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“INVESTIGACIÓN EN CONCRETO POROSO”
Copyright© Asociación de Productores de Cemento - Lima - Perú
1. INTRODUCCION
El concreto poroso es un tipo especial de concreto que fue estudiado en la década de los setenta en
Estados Unidos aplicado a pavimentos permeables para aliviar la contaminación del sistema
sanitario por las aguas de lluvia. En Europa a fines de la década de los setenta, se inician estudios de
los pavimentos permeables en Francia, Reino Unido, y Alemania para la mejora de la calidad del
almacenamiento de agua y la reducción de la escorrentía superficial urbana.
El concreto poroso aplicado como pavimento permeable ha adquirido una gran atención en la
última década debido a que el calentamiento global está provocando sequías en muchos países a
nivel mundial, obligando a impulsar en los países, medidas de conservación del agua y de esta
manera implementando sistemas sostenibles en las ciudades, donde los pavimentos permeables se
ajustan muy bien a estas iniciativas por ser muy beneficiosos; y ayudan a construir ciudades
sostenibles porque permiten el tratamiento de las aguas superficiales de lluvia, infiltrando esta
agua al subsuelo, recargando los acuíferos o almacenando estas aguas en depósitos para luego
utilizarlas en parques, inodoros de las viviendas, como agua industrial, etc. los pavimentos
permeables pueden ser de asfalto, concreto y de adoquines.
El trabajo de investigación aborda el estudio del concreto poroso o permeable para su aplicación en
la construcción y la influencia de los siguientes parámetros:
• Forma de los agregados
• Granulometría de los agregados
• Porcentaje de vacíos
• Permeabilidad
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Yaneth Verónica Calderón Colca1 Juan Antonio Charca Chura1 Director Msc. CalixtroYanqui Murillo
Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa. AREQUIPA – PERÚ
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2. METODOLOGIA
2.1 Definición de Concreto Poroso
El concreto poroso es una mezcla de agregado
grueso, cemento, agua, y poco a ninguna arena.
También conocido como el hormigón "sin finos"
o poroso, esta mezcla crea una estructura de
célula abierta, permitiendo al agua de lluvia
infiltrarse al suelo subyacente. Simulando la
superficie de tierra natural, el hormigón
permeable es excelente para la evacuación de
agua de lluvia.
2.2 Propiedades Físicas de los Agregados
En el presente trabajo se evaluaron tres tipos de
agregado grueso que han sido elegidos según su
forma y su disponibilidad en nuestro medio.
Se realizaron los siguientes ensayos sobre estos
agregados para obtener las propiedades físicas
que fueron utilizadas en el diseño de mezclas.
Análisis granulométrico
Peso unitario y vacíos
Ensayo de abrasión
Gravedad Específica y absorción
Durabilidad al Sulfato de Magnesio
La Tabla 1 muestra la procedencia y clasificación de acuerdo a su forma y origen de los agregados.
Forma del Agregado Procedencia Característica
Angular Cantera “La Poderosa” Roca de origen intrusivo
Subredondeado Cantera “Machahuaya” Redondeado de origen aluvial
Angular
Laboratorio de Concreto
Reciclado de probetas de Concreto
ensayadas
2.2.1 Análisis granulométrico de los
agregados
Para poder realizar la comparación de los
agregados se utilizó dos husos granulométricos
el #06 y #08, para lo cual se normalizo o se
ajustó los tres agregados a las dos curvas
granulométricas mostradas en la Fig.2, los husos
granulométricos fueron elegidos en función de
sus curvas granulométricas naturales en donde
se tomaron las mallas con mayor retenido.
a)
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b)
Fig.2(a) Cuadro de límites de los pasantes de los husos
granulométricos. (b)Curvas Granulométricas, que representa los
límites máximo y mínimo de los Husos #6 y #8, también se encuentran
las curvas normalizadas para los tres agregados.
