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Revista ingeniería de construcción

versión On-line ISSN 0718-5073

Rev. ing. constr. v.24 n.3 Santiago dic. 2009

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50732009000300005 

Revista Ingeniería de Construcción Vol. 24 N°3, Diciembre de 2009 PAG. 271-284

 

Estudio de dosificaciones en laboratorio para pavimentos porosos de hormigón

 

Javier Castro*¹, Hernán de Solminihac**, Carlos Videla**, Bonifacio Fernández**

* Purdue University, ESTADOS UNIDOS

** Pontificia Universidad Católica de Chile, CHILE

Autor de correspondencia:


RESUMEN

El trabajo presentado en este estudio muestra la deducción de una ecuación que permite dosificar hormigones porosos en función de la razón agua-cemento y del porcentaje de vacíos interconectados que se requieren en el hormigón endurecido. Usando esta ecuación se analizó el comportamiento de 1 8 mezclas de hormigón poroso conteniendo razones agua-cemento entre 0,29 y 0,41. Las probetas fueron fabricadas en laboratorio y compactadas con rodillo pesado simulando el proceso constructivo en terreno. Los resultados permiten caracterizas de buena forma el comportamiento estructural e hidráulico de estas mezclas. Relaciones entre el porcentaje de vacíos en el hormigón endurecido y la tasa de infiltración, la resistencia a flexotracción y la densidad en estado fresco son presentadas.

Palabras Clave: Hormigón poroso, pavimentos porosos, permeable, drenante, infiltración


1. Introducción

El extenso uso de pavimentos impermeables trae consigo, sobre todo en áreas de un importante desarrollo urbano, considerables problemas en la evacuación de las aguas lluvias y en las condiciones de escurrimiento aguas abajo. El uso indiscriminado de estas estructuras 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 del escurrimiento superficial, aumentando el riesgo de provocar inundaciones en los sectores más bajos de las urbanizaciones (Castro, 2004). Además, cuando el agua de las lluvias escurre, arrastra consigo materiales sólidos y varios contaminantes depositados en calles y estacionamientos, contaminándola (Smith, 2001).

Para disminuir los efectos relacionados a las dos situaciones mencionadas, en los últimos años se ha desarrollado a nivel mundial un modo alternativo de diseñar pavimentos, construyendo estructuras que permitan el paso del agua a través de la capa superficial hacia el interior de la estructura (EPA, 1999), evitando así la acumulación de agua en su superficie y el escurrimiento superficial aguas abajo, condiciones que generan los dos problemas asociados a pavimentos impermeables. Dependiendo del objetivo específico, el agua infiltrada hacia el interior de la estructura podrá ser tratada de modos diferentes, para lo cual es necesario un diseño especial de todo el pavimento.

En el caso de los pavimentos de carreteras o vías muy transitadas, la configuración de la estructura de diseñará considerando un pavimento tradicional, al que se le adicionará en su parte superior una capa permeable. El agua infiltrada llegará hasta la capa impermeable y será conducida lateralmente fuera de la estructura. Con esto se logra evacuar rápidamente el agua superficial disminuyendo el riesgo en los eventos de lluvias. En el caso de los pavimento urbanos de baja solicitación, la configuración de la estructura podrá incluir capas permeables bajo la carpeta de rodado (base y/o sub-base) de modo de actuar como estanque de almacenamiento, y si las condiciones lo permiten, de estanque de infiltración. En forma general, las estructuras de pavimentos capaces de infiltrar el agua a través de su capa superficial reciben comúnmente el nombre en inglés de "pervious pavement", esta definición agrupa en forma más amplia dos tipos de estructuras: los pavimentos permeables y los pavimentos porosos.

Los pavimentos permeables son estructuras construidas con materiales impermeables, generalmente prefabricados, en las que su diseño geométrico permite infiltrar el agua superficial hacia las capas inferiores, ya sea a través de orificios en los bloques o de espacios entre las juntas.

