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An�lisis del concreto permeable como alternativa de evacuaci�n de aguas superficiales en la provincia de Manab�

 

Analysis of permeable concrete as an alternative for evacuation of surface waters in the province of Manab�

 

An�lise do concreto perme�vel como alternativa para evacua��o de �guas superficiais na prov�ncia de Manab�

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: fgutierrez7582@utm.edu.ec

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas

Art�culo de Investigaci�n

 

 

* Recibido: 03 de febrero de 2024 *Aceptado: 22 de marzo de 2024 * Publicado: �15 de abril de 2024

 

        I.            Estudiante de Posgrado, Maestr�a En Ingenier�a Civil Menci�n Vialidad Cohorte 1, Universidad T�cnica de Manab�, Ecuador.

      II.            Doctor en Ciencias Universidad Tecnol�gica de La Habana "Jos� Antonio Echeverr�a" Cujae, Profesora del Departamento de Construcciones y Viales de la Facultad de Ingenier�a Civil, Ecuador.

 

Resumen

El concreto permeable es un material de construcci�n sustentable, por su alto grado de porosidad permitiendo el paso del agua a trav�s de su estructura filtrable al terreno natural. El presente art�culo tiene como objetivo principal dise�ar un concreto permeable con los �ridos de las canteras de Megarock y Uruzca sin el empleo de aditivos, logrando satisfacer la resistencia establecida, brindando una alternativa de soluci�n para la evacuaci�n de aguas superficiales provocadas por las lluvias y evitando el efecto de hidroplaneo. Para ello, se emple� una metodolog�a con enfoque cuantitativo, de tipo documental y experimental, us�ndose las normas NTE INEN, ASTM y ACI para los ensayos. Se realiz� un dise�o de mezcla con una relaci�n A/C de 0,45 y con un 17% de vac�os, obteni�ndose una resistencia a la compresi�n de 216,90 kg/cm² con el empleo de �ridos de la cantera Megarok y 218,08 kg/cm² para la cantera Uruzca, cumpli�ndose el valor de dise�o de 210 kg/cm². Se demuestra que es posible fabricar un concreto permeable con los �ridos de las dos canteras empleadas para el estudio. De acuerdo a los resultados, con este concreto se puede construir vialidades de bajo tr�fico como caminos para peatones, ciclistas, �reas de estacionamiento, as� como tambi�n para la construcci�n de plazas o plazoletas, aceras, entre otras.

Palabras clave: concreto permeable; resistencia; porosidad; normas; bajo tr�fico.��

 

Abstract

Permeable concrete is a sustainable construction material, due to its high degree of porosity, allowing water to pass through its filterable structure to the natural terrain. The main objective of this article is to design a permeable concrete with the aggregates from the Megarock and Uruzca quarries without the use of additives, managing to satisfy the established resistance, providing an alternative solution for the evacuation of surface waters caused by rains and avoiding the hydroplaning effect. To do this, a methodology with a quantitative, documentary and experimental approach was used, using the NTE INEN, ASTM and ACI standards for the tests. A mix design was carried out with a W/C ratio of 0.45 and 17% voids, obtaining a compressive strength of 216.90 kg/cm2 with the use of aggregates from the Megarok quarry and 218.08 kg/cm2 for the Uruzca quarry, meeting the design value of 210 kg/cm2. It is shown that it is possible to manufacture permeable concrete with the aggregates from the two quarries used for the study. According to the results, with this concrete you can build low-traffic roads such as paths for pedestrians, cyclists, parking areas, as well as for the construction of squares or small squares, sidewalks, among others.

Keywords: permeable concrete; endurance; porosity; rules; low traffic.