2.2.2 Resumen de propiedades físicas de
los agregados
Del resumen de propiedades mostrado en
la Tabla 2 podemos distinguir que el
agregado de la cantera de Tinajones es el
que tiene el mayor peso específico y los
agregado de Machahuaya y Reciclado tienen
porcentajes de absorción considerables de
3.96% y 6.45% respectivamente; también
podemos mencionar que el peso unitario
suelto y varillado están ligados al peso
específico del agregado y el porcentaje de
absorción del agregado, ya que a mayor
porcentaje de absorción menor será el peso
específico como también el peso unitario
suelto y varillado.
Tabla 2 Cuadro Resumen de los resultados obtenidos en cuanto a las propiedades físicas de los agregados
2.3 Diseño de mezclas de concreto poroso
El procedimiento de diseño del concreto
poroso o permeable difiere mucho con
relación al concreto convencional ya que este
se basa en la relación agua/cemento o la
resistencia del concreto ya sea compresión
como a tensión, en cambio en el concreto
poroso lo más importante es el porcentaje de
vacíos y el volumen de pasta, ya que el
porcentaje de vacíos determinara la velocidad
de infiltración en consecuencia la permeabilidad
del concreto poroso, en cambio el volumen de
pasta asegura la adherencia entre las partículas
del agregado grueso. Para tal efecto se deben
seguir las recomendaciones del (ACI-211.3R,
2000), donde se establece un procedimiento
sencillo el cual se basa en tablas que permiten
obtener las distintas cantidades de materiales
que forman el concreto poroso.
2.3.1 Resumen de los diseños de mezcla
En la Tabla 3 se muestra el diseño de mezcla
para los tres agregados representado por la
cantera de procedencia. Para cada tipo de
agregado se diseñaron tres mezclas de
diferentes contenidos de vacíos: 15, 20 y 25%. La
relación agua/cemento se mantuvo constante en
0.4. El cálculo del agregado se hizo por
volúmenes absolutos para obtener un volumen
unitario de concreto.
La principal variación se presenta en el peso
del agregado grueso, que depende del peso
específico de cada material.
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Cantera Tinajones Machahuaya Reciclado
Diseño SSS D15T8 D20T8 D25T8 D15M8 D20M8 D25M8 D15R8 D20R8 D25R8
Cemento IP (Kg/m³) 360 316 267 360 316 267 360 316 267
Agua (L/m³) 144 126 107 144 126 107 144 126 107
Ag. Grueso (Kg/m³) 1,589 1,543 1,507 1,415 1,374 1,342 1,346 1,306 1,276
Agregado/Cemento 4.4: 1 4.9: 1 5.6: 1 3.9: 1 4.3: 1 05:01 3.7: 1 4.1: 1 4.8: 1
Tabla 3. Resumen de Diseños de Mezclas Superficie Superficialmente Seca, para los agregados de Tinajones, Machahuaya y Reciclado para el huso
granulométrico#08
2SSS, Saturado Superficialmente Seco, condición del estado del agregado
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2.4 Ensayos en estado fresco en el concreto
poroso
Una vez obtenido el diseño de mezclas se
procedió a realizar el vaciado del concreto
poroso en donde se realizaron los ensayos en
estado fresco de:
2.4.1 Peso Unitario de Producción
(Rendimiento) y contenido de vacíos del
concreto (ASTM_C-1688, 2010)
Este es uno de los ensayos en estado fresco más
importantes, ya que mediante el peso unitario
calculado podemos obtener el porcentaje de
vacíos con que se está produciendo la mezcla de
concreto poroso.
