos a los que se les conoce como suelos gruesos y suelos finos. Los suelos gruesos generalmente están formados por partículas grandes de grava y arena, y poseen una gran cantidad de vacíos entre ellos. Esto les permite una elevada velocidad de descarga y un bajo gradiente hidráulico. Por el contrario, los suelos finos están conformados por pequeñas
12 partículas compuestas de arcillas y limos que tienden a retener el líquido y poseen baja velocidad de descarga, pero un alto gradiente hidráulico.
Darcy en 1856 estudió experimentalmente el movimiento del agua a través de medios porosos y formuló la ecuación 1. En ella nos dice que la velocidad del fluido en medio poroso es proporcional al gradiente hidráulico a través del coeficiente de permeabilidad.
Donde:
v: velocidad de descarga i: gradiente hidráulico
k: coeficiente de permeabilidad
En la figura 6, se observa la velocidad de descarga según el coeficiente de permeabilidad según el tipo de suelo.
Figura 6. Permeabilidad del suelo. Datos tomados de la FAO
𝑣 = 𝑘. 𝑖 Ecuación 1
13 Drenaje sostenible
El drenaje sostenible es un conjunto de técnicas y métodos en los que se busca que los elementos diseñados para gestionar el agua de lluvia, dentro de las ciudades, sea lo más parecido a lo que tenía el entorno natural original.
En muchas ocasiones los sistemas urbanos de drenaje, diseñados para tal fin, no son capaces de soportar los altos volúmenes de agua provocados por las lluvias estacionales o colapsan debido a la falta de mantenimiento. Ello provoca aniegos y en muchos casos se mezclan con las aguas negras, lo que genera contaminación y afecta la salud de las poblaciones.
Existen ya muchas propuestas de soluciones que proponen mantener y replicar de la forma más similar posible al natural el ciclo hidrológico del agua y proponen soluciones ingenieriles que no interrumpan el paso del agua hacia el subsuelo.
Una de las propuestas de clasificaciones más importantes de habla hispana es presentada por Sañudo (2014), quien las divide en los siguientes grupos:
Medidas preventivas
Superficies permeables
Pozos y zanjas de infiltración
Depósitos de infiltración
Drenes filtrantes o franceses
Cunetas verdes
Zanjas filtrantes
Depósitos de detención
Estanques de retención
Humedales Concretos permeables 1 Definición
El concreto poroso o permeable es una alternativa al uso del concreto convencional. Está diseñado para permitir el paso del agua a través de él. Generalmente, está compuesto por cemento, agregado grueso y agua, aunque en algunos casos se le puede agregar hasta un 10%
de finos.
14 El bajo contenido de finos en el diseño de estos concretos permite que se formen espacios vacíos que dejan pasar el agua a través de él. Además, la pasta de cemento debe ser tal que mantenga unidas las partículas que conforman el concreto.
Un concreto permeable recomendable debe tener entre un 15% y 25% de contenido de vacíos. En general, una relación agua/cemento recomendable debe estar entre 0.27 y 0.40.
En esta investigación, se usó una relación agua/cemento con un rango entre 0.30 y 0.40.
2 Factores que afectan al concreto permeable, según ACI 522-R-10 Según esta norma, son dos los factores principales:
2.1 Porcentaje de vacíos: El porcentaje de vacíos que presentan las mezclas de concreto permeable varía según la energía de compactación, la granulometría del agregado utilizado, la relación agua/cemento y el contenido de material cementante utilizado.
De acuerdo con ACI 522-R-10, el contenido de vacíos debe estar en el orden de 15 a 35%. De esta manera, la permeabilidad del concreto aumenta con el porcentaje de vacíos, mientras que su resistencia a la compresión disminuye.
2.2 Relación agua/cemento: La relación agua/cemento del concreto permeable debe ser baja, ya que se quiere evitar que la mezcla fluya y llene los vacíos. Según la norma mencionada, el contenido de vacíos debe estar en el orden del 0.28 y 0.40.
3 Aplicaciones
El concreto permeable es usado generalmente en caminos peatonales y de bajo tránsito vehicular, ya que su baja proporción de finos no permite al concreto alcanzar altas resistencias mecánicas. Es usado, además, en estacionamientos, ciclovías, áreas de retención pluvial, etc.