Los pavimentos porosos en cambio, son estructuras de hormigón o asfalto, fabricados con granulometrías sin finos, y que son en sí mismas permeables, escurriendo el agua a través de vacíos interconectados que generalmente alcanzan un valor entre 15 y 25% (Meininger, 1988; Debo & Reese, 1995; Ghafoori & Dutta, 1995). Al ser estructuras construidas con materiales distintos a los utilizados comúnmente en pavimentos, el diseño de las mezclas de estos pavimentos requiere de un estudio más acabado. Es esta configuración, con capas inferiores permeables, la que se considera en esta investigación.

El trabajo que aquí se presente ha sido parcialmente publicado previamente en De Solminihac et al (2007). En el actual trabajo se presenta en detalle la deducción de las ecuaciones para dosificar hormigones porosos, que es la base para todo el trabajo de laboratorio expuesto. Se incluyen resultados de relaciones entre el porcentaje interconectado de vacíos en el hormigón endurecido con la resistencia a flexotracción a 28 días y la tasa de infiltración, que permitirían dosificar hormigones permeables en función de la resistencia o infiltración requeridos. Además se presentan relaciones entre el porcentaje de vacíos, la densidad del hormigón fresco y el tiempo de infiltración medido con un permeámetro de carga variable, que pueden ser usados como herramientas para el control de calidad de las mezclas puestas en terreno.

2. Sistema de dosificación

Si bien existe información del uso de hormigones para este tipo de pavimentos desde hace más de veinte años, incluyendo dosificaciones y recomendaciones constructivas, no existen hasta ahora investigaciones que utilicen un sistema de compactación similar al usado en terreno para caracterizar el comportamiento del material. Los autores creen que los resultados de este trabajo permitirán caracterizar de mejor forma el comportamiento de este hormigón en estado fresco, lograr mayor certeza sobre el comportamiento mecánico e hidráulico en estado endurecido, y optimizar el uso del cemento para lograr las mayores resistencias a flexotracción para cada razón agua-cemento (w/c).

El sistema de dosificación desarrollado en esta investigación, y cuya deducción es presentada a continuación, se basa en la cantidad de vacíos disponibles originalmente en el árido y que es reducido al agregar la pasta de cemento.

En teoría si se utiliza un árido con elevado porcentaje de huecos (por ejemplo 40%), y se agrega un volumen de pasta de cemento igual al 25% del volumen total, la pasta llenara solo parcialmente los vacíos disponibles quedando un volumen de vacíos de 15%. Para un volumen unitario de árido, la densidad de la mezcla puede obtenerse sumando la masa de los componentes y dividiéndola por el volumen unitario, obteniéndose lo que llamaremos densidad teórica, mostrada en la Ecuación (1).

Densidad teórica/Theoretical unit weight (Dt) = (A + C + W) I \ (1)

Donde A es la masa del árido, C es la masa del cemento, y W es la masa del agua.

Sin embargo, en la práctica, una vez que la los materiales son mezclados y el hormigón es compactado, la pasta no sólo llenará los huecos entre los árido sino que también se introducirá entre las partículas de agregado, separándolas e incrementando el volumen original del árido, por lo que el volumen final será mayor por efecto de este "esponjamiento" de la mezcla. Esta situación es mostrada esquemáticamente en la Figura 1. De acuerdo a este esquema, la densidad real y el porcentaje de vacíos en la mezcla pueden ser calculados usando las Ecuaciones (2) y (3) respectivamente.

Figura 1. Efecto de la inclusión de pasta de cemento en el árido con alto contenido inicial de vacíos

 

(2)

 

(3)

Donde Va es el volumen inicial de vacíos en el agregado, Vp es el volumen de pasta adicionado, y Vad es el volumen de vacíos adicionales generados por la separación de los agregados. El aumento de volumen (Vad) puede expresarse a través de la proporción entre la densidad real y la densidad teórica, relación que en esta investigación se define en la Ecuación (4) como Factor de Compactación (FC).