También es importante señalar que este ensayo
difiere al utilizado en el concreto convencional,
ya que, se realiza en un molde de 7 litros (Fig.3
a) utilizado para medir el aire atrapado en
concreto convencional, donde se coloca el
concreto en dos capas aplicándole 20 impactos
por capa con un martillo de Próctor estándar, el
peso unitario y porcentaje de vacíos del
concreto poroso se calcula con las siguientes
expresiones:
Dónde:
D = Peso Unitario del concreto (Kg/m³)
T = Densidad teórica del concreto
calculada al aire libre (Kg/m³)
U = Porcentaje de vacíos en estado
fresco del concreto permeable, incluyendo el aire
atrapado dentro de la pasta.
= Masa total de todos los materiales de
la mezcla (Kg)
= Masa llenada con concreto (Kg)
= Masa de la medida (Olla de
Washington) (Kg)
= Volumen de la medida (Olla de
Washington), (m³)
2.4.2 Ensayo del cono invertido - Métodos
de prueba alternativos (ASTM C09.49,
2011)
Uno de los métodos alternativos en este tipo de
concreto es el del cono invertido, en donde, se
utiliza el Cono de Abrams invertido Fig.3 (b). El
procedimiento consiste en llenar el cono sin
realizar ningún tipo de compactación, para
luego ser enrasado y levantado haciendo que el
concreto pase por la abertura la más corta de
cono, para luego medir la altura con una regla y
tomar el diámetro provocado por el concreto.
a)
b)
Fig. 3 (a)Equipos de ensayo de Peso unitario (b) Ensayo de cono
invertido en el concreto poroso
2.5 Ensayo de Permeabilidad
Es uno de los ensayos más importantes,
porque va permitir conocer un parámetro
más importante, el coeficiente de
permeabilidad, el cual caracteriza a nuestro
concreto poroso, se usa un permeámetro de
carga variable recomendado en el
reporte(ACI.522R-06, 2006), donde se ensaya
probetas de 10 cm de diámetro por 15 cm de
alto.
Fig. 4 (a) Equipos de ensayo de permeabilidad recomendado por el
ACI- 522(b) Equipo elaborado para la investigación
En cuanto al calculo del coeficiente
permeabilidad fue realizado utilizando la ley de
Darcy
Dónde:
K : Coeficiente de permeabilidad.
L : Longitud de la muestra.
A : Área de la muestra.
a : Área de la tubería de carga
t : Tiempo en demora en pasar (h₁-h₂)
h₁ : Altura de agua medida del nivel de
referencia (parte superior de la muestra)
h₂ : Altura de tubería de salida del agua con
respecto al nivel de referencia (1cm)
3. ANÁLISIS DE RESULTADOS.
3.1 Análisis de resultados ensayos en
estado fresco
3.3.1 Peso Unitario en estado fresco del
Concreto Poroso
El peso unitario en estado fresco del concreto
poroso como peso unitario suelto y varillado
realizado en las propiedades físicas dependen
del peso específico de la roca que compone al
agregado. En la Fig. 5 (a) se muestra
claramente que los pesos unitarios delos
concretos fabricados con agregado de Tinajones
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son mayores a los de Machahuaya y Reciclado, los pesos unitarios para el agregado más pesado o que
tiene mayos peso específico varía entre 2000 kg/m³ y 1800 kg/m³ para un 15% y 30% de vacíos
respectivamente, esto muestra que existe un gran variación respecto al porcentaje de vacíos, también
es importante recalcar que con el agregado Reciclado se obtuvo pesos unitarios de 1600 kg/m³ muy
cercanos a los concretos ligeros esto se debe a alto porcentaje de vacíos que tiene este agregado.
En la Fig.5 (b) se muestra el porcentaje de vacíos en función al porcentaje de pasta para los diseños de
mezcla, que varía por la forma de los agregados donde se nota que los agregados redondeados
requieren menor cantidad de pasta, esto debido al mejor acomodo que tienen estos agregados.
a)
b)
Fig. 5 (a)Curva de comparación de Pesos Unitarios (b)Volumen de pasta con respecto al porcentaje de vacíos para los diseños de mezcla
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3.2 Análisis de resultados ensayos en estado endurecido
3.2.1 Resistencia a compresión y tensión
En cuanto a la resistencia a compresión y tensión tienen el mismo comportamiento que el
concreto convencional en su evolución a diferentes edades como lo muestra la Fig.6, comparando las
resistencias de las mezclas con los diferentes agregados notamos que el agregado de Tinajones
tiene las mejores resistencias tanto a compresión y tensión. Es importante también mencionar que
para un mismo porcentaje de vacíos el agregado de tinajones requiere mayor cantidad de pasta que
el agregado de Machahuaya.