4 Porosidad
Es la relación de vacíos que nuestro concreto debe tener para ser permeable y así dejar pasar el agua a través de él. En el caso del concreto permeable, se logra una relación de índice de vacíos que van desde un 15 a un 25 %.
5 Ventajas y desventajas del concreto permeable Ventajas
Disminuye el caudal generado por las lluvias y alivia los sistemas de drenaje.
15
No permite la formación de charcos sobre el pavimento y evita la contaminación del agua superficial.
Permite la recarga de los acuíferos, ya que permite la infiltración del agua.
Evita la isla de calor.
Es una solución flexible y permite reducir costos Desventajas
Se debe evitar su uso en vías de tránsito pesado.
Se debe evitar la colmatación y hacer una limpieza continua, para mantener su porosidad.
6 Pavimentos permeables
Se denomina pavimento a la capa superficial dura, hecha por el hombre, para proporcionar firmeza y dureza al suelo. En el caso de los pavimentos permeables, se pueden usar distintos materiales, como el concreto permeable o asfalto permeable, además de bloques con agujeros que permitan el paso del agua. Los pavimentos generalmente se clasifican en dos tipos. El pavimento rígido está constituido por concreto convencional, cuya característica principal es su capacidad de absorción de los esfuerzos aplicados sobre él y su alta resistencia a las deformaciones. En contraposición a él, están los pavimentos flexibles, que se componen de asfalto y están diseñados para sufrir ciertas deformaciones, aunque posteriormente recuperen su forma inicial.
Ambos tipos de pavimentos presentan ventajas y desventajas, y su uso depende de los factores económicos y del criterio del ingeniero diseñador. El pavimento flexible posee un menor costo inicial que el rígido, pero necesita mayor mantenimiento y tiende a durar menos.
En cambio, el pavimento rígido tiene mayor costo inicial, pero dura más y necesita una menor frecuencia de mantenimiento
7 Aplicaciones del concreto poroso a nivel internacional y nacional
En las últimas décadas, nuestro planeta ha experimentado cambios climáticos acelerados.
Esto ha despertado una conciencia ambiental en la comunidad científica y en diferentes actores de la sociedad. El sector construcción no es ajeno a esta realidad. Cada vez más, se habla de una construcción sustentable y amigable con el medio ambiente, en la que se usan materiales ecológicos y de bajo impacto ambiental. Por esta razón, a nivel nacional e
16 internacional, se ha visto en el concreto poroso o permeable una solución adecuada para el control de las escorrentías, causadas por las lluvias.
Los orígenes del concreto permeable no son muy recientes. Tennis, Leming y Akers (2004) indican que se utilizó por primera vez en 1852. Desde este año, en Europa y países como el Reino Unido, se usó para la construcción de viviendas. No obstante, su uso no se popularizó hasta después la Segunda Guerra Mundial. Tras ella, Europa quedó devastada por la guerra y hubo escasez de viviendas y de materiales de construcción. En la actualidad y desde hace algunas décadas, en el marco de la crisis climática, el concreto permeable ha pasado a ser usado para el control de las escorrentías causadas por las lluvias, en tanto las explosiones urbanas y el uso desmedido y no planificado del suelo ha distorsionado el ciclo hidrológico.
En efecto, como indican Niyazuddin y Selvan (2017), es una técnica importante para la construcción sostenible y de bajo impacto ambiental, utilizada por los constructores para proteger la calidad del agua.
Presentemos algunas de sus aplicaciones a nivel internacional. Tennis et al. (2004) informan que Estados Unidos es uno de los países donde más se usa el concreto permeable.
Principalmente, se emplea para áreas de estacionamiento vehicular. Como ejemplos, mencionemos el estacionamiento del parque Bannister en California, construido como una de las estrategias del estado de California para mitigar el cambio climático. Del trabajo de estos mismos autores, extraemos las siguientes imágenes sobre este tipo de uso en dicho país. En las figuras 7 y 8, se nota con claridad la convivencia con la vegetación, lo que abunda en el rasgo ecoamigable del concreto permeable.
Figura 7. Estacionamiento del estadio Finley, Chattanooga. Fotografía de L. Tiefenthaler. Tomada de Tennis et al., 2004
17
Figura 8.Miller Park en Fair Oaks, CA. Fotografía de A. Youngs Tomada de Tennis et al., 2004
A pesar de ser este un uso típico en el país del Tío Sam, no se ha dejado de explorar otros usos, como los que se muestran en las figuras 9 y 10. Nótese en esta última la convivencia con el concreto convencional, que sigue siendo necesario en áreas que estructuralmente lo requieren.