(4)

Reemplazando las Ecuaciones (1) y (2) en la Ecuación (4) y luego despejando para la variable "Vacíos adicionales (Vad)" se tiene que:

(5)

Si además se reemplaza la Ecuación (5) en la Ecuación (3) se obtiene la Ecuación (6):

(6)

La Ecuación 6 asume que todos los vacíos estarán conectados en el hormigón endurecido. En la práctica, se debe considerar que en la mezcla de hormigón se generaran algunos vacíos no conectados, de modo que el porcentaje interconectados de vacíos del hormigón endurecido será menor al calculado a través de la Ecuación (6). Investigaciones previas (FCPA, 1993), han medido una relación entre el porcentaje teórico calculado en forma gravimétrica (Vm) y el porcentaje medido de vacíos conectados (Vcon), la que es expresada en la Ecuación (7).

(7)

Asumiendo además que el volumen de pasta de cemento se puede calcular como la suma del volumen original de cemento, agua y aditivos, se tendrá que el volumen de pasta para un metro cúbico de hormigón puede ser expresado a través de la Ecuación (8):

(8)

Donde Me es la masa de cemento (kg), ye es el peso especifico del cemento, Dad es la dosis de aditivo (% masa de cemento) y Yad es el peso especifico del aditivo. Reemplazando las Ecuaciones (7) y (8) en la Ecuación (6) se puede deducir la Ecuación (9), que permite calcular la dosis de cemento para un hormigón poroso en función de la cantidad de vacíos conectados en el mezcla endurecida, dada la razón agua-cemento.

(9)

3. Programa experimental

3.1 Materiales

En este estudio utilizó solamente agregado grueso sin finos tamaño máximo nominal de 10 mm granulometría N°8 según norma ASTM C33 (ASTM, 2008) con densidad de 1520 kg/m3, un porcentaje de huecos de 43%, y absorción del árido de 1.6%. Se usó cemento portland puzolánico de alta resistencia inicial con peso especifico 2.95 y aditivo plastificante reductor de agua en dosis de 0.5% del peso del cemento con peso especifico 1.16.

3.2 Variables experimentales y dosificaciones

Las variables independientes consideradas fueron el porcentaje real de vacíos y la razón agua-cemento de la mezcla. Se determinó dosificar hormigones que en su estado endurecido tuvieran 15%, 17% y 19% de vacíos, en orden a analizar el efecto de esta variable sobre la resistencia y permeabilidad de las mezclas. La variable w/c se fijó en 0.29; 0.32; 0.35; 0.38; 0.41 y 0,44. Estos valores fueron escogidos para analizar el efecto de la consistencia de la pasta de cemento sobre las propiedades de las mezclas. De este modo 18 dosificaciones diferentes fueron consideradas en este trabajo de laboratorio.

El valor de FC era desconocido al momento de realizar las dosificaciones. Por esta razón se asumió que esta variable sería igual a 0.95 como una primera aproximación. Una vez que las mezclas hayan sido preparadas, los valores reales de FC serán reportados para cada mezcla y el porcentaje de vacíos conectados será corregido.

La dosis de cemento se determinó para cada mezcla utilizando la Ecuación (9) deducida en la sección 2. La Tabla 1 muestra un resumen de las dosis de cemento calculadas para cada mezcla.

Tabla 1. Dosis de cemento para hormigones porosos confeccionados en esta investigación

3.3  Preparación de probetas

De acuerdo con la experiencia internacional, las mezclas de hormigón poroso deben ser compactadas con un rodillo pesado de ancho mayor que el de la losa a hormigonar (FCPA, 1 990; GCPA, 1 997; Reyes & Torres, 2002; Kwiatkowski, 2003). Por esta razón se diseñó un rodillo de 300 mm de diámetro, 600 mm de ancho y 115 kg de peso, que proporciona presiones similares a las utilizadas en terreno (0.08 MPa). Utilizando este rodillo, 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 (Figura 2).