En la Fig. 7 se muestra las curvas promedio de resistencia a compresión y tensión para diferentes
edades (7, 14 y 28 días) en donde las resistencias alcanzadas a los 7 días varían entre el 65% a 70% de
las resistencias a los 28 días, esto es muy similar a lo que pasa con el concreto convencional, es
importante también señalar que las resistencias alcanzadas a tensión varían entre 18 kg/cm² y 10
kg/cm² para un 15% y 30% de vacíos respectivamente y la resistencia a compresión promedio a los 28
días se encuentra en 155 kg⁄cm2 y 55 kg⁄cm2 para 15% y 30% de vacíos respectivamente.
a)
b)
Fig. 6 (a)Comparación de resistencias a compresión (b) Comparación de la resistencia a tensión por la forma de los agregados angular y redondeado
(25 ±1 % de vacíos), huso granulométrico #06 8
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a)
b)
Fig. 7 (a) Curvas promedio de resistencias a compresión (b) Curvas promedio de resistencias a tensión para 7, 14 y 28 días de edad del concreto
poroso con respecto al porcentaje de vacíos.
3.3 Permeabilidad del concreto poroso
La permeabilidad también depende mucho del agua de mezclado que se utiliza porque un exceso de
agua nos provocaría que la pasta sea más fluida y taparía los vacíos que se genera entre los agregados
y lo inverso la falta de agua de mezclado provocaría un pobre adherencia entre la pasta y el agregado
la cual se reflejaría en la baja de la resistencias a tensión y un deterioro del concreto.
Haciendo una comparación de la permeabilidad del concreto convencional y la del concreto poroso la
diferencia es importante ya que el coeficiente de permeabilidad de concreto convencional se
encuentra alrededor de 2 × 10⁻¹ ⁄ y en el concreto poroso entre 2 ×0⁻ᶟ ⁄ 1 × 10⁻³ ⁄ para
un porcentaje de 15% y 30% de vacíos respectivamente, esto quiere decir, el concreto convencional
es casi impermeable y concreto poroso es 100 millones de veces más permeable, gracias a esta
propiedad es que este tipo de concreto puede ser utilizado en pavimentos permeable, drenajes, etc.
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En la Fig.8 (b) se muestra una curva promedio del coeficiente de permeabilidad respecto al porcentaje de vacíos en el concreto poroso
a)
b)
Fig. 8 (a) Comparación de coeficientes de permeabilidad según su el tipo de agregado (b) Curva Promedio del coeficiente de permeabilidad en
función al porcentaje de vacíos en el concreto poroso
4. PAVIMENTOS PERMEABLES
4.1 Definición
Los pavimentos permeables se pueden definir como secciones compuestas de varias capas de
materiales de construcción que permiten el paso del agua a través suyo, desde la superficie hasta la
explanada, y en conjunto ofrecen la capacidad portante necesaria para resistir un tráfico
determinado.
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El pavimento está compuesto por tres partes
(Fig. 9) principalmente la superficie de rodadura
que puede ser concreto poroso, concreto
asfaltico y adoquines en todos los casos
permeables el espesor de la superficie de
rodadura está entre 10cm a 20cm.