Figura 9. Parque deportivo Imperial Beach, CA. Fotografía de D. Akers. Tomada de Tennis et al., 2004
Figura 10.Almacenamiento Mt. Angel, OR. Fotografía de R. Banka: Tomada de Tennis et al., 2004
En Latinoamérica, en países como México y Panamá, se privilegia este material para controlar las escorrentías, como informa Cervantes (2020). Indica este autor que en México
18 se ha empleado el concreto permeable en los estados de Jalisco, Aguascalientes y Chiapas, donde se ha destacado además por el “toque artístico y colorido” de su implementación.
Entre los proyectos se encuentran la plaza central de Soyaló, en Chiapas, que se aprecia en la figura 11; el Instituto de Vivienda del Estado de Aguascalientes, que se muestra en figura 12; y la avenida Moctezuma de la ciudad de Guadalajara, estado de Jalisco, que se aprecia en la figura 13. Remarquemos la versatilidad en cuanto al uso de colores.
Figura 11. Plaza central de Soyaló, Chiapas, México. Fotografía tomada de 360 En Concreto, s.f.
Figura 12. Instituto de Vivienda del Estado de Aguascalientes, México. Fotografía tomada de 360 En Concreto, s.f.
19
Figura 13. Avenida Moctezuma, en Guadalajara. Fotografía tomada de 360 En Concreto, s.f
En cuanto a Panamá, según Cervantes (2020), ya desde el 2009 se está incentivando el reemplazo del concreto convencional por concreto permeable en algunas zonas recreacionales. Actualmente, dicho concreto se está usando en la construcción de áreas de tráfico peatonal, como las entradas de centros comerciales y plazoletas, para perfeccionar el manejo de la escorrentía superficial. Usos interesantes son los que se muestran en las figuras 14 y 15.
Figura 14. Alamedas peatonales en Panamá. Fotografía tomada de 360 En Concreto, s.f.
20
Figura 15. Alamedas peatonales en Panamá. Fotografía tomada de 360 En Concreto, s.f.
Con respecto al Perú, el panorama es distinto. No hemos encontrado ninguna fuente que estudie o mencione ejemplos de uso del concreto permeable. Sin embargo, es preciso anotar que existen abundantes investigaciones en los repositorios académicos de distintas universidades del país, lo que denota un interés de los especialistas en esta técnica. Con esta investigación, esperamos justamente contribuir a este esfuerzo, aunque en relación con la gestión de las escorrentías causadas por las lluvias en una ciudad, como Huaraz, caracterizada por altos volúmenes de precipitaciones.
No obstante, esta ausencia de referencias a usos en nuestra realidad, conviene acotar que importantes empresas, como Unicon y Ecocreto, han empezado a ofrecer concreto permeable.
Unicon es una de las marcas líderes en concreto premezclado en el Perú. Recomienda su concreto permeable para su uso en losas, veredas, como protección de la erosión de finos en el suelo, protección de cimentaciones y/o tuberías enterradas. Además, lo recomienda como un producto ecológico, debido a su bajo impacto en el medio ambiente y que posibilita la recarga de los acuíferos.
Otra empresa menos conocida en el rubro de productos de concreto es Ecocret, que suministra productos de concreto premezclado amigables con el medio ambiente. Esta empresa ofrece su producto de concreto permeable destinado a captar las aguas superficiales, producidas por las lluvias y el riego. Su producto, según publicitan, minimiza el impacto exterior, causando la reincorporación del agua al subsuelo y permitiendo su reutilización.
Las características técnicas de su concreto permeable son las siguientes:
21
Resistencias de diseño: f'c=75, 100, 140 kgf/cm2
Cemento: Yura 1P, Yura HE
Aditivos: Sika / Basf
Certificados de calidad: Agua, cemento, agregados, aditivos.
Conviene acotar que la publicidad sobre concreto permeable aparece de modo marginal en las páginas web de estas dos empresas. Esto podría deberse a que, al no existir una política estatal para el uso del concreto permeable para el control de las escorrentías, no es importante comercialmente al no tener demanda.