Las losetas fueron desmoldadas después de 24 h, y posteriormente cubiertas con plástico durante 7 d. Luego, estas losetas fueron cortadas obteniendo dos probetas prismáticas de las mismas dimensiones que las usadas en los ensayos de flexotracción (150 x 150 x 550 mm). Para disminuir posibles efectos de las paredes de los moldes, las probetas fueron cortadas desde la sección central, despreciando así los 50 mm exteriores del ancho de las losetas.

Dieciocho dosificaciones distintas fueron analizadas. Para cada una de ellas se realizaron dos mezclas o "amasadas" en días diferentes (36 mezclas en total). Dos losetas fueron confeccionadas con cada amasada, con lo que 72 losetas fueron construidas (4 losetas por cada dosificación) y 144 prismas fueron cortados en total.

3.4  Ensayos desarrollados

Tres diferentes ensayos fueron desarrollados: resistencia a flexotracción, determinación del porcentaje de huecos interconectados y tasa de infiltración.

Dado que estos hormigones son diseñados para ser utilizados en pavimentos, se determinó realizar el ensayo de flexotracción con carga en los tercios a los 28 días. Tres prismas por dosificación fueron testeados en flexotracción.

El porcentaje de vacíos en el hormigón fue medido usando el principio de Arquímedes del peso sumergido.

Para medir la tasa de infiltración se utilizó un permeámetro de carga variable, ensayándose las 72 losetas antes de ser cortadas (Figura 3).

Figura 2. Compactación de las losetas en sus moldes

 

Figura 3. Ensayo con permeámetro de carga variable

4. Presentación y análisis de resultados

4.1 Valores reales del Factor de Compactación

Como se mencionó, para las dosificaciones se consideró un factor de compactación constante e igual a 0.95. Sin embargo, este factor resultó ser variable en la práctica. De acuerdo a la evidencia experimental obtenida en esta investigación, se determinó que este valor varía entre 0.84 y 0.99, dependiendo fundamentalmente de la razón w/c para una granulometría fija. A partir de los resultados obtenidos se estableció la Ecuación (1 0), que relaciona el Factor de Compactación real con la razón w/c.

(10)

4.2 Comportamiento de las mezclas con alta razón agua-cemento

En las mezclas con w/c 0.41 y 0.44 se observó notorio escurrimiento de la pasta de cemento hacia la parte inferior de las probetas, generando probetas heterogéneas vertical mente. En el caso de las mezclas con w/c 0.44 el escurriendo formó una capa impermeable en la parte baja de la probeta. Por esta razón, dichas mezclas serán consideradas en forma especial en el análisis.

4.3 Comparación del porcentaje calculado y el porcentaje medido de vacíos

Una vez conocido los valores de FC para cada w/c, es posible corregir el porcentaje de vacíos utilizado en la Ecuación (9) para cada una de las mezclas. La Figura 4 muestra una comparación entre estos valores calculados y los valores de vacíos medidos en las muestras endurecidas. En esta figura la línea segmentada representa una hipotética correlación 1:1 entre los valores medidos y calculados.

Figura 4. Comparación entre porcentaje de vacíos medidos y porcentaje de vacíos teóricos, calculados con Ecuación (9) y (1 0)

En la Figura 4 se aprecia el efecto del escurrimiento de la pasta de cemento en los vacíos interconectados para las mezclas que contienen altas w/c. Dicho escurrimiento altera la distribución de vacíos en el hormigón y aumenta la cantidad de vacíos desconectados en la mezcla. Para las mezclas que contienen w/c menores a 0.38, los resultados muestran una buena correlación entre los valores predichos y los valores medidos, lo que permite utilizar las Ecuaciones (9) y (10) en futuras investigaciones, cuando se desee dosificar un hormigón poroso en función de la cantidad de vacíos en el hormigón endurecido.