 

Resumo

O bet�o perme�vel � um material de constru��o sustent�vel, devido ao seu elevado grau de porosidade, permitindo que a �gua passe atrav�s da sua estrutura filtr�vel at� ao terreno natural. O principal objetivo deste artigo � projetar um concreto perme�vel com os agregados das pedreiras Megarock e Uruzca sem a utiliza��o de aditivos, conseguindo satisfazer a resist�ncia estabelecida, proporcionando uma solu��o alternativa para a evacua��o de �guas superficiais causadas pelas chuvas e evitando o efeito de aquaplanagem. Para isso, foi utilizada uma metodologia com abordagem quantitativa, documental e experimental, utilizando para os testes as normas NTE INEN, ASTM e ACI. Foi realizado um projeto de mistura com rela��o A/C de 0,45 e 17% de vazios, obtendo-se uma resist�ncia � compress�o de 216,90 kg/cm2 com a utiliza��o de agregados da pedreira Megarok e 218,08 kg/cm2 para a pedreira Uruzca, atendendo ao projeto valor de 210 kg/cm2. Mostra-se que � poss�vel fabricar concreto perme�vel com os agregados das duas pedreiras utilizadas para o estudo. De acordo com os resultados, com este concreto � poss�vel construir vias de baixo tr�fego como caminhos para pedestres, ciclistas, �reas de estacionamento, bem como para constru��o de pra�as ou pracinhas, cal�adas, entre outros.

Palavras-chave: concreto perme�vel; resist�ncia; porosidade; regras; baixo tr�fego.

 

Introducci�n

Las precipitaciones abundantes provocan inundaciones que en muchos de los casos se confirman p�rdidas de vidas humanas y bienes materiales. Este fen�meno atmosf�rico de tipo hidrometeorol�gico es natural, que ocurre en la temporada de lluvia anual, produciendo aluviones y deslizamientos de tierra en todo el mundo. Sin embargo, estas pueden presentar algunas anomal�as, que tambi�n son consideradas como acontecimientos poco comunes. Vera (2021), revela que el incremento en la frecuencia y en la intensidad de las lluvias excesivas es uno de los impactos del calentamiento global. Actualmente, el fen�meno de El ni�o se presenta regularmente por 4 meses por el flujo de aguas c�lidas, ocasionando una anomal�a positiva de temperatura igual o mayor al valor de la desviaci�n est�ndar (Vallecilla, et al., 2022).������

De acuerdo a las Naciones Unidas (2020), Am�rica Latina y el Caribe es �la segunda regi�n m�s propensa a desastres naturales en el mundo� y las inundaciones son la cat�strofe m�s frecuente que ocurre. En Ecuador, durante los �ltimos 35 a�os ha existido una periodicidad de incidentes naturales, categorizadas con un 44% en inundaciones y fuertes lluvias como las m�s lesivas y destructivas (El Universo, 2020), provocando m�ltiples da�os dentro y fuera de los centros urbanos. La regi�n de las costas es la m�s afectada por este fen�meno por consiguiente propensa a sufrir inundaciones y la provincia de Manab� es una de las perjudicadas de la naci�n.

Desde hace algunas d�cadas en la provincia de Manab� se han venido presentando varios problemas para evacuar el agua pluvial, producto de la acumulaci�n de materiales s�lidos y varios contaminantes depositados en las vialidades (Morelli, 2007). Otro factor importante para la salida de las aguas lluvias en las urbes, se presentan cuando existe un crecimiento y desarrollo de estas, asociadas con el amplio uso de estructuras impermeables, como es el caso del uso indiscriminado de pavimentos convencionales que a su vez son impermeables y en �reas urbanas incrementa notablemente el volumen y el caudal del escurrimiento superficial, aumentando los riesgos de inundaciones en los sectores m�s bajos de estas zonas, desfavoreciendo de esta manera las condiciones de escurrimiento de agua pluvial y disminuyendo la capacidad de recarga natural en los terrenos (Flores y Pacompia, 2015).