22 CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
Resulta pertinente dar a conocer de manera ordenada los procedimientos y técnicas aplicadas en nuestra investigación. En este sentido, la presente investigación es de tipo correlacional, porque busca demostrar que cierto diseño de concreto permeable reúne las características necesarias para contribuir a reducir el volumen pluvial de las escorrentías. En cuanto al diseño de investigación, se trata de una investigación experimental. A continuación, mostramos los diferentes métodos, técnicas y procedimientos empleados.
Ensayos de los agregados
Las características físicas y mecánicas son de vital importancia en el diseño y elaboración de las mezclas de concreto. Por eso, se las sometió a un análisis riguroso en un laboratorio de suelos, usando estándares normalizados como los estándares de la American Society for Testing and Materials (ASTM) y la Norma Técnica Peruana (NTP). Las distintas pruebas aplicadas buscaron determinar su granulometría, su módulo de fineza, su capacidad de absorción del agua, su densidad y su peso específico. Los resultados pueden apreciarse en los anexos A.1 para agregados finos y en A.2 para gruesos. Se usaron materiales extraídos de la cantera Río Santa, ubicada en Tacllán, en las afueras de Huaraz, a orillas del río de ese nombre (ver figura 16). Los agregados usados para nuestra investigación fueron agregado grueso (piedra de ¾, huso 67) y el agregado fino (arena gruesa).
Figura 16. Cantera Río Santa, en Tacllán. Elaboración propia a partir de captura de Google Earth, 2021
23 Por otro lado, se decidió usar agregado grueso en un porcentaje de 93 % y arena gruesa en un porcentaje de 7 %. El agregado fino disminuye la permeabilidad del concreto, por lo que conviene emplear la menor cantidad posible de dicho material. De todos modos se decidió usarlo, pues mejora la cohesión.
En el laboratorio, para determinar las propiedades físicas y mecánicas de los materiales, se procede de la siguiente manera.
El contenido de humedad de los agregados está normado por ASTM C-566 y NTP 339.185.
Se usaron las siguientes herramientas y equipos:
Balanza con sensibilidad a 0.1 g para el agregado fino y 1 g para el agregado grueso
Recipiente para muestras
Horno
Los resultados para el agregado fino pueden apreciarse en el anexo A.1.2 y para el agregado grueso, en A.2.2.
La granulometría de los agregados está normada por ASTM C-136 y NTP 400.012. Se usaron las siguientes herramientas y equipos:
Una balanza de 0.1 g para el agregado fino y, para el agregado grueso, una balanza con aproximación al 0.5 g
Tamices. Para el agregado grueso se usó la serie 3”, 2”, 1 1⁄2”, 1”, 3/4”,1/2”, 3/8” y
#4, y para el agregado fino la serie #4, # 8, #16, #30, #50, #100, #200.
Tamizadoras mecánicas
Horno
Los resultados de granulometría para agregado fino se pueden observar en A.1.1. y los que corresponden al agregado grueso figuran en el anexo A.2.1.
El peso específico y la absorción del agregado grueso está normado por ASTM C-127 y NTP 400.021. Se usaron las siguientes herramientas y equipos:
Tamiz balanza con aproximación al 0.5 g y con capacidad de 5000 g o más. La balanza estará equipada con un dispositivo capaz de suspender la muestra en la cesta con malla de alambre en el recipiente de agua desde el centro de la plataforma de pesado.
Tamiz normalizado N.° 4
24
Depósito de agua
Cesta con malla de alambre con abertura correspondiente al tamiz N.° 6
Horno
El peso específico y la absorción del agregado grueso se muestra en el anexo A.2.3.
El peso específico y la absorción del agregado fino está normado por ASTM C-128 y NTP 400.022. Se usan las siguientes herramientas y equipos:
Balanza con aproximación al 0.5 g
Picnómetro (fiola) con capacidad de 500 ml
Molde cónico metálico de 40 ± 3 mm de diámetro en la parte superior, 90 ± 3 mm de diámetro en la parte inferior y 75 ± 3 mm de altura, confeccionado por una plancha metálica de un espesor igual o superior a 0.8 mm
Apisonador de metal, el cual es una varilla metálica con uno de sus extremos en sección plana y circular, de 25 ± 3 mm de diámetro. Debe tener una masa de 340 ± 15 g.