4.4 Resistencia a flexotracción

En la Figura 5 (a) se presentan los resultados de los ensayos de resistencia a flexotracción a 28 días, como función del contenido de cemento para w/c constantes. Basándose en estos resultados no resulta recomendable utilizar mezclas con w/c menor que 0.32 en pavimentos vehiculares, pues si bien pueden resultar con mayor cantidad de vacíos, presentan bajas resistencias en comparación con las que utilizan w/c mayores o iguales que 0.35. Además, estas dosificaciones mostraron desprendimiento del árido superficial por la escasa cantidad de pasta que puede retenerlos, y dificultad en la colocación debido a la baja dosis de agua.

De las curvas con razón w/c desde 0.29 hasta 0.38, a primera vista pareciera que la resistencia no sigue un patrón lógico. Para cada una de las curvas con razón w/c constante, cuando se incrementa el contenido de cemento se obtiene una dosis que maximiza la resistencia, pero al agregar más cemento la resistencia disminuye. Adicionalmente, la resistencia máxima es mayor a medida que aumenta la razón w/c (comportamiento que se opone al concepto general aplicado a hormigones, donde mayores razones w/c se asocian a menores resistencias), y este aumento de la resistencia está asociado a una disminución de la cantidad de cemento.

Para analizar esta situación consideraremos en primera instancia el comportamiento de las resistencias a flexotracción de mezclas con igual dosis de cemento. Debe recordarse que las razones w/c consideradas en esta investigación son bastante bajas, y que si bien mayores dosis de agua puede producir una microestructura más porosa y por lo tanto menos resistente, en este caso un aumento en la cantidad de agua puede mejorar significativamente el grado de hidratación del cemento. También debe considerarse que en hormigones tradicionales la porosidad total es muy inferior comparada con los hormigones porosos, por lo tanto el efecto de reducción de porosidad (al disminuir la razón w/c) es significativo en su resistencia. En hormigones porosos, en cambio, la porosidad es elevada y el efecto de la razón w/c en la porosidad total puede hacerse muy bajo comparado con el beneficio de una mayor hidratación del cemento.

Para explicar ahora la forma de cada curva de w/c constante se debe recordar que se está trabajando con granulometrías con un contenido elevado de vacíos y que el volumen de pasta alcanza para llenar sólo cerca de la mitad de todos los vacíos disponibles. Si bien en una probeta de hormigón tradicional el confinamiento lo entrega la pasta de cemento, que actúa como el medio en el cual las partículas se encuentran inmersas, el hormigón poroso está constituido por un verdadero esqueleto granular grueso en el que cada árido está apenas rodeado de pasta de cemento, razón por la cual la forma de los meniscos de pasta entre áridos (Fernandez Luco et al., 2000), y la trabazón o transmisión de esfuerzos por contacto del árido, son muy importantes en la resistencia de estas mezclas.

Bajo esta consideración, si desde una condición de baja dosis de cemento (extremo izquierdo de las curvas de la Figura 5 (a), se aumenta la cantidad de pasta sin alterar su calidad (razón w/c constante), la mezcla debería comenzar a resistir más. Sin embargo, si se sigue aumentando la cantidad de pasta, llegará un momento en que se separará tanto las partículas, que se producirá una disminución en la resistencia de los meniscos y en la trabazón de la estructura con la consecuente pérdida de resistencia de la probeta. El efecto combinado de ambas situaciones explicaría la disminución de las resistencias, justificándose de este modo la existencia de un volumen de pasta que maximiza la resistencia.

En la Figura 5 (b) se presentan los resultados de los ensayos de resistencia a flexotracción a 28 días, como función del contenido de pasta de cemento para razones w/c constantes menores o iguales a 0,38. Se puede observar que la resistencia del hormigón poroso es maximizada cuando la pasta ocupa el 25% del volumen total (0.25 m3/ m3 de hormigón). De este modo se ratifica la hipótesis planteada, "la dosis óptima de cemento está determinada por el volumen de pasta adicionado a la mezcla".