En los �ltimos a�os, se han desarrollado distintos m�todos para minimizar los efectos relacionados a los problemas en la evacuaci�n de aguas pluviales y las condiciones de escurrimiento, como son los elementos de drenaje como las alcantarillas, cunetas, pozos, entre otras, con el prop�sito de evitar esta acumulaci�n de agua en las v�as. Adem�s, para la evacuaci�n de las aguas superficiales causadas por las lluvias, los que provoca el efecto de hidroplaneo se ha venido incorporando en la ingenier�a civil un dise�o de pavimentos permeables, que permitan el paso del agua a trav�s de la capa superficial hacia el interior de la estructura, impidiendo la acumulaci�n de este l�quido en su superficie y el escurrimiento superficial aguas abajo, condiciones que generan los dos grandes problemas asociados a pavimentos impermeables (Flores y Pacompia, 2015).

Por su parte, Toro y Cayon (2021), exponen que un pavimento permeable es aquel que permite absorber o dejar pasar el agua de lluvia en un �rea determinada. Estos pavimentos se pueden construir continuos o en bloques, permitiendo que los l�quidos se infiltren a las capas subsuperficiales inferiores, reduciendo la escorrent�a. Entre las tipolog�as de este pavimento se encuentran: pavimentos de asfalto, de concreto, de resina, de hierba, de hierba reforzada, gravas, bloques impermeables con juntas permeables, bloques y baldosas porosas, bloques con orificios, entre otras (SuD Sostenible, 2016).�

Este tipo de pavimento permeable se est� utilizando para la construcci�n de v�as para el desarrollo urbano de bajo impacto y es una soluci�n que permite afrontar problemas de manera sostenible. El concreto permeable es una mezcla de cemento, agregado grueso, agua y aditivos, que resulta en ser un material con una estructura de vac�os interconectados que permite a trav�s de �l, el paso de agua y aire (Arango, 2022). Para la construcci�n del pavimento de concreto permeable, se coloca una capa superior de este material, seguida de una sub-base de agregado grueso para la gesti�n del agua, donde optativamente posee un sistema de drenaje seg�n las necesidades y se infiltra al suelo natural de soporte, como se observa en la figura 1.

 

Figura 1. Sistema constructivo de un pavimento de concreto permeable. Fuente: Concreto Ecol�gico de M�xico, 2017.

 

El dise�o del concreto permeable origina una mezcla endurecida con poros interconectados que accede el paso de agua, haci�ndola permeable y con menos resistencia. Adem�s de la permeabilidad y durabilidad, tiene un aspecto m�s atractivo que un concreto convencional, sabiendo que para el concreto convencional, se utiliza la misma materia prima que un concreto permeable pero, a�adiendo agregados grueso, fino, aditivo y agua, haci�ndolo un concreto impermeable con alta resistencia (Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto, A.C., 2010).

El concreto permeable apareci� seg�n los registros en 1852, en el Reino Unido y se sigui� utilizando en casi toda Europa. En Estados Unidos lo comenzaron a emplear en los a�os de 1970, como una soluci�n a los niveles altos de escorrent�a exterior en las urbes (Fern�ndez y Navas, 2010). En Colombia, se est� utilizando desde el 2000, y a partir del 2015 se implementa con un nuevo concepto: pavimento permeable de colores. Las empresas que trabajan con esta mezcla son: Argos, Cemex y Holcim. En M�xico, tambi�n se ha usado este concreto el cual se ha implementado en vialidades urbanas de poco tr�nsito. El uso del concreto permeable es convertir la escorrent�a superficial en infiltraci�n, emple�ndose mayormente en bajo tr�fico como estacionamientos, aceras, camineras, canchas de juegos, ciclo v�as, entre otros usos (Rivera, 2020).������

En el Ecuador, la tecnolog�a del concreto permeable todav�a no se viene implementando como soluci�n a los problemas acarreados por la evacuaci�n de aguas pluviales. Por lo tanto, la posibilidad de emplear este material en la provincia de Manab�, justifica esta investigaci�n cuyo objetivo principal es dise�ar un concreto permeable con los �ridos de las canteras de Megarock y Uruzca sin el empleo de aditivos, logrando la resistencia adecuada para los usos antes mencionados, evaluando las canteras de la zona para verificar si sus materiales son aptos para este dise�o, brindando una alternativa de soluci�n a los problemas que conlleva la evacuaci�n de aguas pluviales (condiciones de escurrimiento) para evitar el arrastre de materiales s�lidos y eventuales inundaciones urbanas en las zonas bajas.