Horno
Los resultados de estas pruebas pueden encontrarse en el anexo A.1.3.
El peso unitario de los agregados está regido por las normas ASTM C-29 y NTP 400.017.
Se usaron las siguientes herramientas y equipos:
Balanza con exactitud dentro del 0.1 % de la carga de ensayo
Varilla de acero liso con punta semiesférica (5/8” de diámetro y 24” de longitud)
Recipiente u olla para peso unitario
Pala y cucharón
El peso unitario del agregado fino se muestra en el anexo A.1.4; el peso unitario del agregado grueso se puede observar en el anexo A.2.4.
Diseño de las mezclas de concreto permeable 1 Consideraciones previas
Para el diseño del concreto permeable no existe una norma específica en nuestro país; en consecuencia, se usó la norma americana ACI 522-R-10 (2010) De la misma manera, se decidió usar un cemento portland tipo I, con un porcentaje mínimo de 7% de finos y un 93%
de piedra chancada de ¾ de pulgada.
25 Con respecto a la resistencia de diseño, se tomó en cuenta el reglamento nacional de edificaciones CE.010 Pavimentos urbanos. En dicha norma se menciona que para aceras y veredas la resistencia mínima a la compresión debe ser de 175 kg/cm2 o 17.5 MPa, como se aprecia en la tabla 2.
Tabla 2
Requisitos para pavimentos especiales como veredas y vías peatonales
Nota: f’c en kg/cm². Tabla tomada de la norma peruana CE.010 Pavimentos urbanos (2010), capitulo 4 que trata sobre pavimentos especiales
El concreto permeable difiere en su diseño del concreto tradicional o convencional: en el concreto poroso es más importante el porcentaje de vacíos y el volumen de pasta, mientras que el concreto convencional la relación agua/cemento y la resistencia a la compresión son lo más importante.
En el concreto permeable el porcentaje de vacíos le da velocidad al paso del agua y el volumen de pasta mantiene unidas las partículas. En los diseños de concreto permeable, el porcentaje de vacíos varía de 15 a 25 % y la cantidad de agua debe ser tal que guarde una
26 relación agua/cemento tan baja como sea posible, de 0.25 a 0.40. Por otro lado, los agregados gruesos varían en tamaño, desde ¾” a ⅜”, y, si se le añaden finos, estos no deben ser mayores al 10 %.
En la presente investigación, se consideraron tres relaciones agua/cemento: 0.30, 0.35 y 0.40, y se usa un aditivo plastificante de marca Chema.
2 Procedimiento de diseño (caso general)
Paso 1: Características de diseño
En la tabla 3, se muestran las características del agregado, el porcentaje de vacíos y la relación agua/cemento con la que elaboraremos uno de los diseños de concreto permeable.
Tabla 3
Datos de ejemplo para diseño de concreto permeable
% de vacíos 15%
Relación a/c 0.3
Aditivo Chema 0.25
Peso específico C.P. 3110
P.U.C. agregado grueso 1623 Peso específico del agregado
grueso
2711 Absorción agregado grueso 0.9
P.U.C. agregado fino 1756
Peso específico agregado fino 2632
Absorción agregado fino 1
Nota: Elaboración propia
Paso 2: Determinación del volumen de pasta en función del 15% de vacíos
La figura 17 muestra el instrumento de la norma ACI 522-R para calcular el volumen de pasta del concreto permeable considerando el porcentaje de vacíos.
27
Figura 17. Ábaco para calcular volumen de pasta en función del porcentaje de vacíos. Tomado de la norma ACI 522-R-10 (2010) - Apéndice 6
𝑉𝑃 = 0.2𝑚3 Donde 𝑉𝑃 es el volumen de la pasta en m3
Paso 3: Determinación del peso del agregado grueso
La tabla 4, muestra el contenido de agregado grueso (b/bo) para agregado grueso de 3/8” y
¾” para un contenido de agregado fino de 0%, 10% 20%.
Tabla 4
Valores efectivos de b/bₒ
Porcentaje de agregado fino
%
b/bo N.º 8
(3/8")
N.º 67 (3/4")
0 0.99 0.99
10 0.93 0.93
20 0.85 0.86
Nota: Elaboración propia a partir de la norma ACI 522-R-10 (2010) - Apéndice 6
Interpolando para agregado grueso de ¾” y un porcentaje de 7% de finos, obtenemos 0.945.