Para el concreto poroso, debajo de la superficie
de rodadura sigue la base granular que varía
Fig. 9 (a) Sección típica de pavimentos permeables de concreto poroso (b) Parte que componen a los pavimentos permeables.
de60cm a 90cm de espesor que puede ser
utilizado como reservorio del agua que se infiltra
y finalmente un geosintético que dependerá si
queremos infiltrar el agua al suelo (filtro de tela
o geomalla) o almacenar el agua
(geomembrana)
El diseño del pavimento permeable depende
principalmente de la intensidad de lluvia de
la localidad o el lugar de aplicación y este
parámetro determinara las características
principales de la superficie de rodadura
(porcentaje de vacíos), la altura de la base
está determinado por la velocidad de
infiltración del suelo y la cantidad de lluvia
que se produce en lugar de aplicación, es
importante señalar que no en todos los tipos
de suelos se puede emplear el pavimento
permeable,dependerá de la velocidad de
infiltración del suelo. En la Fig. 10, se
muestra aplicaciones del pavimento
permeable de concreto poroso.
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Fig. 10 Ejemplo de aplicación de concreto poroso
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En la investigación se pudo comprobar el alto coeficiente de permeabilidad del concreto
poroso que varía entre 2 × 10−3 ⁄ 1 × 10−2 ⁄ .
Las mezclas elaboradas con el agregado angular de la cantera de Tinajones presenta los más
altos coeficiente de permeabilidad para un mismo porcentaje de vacíos en
comparación con las mezclas elaboradas con agregado de Machahuaya y Reciclado.
Se comprueba que la forma de los agregados tiene influencia en la compactación del
concreto al ser colocado, determinándose que el agregado angular de la cantera de
Tinajones y Reciclado, necesita mayor cantidad de pasta para alcanzar el porcentaje de
vacíos de diseño, en comparación con el agregado natural redondeado de la cantera de
Machahuaya ya que la forma redondeada facilita en acomodo de las partículas.
El peso unitario del concreto poroso varió entre 2000 kg/m³ y 1600 kg/m³ para un 15%
a 30% de vacíos, respectivamente.
El peso unitario del concreto poroso depende principalmente del porcentaje de vacíos y las
propiedades físicas del agregado grueso en particular del peso específico del agregado.
La evolución de la resistencia a compresión a los 7, 14 y 28 días en promedio es de 65%-
70% para los 7 días y 85%-90% para 14 días, comparado con el concreto convencional
presenta el mismo comportamiento.
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La resistencia del concreto poroso varía entre 155 kg⁄cm2 y 55 kg⁄cm2 para 15% y 30%de
vacíos respectivamente.
El agregado de Tinajones presenta las más altas resistencias a compresión seguida de
agregado redondeado Machahuaya con 95% de la resistencia máxima y luego el agregado
angular Reciclado con un 75% de la resistencia máxima, para un mismo porcentaje de vacíos.
La resistencia a tensión varía entre 18 kg/cm² y 10 kg/cm² para un 15% y 30% de vacíos
respectivamente, estas resistencias representa el 10%-15% de la resistencia a
compresión.
El agregado angular Tinajones tiene la más altas resistencia a tensión seguida del
agregado redondeado Machahuaya con 80% de la resistencia máxima y el agregado angular
Reciclado con un 70% respectivamente.
Se recomienda el ensayo de tensión indirecta para la obtención de la resistencia a tensión del
concreto poroso por ser más conservador y no presentar mucha variación en los datos.
Las mezclas diseñadas con el huso granulométrico #08 tienen mejor trabajabilidad que el huso
granulométrico#06.
Durante el vaciado del concreto poroso, se determinó que el tiempo de mezclado debe ser
como mínimo de 2-4 minutos por trabajar con relaciones agua/cemento bajas (0.35-0.45).
El concreto poroso puede ser utilizado para la construcción de veredas, estacionamiento, ciclo
vías y pavimentos de tráfico ligero ya que el concreto poroso ofrece resistencias tanto a
compresión y tensión para estas solicitaciones conservando un alta permeabilidad.
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6. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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