 

Metodolog�a

El procedimiento experimental para la obtenci�n del concreto permeable, se analiz� el material de las dos canteras que se encuentran en Portoviejo, las cuales son la cantera Megarok S.A. y Canteras Uruzca S.A. Para el an�lisis granulom�trico de �ridos gruesos se cumpli� de acuerdo a la Norma T�cnica Ecuatoriana NTE INEN 696 (Instituto Ecuatoriano de Normalizaci�n, 2011).

Para obtener el Peso Unitario Suelto (PUS) y el Peso Unitario Compactado (PUC) medidos en kg/m³, se sigui� la norma ASTM C 29- 97 (ASTM, 1997). Para determinar el contenido total de humedad la muestra se comprob� seg�n la Norma T�cnica Ecuatoriana NTE INEN 862 (Instituto Ecuatoriano de Normalizaci�n, 2011). Finalmente para el ensayo de densidad relativa (gravedad espec�fica) y absorci�n de los agregados gruesos se desarroll� con la Norma T�cnica Ecuatoriana NTE INEN 857.

El tipo de agua que se emple� para hacer el dise�o de mezcla del concreto permeable fue potable, libre de cualquier impureza que pueda tener la misma y cumplir con lo estipulado en la norma ASTM C1602 (ASTM, 2004), es decir, la especificaci�n est�ndar para el agua de mezcla utilizada en la producci�n de hormig�n de cemento hidr�ulico. El cemento usado fue el Portland (ASTM C150-07), cumpliendo con las especificaciones de la norma ecuatorianas NTE INEN 2380:2011 (Instituto Ecuatoriano de Normalizaci�n, 2011). Para este dise�o de mezcla no se utiliz� agregados finos ni se aplic� ning�n tipo de aditivo.

Para la dosificaci�n de la mezcla de concreto permeable con resistencia igual o mayor de 210 kg/cm³, es indispensable la relaci�n agua/cemento (A/C), por tanto conociendo la resistencia con la cual se va a trabajar se establece primeramente el porcentaje de vac�os comprendido entre 14% y 20%, como lo indica la Norma ACI 522R-10 (para resistencias 210 kg/m³ equivalen a 3000 PSI) y se identifica en la figura 2:

 

Figura 2. Curva Esfuerzo a la Compresi�n (PSI) vs. % aire en los cilindros.

Fuente: American Concrete Institute. ACI 522R, 2010.

 

Determinando la relaci�n de vac�os, y de acuerdo a la figura 3 la relaci�n agua/cemento puede variar entre 0,45 y 0,50. Es de destacar que como existe la ausencia de agregados finos la relaci�n A/C, puede considerarse el valor m�s alto y no se emple� ning�n aditivo.��

Figura 3. Curva Contenido de aire vs Relaci�n agua-cemento.

Fuente: American Concrete Institute. ACI 522R, 2010.

 

La determinaci�n del volumen y cantidades de los materiales empleados por metro c�bico de concreto permeable se hizo de acuerdo a la norma ACI. Para realizar el dise�o se utiliz� la norma ACI 211.3R-02 (American Concrete Institute, 2009). A continuaci�n se muestran las ecuaciones a utilizar:

Volumen de pasta = Volumen de Cemento + Volumen de agua

(Ecuaci�n 1)

d�nde:

Volumen =

(Ecuaci�n 2)

 

Reemplazando la Ecuaci�n 1 en la Ecuaci�n 2, se obtiene:

Volumen de pasta = �+

(Ecuaci�n 3)

Utilizando la siguiente ecuaci�n y sustituyendo la masa de cemento por �c� y la masa de agua por �w� se tiene:

(Ecuaci�n 4)

Por lo que se obtiene:

Adem�s se tiene la ecuaci�n que indica que:

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑝𝑎𝑠𝑡𝑎 = 1 𝑚3 − (𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑎 + % 𝑑𝑒 𝑉𝑎𝑐𝑖𝑜𝑠 + % 𝑎𝑑𝑖𝑡𝑖𝑣𝑜𝑠)