Reemplazando el PUCag en la ecuación 2 obtenemos el peso del agua del agregado grueso:
Donde:
b/bo: volumen seco compactado de agregado grueso por unidad de volumen de concreto
28 Wag: peso del agregado grueso en kg por m3
PUCag: peso unitario compactado del agregado grueso en kg por m3 Paso 4: Ajuste del peso en estado saturado superficialmente seco
Usando el peso del agua y el porcentaje de absorción del agregado grueso + 1 obtenemos el peso en estado saturado superficialmente seco reemplazando los valores en la ecuación 3.
Donde:
Wsss: peso unitario suelto en kg por un m3 Wa: peso del agua en kg por un m3
absag: Porcentaje de absorción del agregado grueso
Paso 5: Determinación del contenido de cemento
Reemplazando el volumen de la pasta, para un concreto con relación agua/cemento de 0.3, en la ecuación 4 hallamos el contenido de cemento:
Donde:
𝑉𝑝: volumen de pasta en m3 C: cemento en kg por un m3 a/c: Relación agua/cemento
Ecuación 4
𝑉𝑝 = 𝐶
3.15𝑥1000+ሺ𝑎 𝑐Τ )x𝐶 1000
𝐶 = 325.2 𝑘𝑔 𝑚3
29 Paso 6: Determinación del contenido de agua
Para hallar el contenido de agua, remplazamos el contenido de cemento y la relación agua/cemento en la ecuación 5:
Donde:
C: contenido de cemento en kg en un m3 Agua: Contenido de agua en litros en un m3 a/c: relación agua/cemento
Paso 7: Se determina el volumen total de sólidos, con un 7% de finos y un 93% de agregado de ¾”
En la tabla 5, se muestran los cálculos de los volúmenes de los diferentes componentes. Esto se calcula dividiendo el peso del componente entre su peso específico.
Tabla 5
Cálculo de volúmenes de componentes
Volumen de los agregados 0.571m3
Volumen del cemento 0.105 m3
Volumen del agua 0.098 m3
Volumen total sólido 0.773 m3
Nota. Elaboración propia
Se considera 7% de arena y 93% piedra ¾”. Los volúmenes de ambos agregados se calculan de la siguiente manera:
30 3 Resultados de diseño
El diseño se hizo con un porcentaje de vacíos de 15 % y con relaciones agua/cemento de 0.30, 0.35 y 0.40. Además, el tamaño del agregado grueso fue de ¾” con un porcentaje de 7% de finos. El aditivo que se usó fue Chema Plast, que es un aditivo plastificante de color marrón de uso universal que hace posible diseñar mezclas de concreto de fácil colocación.
Permite una reducción de agua hasta 10%, lo que aumenta la resistencia a la compresión y la durabilidad del concreto. Cumple con los requerimientos de la norma ASTM C-494 tipo A.
Tabla 6
Proporción de diseño (a/c= 0.30)
Proporción del diseño (a/c= 0.30)
C 1.0
A.F. 0.37
A.G. 4.77
Agua 0.34
Aditivo 1.20 %
Nota: Elaboración propia
Tabla 7
Proporción de diseño (a/c= 0.35)
Proporción del diseño (a/c= 0.35)
C 1.0
A.F. 0.40
A.G. 5.16
Agua 0.39
Aditivo 1.20 %
Nota: Elaboración propia
Tabla 8
Proporción de diseño (a/c= 0.40).
Proporción del diseño (a/c= 0.40)
C 1.0
A.F. 0.43
A. G. 5.54
Agua 0.44
Aditivo 1.20 %
Nota: Elaboración propia
31 Los resultados de estos tres diseños se pueden apreciar en A.3.1 para la relación a/c de 0.3, en A.3.2 para la relación a/c de 0.35, y en A.3.3 para la relación a/c de 0.40.
4 Elaboración de mezcla y probetas 4.1 corrección del agua
Una vez obtenida la dosificación teórica de la mezcla, se procede con los tanteos para las tres relaciones de agua cemento. Los equipos y materiales se muestran en la figura 18; las tablas 9, 10 y 11 muestran los insumos empleados en cada diseño.
.