En la Figura 5 (b) también puede apreciarse el efecto del aumento de la razón w/c mencionado anteriormente. A mayor razón w/c mayor es la resistencia. Un factor adicional que ayuda a entender este comportamiento es el aumento en la fluidez de la pasta de cemento al aumentar la cantidad de agua. Debe recordarse que la cantidad total de pasta de cemento solo alcanza para recubrir los áridos dejando una cantidad considerable de vacíos entre las partículas. Un aumento en la trabajabilidad de la pasta de cemento permitiría cubrir de un modo mas efectivo los áridos, generando más y mejores puntos de contactos (meniscos), lo que repercutiría en una mayor resistencia de la estructura.

Si bien los resultados han sido deducidos utilizando sólo un tipo de granulometría, éstos podrían extenderse a otras granulometrías en las que la trabazón siga siendo el factor preponderante.

Figura 5. Efecto de la cantidad de cemento pasta en la resistencia a flexotraccion a 28 días

4.5 Efecto del porcentaje de vacíos en la resistencia a la flexotraccion y la infiltración

En la Figura 6 (a) se muestra una relación entre la resistencia a flexotraccion a 28 días y el porcentaje real de huecos medidos para todas las probetas. En la Figura 6 (b) se muestra una relación entre tasa de infiltración medida a la edad de 28 días y el porcentaje real de huecos.

Si bien la Figura 6 muestra los resultados obtenidos con un único árido, podría ser utilizada como punto de partida para dosificaciones en función del los requerimientos de resistencia o de tasa de infiltración. Por ejemplo, al definir una resistencia minima de 2.5 MPa a 28 d, de la Figura 6 (a) se puede observar que se obtendrán 15% de vacíos en el hormigón en estado endurecido, lo que estará asociado a una tasa de infiltración de 3 mm/s.

Figura 6. Relación entre porcentaje real de huecos y: a) la resistencia a flexotraccion a 28 días y, b) la tasa de infiltración

4.6 Determinación del porcentaje de vacíos en el hormigón endurecido

En la Figura 7 (a) y (b) se muestran resultados de dos métodos utilizados para determinar el porcentaje de vacíos para hormigones porosos: permeametro de carga variable, y densidad en estado fresco de mezclas compactadas con rodillos. Ambos métodos ofrecen una buena correlación con el porcentaje de vacíos medidos en laboratorio. La densidad en estado fresco parece ofrecer mejores resultado, pero tiene el inconveniente que requiere de moldes especiales y un rodillo para compactar la mezcla. El permeametro de carga variable puede ser utilizado para evaluar la mezcla puesta en terreno, y aparece como un buen método para control de calidad de las mezclas.

Figura 7. Correlación entre el porcentaje real de huecos y: a) el tiempo medido usando el permeametro de carga variable y, b) la densidad en estado fresco del hormigón compactado con rodillo

5. Conclusiones

En este artículo se ha presentado la deducción de ecuaciones que permiten dosificar mezclas de hormigón permeable basado en el requerimiento de porcentaje interconectado de vacíos en la mezcla endurecida. Dieciocho diferentes mezclas fueron preparadas utilizando este sistema de dosificación, las que incluyeron razones agua-cemento desde 0.29 hasta 0.44.

A partir de los resultados obtenidos, se recomienda utilizar razones w/c entre 0.35 y 0.38 para mezclas de hormigón poroso. Mezclas con w/c menores presentan muy baja resistencia y apreciable desprendimiento superficial de áridos. Mezclas con w/c mayores presentan escurrimiento de la pasta de cemento y disminución notoria del porcentaje de vacíos.

Para mezclas con razón w/c constante, existe una cantidad óptima de cemento que maximiza la resistencia a flexotracción. Este comportamiento puede ser explicado por el importante efecto de la trabazón de los áridos y el reducido volumen de pasta de cemento sobre la resistencia a flexotracción de estas mezclas.

 

 

6. Agradecimientos

Agradecemos el importante apoyo del Proyecto FONDEF D00100I, "Sistemas estandarizados para soluciones de aguas lluvias" para el desarrollo de esta investigación.

7. Referencias

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E-mail: jcastro@purdue.edu

Fecha de recepción: 1 6/ 09/ 2009 Fecha de aceptación: 15/10/ 2009

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