(Ecuaci�n 6)

Conocido el valor del peso volum�trico compactado del agregado grueso, y sabiendo que el porcentaje de agregados finos es nulo el valor b/b₀ ser� de 0.99 seg�n ACI 211.3R-02, por tanto la masa del agregado ser� de acuerdo a la ecuaci�n 7:

 

𝑀𝑎𝑠𝑎 𝐴𝑔𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 = 𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑢𝑛𝑖𝑡𝑎𝑟𝑖𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜 𝑠𝑒𝑐𝑜 � � � (1 + % 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖�𝑛)

(Ecuaci�n 7)

Resolviendo la ecuaci�n 7, se adquiere el valor de la masa del agregado grueso para poder efectuar la mezcla para 1 m³ de concreto permeable y se calculan la dosificaci�n de los dem�s materiales, comprobando al final que la suma de estos sea igual al requerido.��

Para la elaboraci�n de probetas se emple� la norma de preparaci�n y curado de espec�menes de ensayo de concreto en obra, es decir, ASTM C31/C 31M (ASTM, 2008). Para este an�lisis se elaboraron 12 probetas cil�ndricas, 6 para el dise�o de mezcla propuesto, para cada cantera, ensay�ndose dos probetas cada 7, 14 y 28 d�as. Estos ensayos de resistencia a la compresi�n se realizaron bajo la norma ASTM C39 (2002).

 

Resultados y discusi�n

A las probetas de concreto permeable se le hicieron los ensayos correspondientes al agregado grueso para posteriormente calcular el dise�o de mezcla �ptimo. Para ello, se determin�, que en las canteras analizadas (Megarok y Uruzca) el material predominante es de di�metro entre 4,75 mm hasta 19 mm, es decir, el agregado grueso tiene un tama�o 3/4�, de acuerdo a la Norma NTE INEN 696 (Instituto Ecuatoriano de Normalizaci�n, 2011), relacionada al an�lisis granulom�trico de �ridos finos y gruesos, como se muestra en las tablas 1 y 2.

 

Tabla 1. Ensayo granulom�trico por tamizado al agregado grueso de la Cantera Megarok.

Fuente: Elaboraci�n propia, 2023.

 

Tabla 2. Ensayo granulom�trico por tamizado al agregado grueso de la Cantera Uruzca

Fuente: Elaboraci�n propia, 2023.

 

Los resultados del Peso Unitario Suelto del material, Peso Unitario Compactado y del contenido total de humedad de las muestras del agregado grueso de las dos canteras en estudio se observa en la tabla 3.

 

Tabla 3. Peso Unitario Suelto, Peso Unitario Compactado y contenido total de humedad de las muestras de agregado grueso seleccionadas

Fuente: Elaboraci�n propia, 2023.

 

Como es un concreto permeable el que se est� dise�ando, en la investigaci�n se elimin� el uso del agregado fino, es decir de la arena. Los ensayos al agregado grueso se les realizaron de acuerdo a las Normas T�cnicas Ecuatorianas. La densidad relativa (gravedad especifica-SH y SSS), la densidad relativa aparente (gravedad espec�fica aparente) y el porcentaje de absorci�n de los �ridos gruesos de las canteras Megarok y Uruzca se resumen en la tabla 4.

 

Tabla 4. Peso espec�fico del agregado grueso de las canteras Megarok y Uruzca

Fuente: Elaboraci�n propia, 2023.

 

La resistencia del concreto permeable depender� de la cantidad de cemento que se le agregue, por lo que no es recomendable agregarle grandes cantidades, ya que al aumentar la resistencia a la compresi�n, bajar� considerablemente la capacidad de filtraci�n. Por lo cual se trabaj� con un cemento portland Tipo GU de construcci�n en general, cuya densidad oscila entre 2,75-3,20 g/cm� (Holcim, 2015), por lo cual se tom� el valor m�s alto, como se muestra en la tabla 5.