Figura 18. Equipos y materiales: mezcladora (A), plastificante (B) y graba de ¾ de pulgada (C).Fotografías tomadas en el trabajo de campo
4.1.1 Primer tanteo a/c=0.30 Tabla 9
Proporciones de diseño de concreto permeable para a/c= 0.30
Componente Teórica Real
Cemento 3.25 kg 3.25 kg
Arena 1.2 kg 1.2 kg
Piedra ¾ 15.5 kg 15.5 kg
Agua 1.0 l 0.9 l
Aditivo 39 gr 39 gr
Nota: Elaboración propia
32 4.1.2 Segundo tanteo s/c=0.35
Tabla 10
Proporciones de diseño de concreto permeable para a/c= 0.35
Componente Teórica Real
Cemento 3.25 kg 3.25 kg
Arena 1.2 kg 1.2 kg
Piedra ¾ 15.5 kg 15.5 kg
Agua 1.17 l 0.94 l
Aditivo 39 gr 39 gr
Nota: Elaboración propia
4.1.3 Tercer tanteo a/c=0.40
Tabla 11
Proporciones de diseño de concreto permeable para a/c= 0.40
Componente Teórica Real
Cemento 3.25 kg 3.25 kg
Arena 1.2 kg 1.2 kg
Piedra ¾ 15.5 kg 15.5 kg
Agua 1 l 0.8 l
Aditivo 39 gr 39 gr
Nota: Elaboración propia
El procedimiento de tanteo se realiza para corroborar el diseño teórico o corregir el agua real que necesita la mezcla. Estos procedimientos se realizan debido al uso del aditivo plastificante, que permite el uso de menor cantidad de agua en la mezcla. En nuestro caso, realizamos dos tanteos adicionales, ya que echamos más agua de la necesaria.
El estado óptimo de la mezcla se lograr cuando este presenta una adecuada cohesión. En la figura 19, se pueden apreciar tres posibles resultados: mezcla seca, mezcla con mucha agua y mezcla correcta con buena cohesión
33
Figura 19. Cohesión de la mezcla: mezcla seca (A), mezcla con demasiada agua (B) y mezcla que se empleará por su adecuada cohesión(C). Fotografías tomadas en el trabajo de campo
Luego de haber corregido la cantidad de agua real y con los datos obtenidos se procede a crear las probetas finales. Este proceso se puede apreciar en las fotografías de la figura 20, que recogen la dosificación de los diferentes componentes de la mezcla.
Figura 20. Dosificado de las mezclas: se mide el agua en una pipeta graduada (A.), se pesa el aditivo plastificante (B) y, finalmente, se pesa el cemento (C). Fotografías tomadas en el trabajo de campo
4.2 Preparación de la mezcla
Luego de la dosificación, se procede a la preparación, que se puede apreciar en la figura 21, y al proceso de mezclado en sí, que se observa en la figura 22.
34
Figura 21. Preparación de la mezcla: se echa el cemento a la mezcladora (A) y luego el agua (B). Fotografías tomadas en el trabajo de campo
Figura 22. Mezclado: se vierte el aditivo plastificante (A), y se continúa y finaliza la mezcla (B). Fotografías tomadas en el trabajo de campo
Luego de culminado el mezclado, se comprime la mezcla con una varilla con 15 golpes de 3 capas, tal como se aprecia en la figura 23.
Figura 23. Varillado de las probetas. Fotografía tomada en el trabajo de campo
35 A continuación, se arman las probetas con las muestras del concreto permeable y se
codifican; ver figura 24.
Figura 24. Codificación de las probetas. Fotografía tomada en el trabajo de campo
Finalmente, como se aprecia en la figura 25, se pasa a curar las muestras, durante 7 días, en tinas de agua con el fin de que no surjan grietas. Luego de ello, se las deja secar por 21 días más, aunque periódicamente se les echa agua.
Figura 25. Curado de las muestras con relaciones agua/cemento 0.3 (A), 0.35 (B) y 0.40 (C). Fotografías tomadas en el trabajo de campo
5 Análisis de costos del concreto convencional versus el concreto permeable
El costo del concreto convencional es mayor que el del concreto permeable. En las tablas 12 y 13 se puede apreciar que la diferencia por metro cúbico está en torno a S/ 28, lo que no es un monto despreciable. Sin embargo, como ya se indicó, el mantenimiento del concreto permeable, cuyos detalles se abordan en el siguiente apartado, suponen un costo adicional.