 

 

 

 

Tabla 5. Gravedad especifica del cemento Portland a utilizar en el dise�o de mezcla

Fuente: Elaboraci�n propia, 2023.

 

En relaci�n al agua empleada en el dise�o de mezcla la densidad es de 1000 kg/m³ (Gu�a MetAs, 2010). Es necesario indicar que la cantidad de l�quido a manejar para este tipo de concreto tiene que ser la apropiada, por su relaci�n agua-cemento, para que no presente fallas anticipadas en la superficie ni que se pierda su manejabilidad y que alcance la resistencia de dise�o de 210 kg/cm³.

Luego de obtener los resultados de los materiales a emplear, se determin� el dise�o de mezcla de acuerdo a la gu�a ACI 211.3R-02 (American Concrete Institute, 2009). A continuaci�n se muestran en la tabla 6 y 7 las cantidades de los materiales a a�adir con una relaci�n A/C de 0,45 y lograr un 17% de vac�os aceptables:

 

Tabla 6. Cantidad de materiales de la cantera Megarok, del dise�o de mezcla de concreto permeable para 1 m³

Fuente: Elaboraci�n propia, 2023.

 

Tabla 7. Cantidad de materiales de la cantera Uruzca, del dise�o de mezcla de concreto permeable para 1 m³

Fuente: Elaboraci�n propia, 2023.

Como se observa en las tablas 6 y 7, las cantidades de material tanto de cemento y agua var�an de acuerdo a los resultados obtenidos de la densidad relativa, la densidad relativa aparente y el porcentaje de absorci�n de los �ridos gruesos de las canteras Megarok y Uruzca. Luego de obtener las dosificaciones de acuerdo a la norma ACI 522R-10, se procede a hacer los cilindros y cumplir las especificaciones t�cnicas de ASTM C31/C 31M (ASTM, 2008). Se realizaron los ensayos a la compresi�n empleando la ASTM Designaci�n: C 39 / C 39M � 01 (2002). Los resultados de los ensayos a la compresi�n se muestran en las tablas 8 y 9.

 

Tabla 8. Ensayo a la compresi�n del dise�o de mezcla propuesto para la cantera Megarok

Fuente: Elaboraci�n propia, 2023.

 

Tabla 9. Ensayo a la compresi�n del dise�o de mezcla propuesto de la cantera Uruzca

Fuente: Elaboraci�n propia, 2023.

 

Como se aprecia en los resultados del ensayo a la compresi�n realizada a los cilindros de las canteras en estudio, la dosificaci�n dise�ada fue �ptima, ya que alcanzaron la resistencia de dise�o inicial, sin el uso de aditivos. Adem�s las dos (2) canteras se pueden emplear para la construcci�n de concreto permeable.

 

Conclusiones

�         Se logr� elaborar un concreto permeable con la resistencia deseada de 210 kg/cm² sin el uso de aditivos, considerando que los aditivos en este tipo de concreto mejoran las resistencias, sin embargo se demostr� en esta investigaci�n que se puede realizar un dise�o permeable sin el uso de los mismos, con la ventaja de disminuir los costos de construcci�n.�

�         El dise�o de mezcla utilizado fue el �ptimo con una relaci�n A/C de 0,45 y con un 17% de vac�os, obteni�ndose una resistencia a la compresi�n de 216,90 kg/cm² para la cantera Megarok y 218,08 kg/cm² para la cantera Uruzca, cumpli�ndose el valor de dise�o de 210 kg/cm², considerando que las dos canteras empleadas para el estudio son aptas para la fabricaci�n de concreto permeable.

�         El concreto analizado en esta investigaci�n es recomendable para emplearlo en pavimentos y vialidades de bajo tr�fico como caminos para peatones, �reas de estacionamiento as� como tambi�n para la construcci�n de plazas o plazoletas, aceras, veredas, ciclo v�as, entre otras, estableciendo que la estructura permeable favorece al medio ambiente, que por su estructura porosa el agua que se encuentre en la superficie, se penetre al suelo natural y se mantenga las reservas subterr�neas.

 

Referencias

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