Hernández Claudio ^(*), Collura Ariel ^(**), Mansilla Gabriel ^(***)

Centro Técnico Loma Negra – Av. Cnel Roca 6757 – Te.: (54-11) 4605-3000/01

 

Palabras claves :  Porosidad, permeabilidad, interfase, resistencia, desgaste.

 

RESUMEN

 

El  presente trabajo muestra el desarrollo de un hormigón poroso con propiedades drenantes, buscando paralelamente mantener un nivel de resistencia mecánica y de desgaste superficial mínimo,  haciéndolo apto para su utilización en capas de rodamiento de vías de comunicación, caminos secundarios o estructuras con menores exigencias.

                                   

Se analiza la metodología disponible para la dosificación de hormigones porosos, estudiándose además  la incidencia de las características de forma de los agregados y proporciones de los materiales componentes sobre las propiedades evaluadas.

 

El estudio incluye el efecto de la incorporación de distintos tipos de aditivos y adiciones para mejorar la resistencia de la interfase manteniendo constantes los valores de permeabilidad.

 

La selección de las mezclas definitivas se realiza buscando la optimización de la energía de compactación utilizada, las propiedades mecánicas y físicas.

 

Finalmente se consideró importante ponderar la resistencia al desgaste, analizándose la validez de los resultados obtenidos para los ensayos propuestos.

 

 

^(*) M.M.O., Técnico Senior C. Técnico Loma Negra – email: claudio.hernandez@lomanegra.com.ar

^(**)  M.M.O., Técnico C. Técnico Loma Negra -  email: ariel.collura@lomanegra.com.ar

^(***) Ing. Civil., Líder C. Técnico Loma Negra – email: gabriel.mansilla@lomanegra.com.ar

 

 

 

 

INTRODUCCIÓN

 

Se denomina hormigón poroso al material en el que se ha eliminado parte del agregado fino, generándose huecos ó vacíos interconectados que actuarán como capilares macroscópicos drenantes de la escorrentía superficial. En estado fresco presenta el aspecto de las mezclas secas ó semi húmedas, haciendo necesaria su compactación mediante equipos de acción manual y/o mecánica.

 

El  crecimiento de superficie impermeable manifestado durante los últimos 50 años en zonas urbanizadas, ha provocado un aumento de los caudales máximos a evacuar para la misma precipitación de diseño, saturando la red de desagües pluviales (ej. Aº Maldonado). La utilización de este material en reemplazo parcial del hormigón tradicional ayudará a paliar la situación, ya que aumentará la tasa de infiltración, reduciendo la escorrentía superficial y el caudal pico a evacuar.

 

Se estudian las metodologías de dosificación con el fin de obtener una segura y rápida manera de optimizar estas mezclas, basándose fundamentalmente en la valorización de sus dos propiedades principales, la resistencia (fundamentalmente Módulo a Flexión) y la permeabilidad.

 

Como premisas para el desarrollo de este trabajo se adoptó un Módulo de rotura a Flexión de 2,8 MPa y una permeabilidad de 3,5 mm/s (valor mínimo para ser calificado como hormigón poroso).

 

 

MATERIALES UTILIZADOS

 

Cemento y Adiciones Minerales

 

En la totalidad de las mezclas ejecutadas se utilizó un Cemento Pórtland Compuesto (CPC40), utilizado normalmente por Hormigones Lomax. Con el objeto de lograr una mejor resistencia de la interfase,  se utilizó como adición mineral activa,  una  Sílica Fume de marca comercial (SF). La Tabla 1 consigna las características y propiedades más sobresalientes del cemento y la adición utilizadas.

 

 

Tabla 1 :Propiedades del Cemento y Adición Mineral

 

	Unidad	CPC40	SF
Clinker + Yeso	%	90,0	-
Escoria de Alto Horno	%	5,0	-
Filler Calcareo	%	5,0	-
Retenido tamiz 75 µm	%	1,3	-
Superficie específica (Blaine)	m2/kg	399	20000
Densidad	-	3,12	2,2
Resistencia a Compresión a 2 días	MPa	29,9	-
Resistencia a Compresión a 28 días	MPa	59,7	-

 

 

Agregados

 

Los agregados empleados con los que se realizaron las mezclas son los tradicionales en el ámbito de la industria del hormigón elaborado. La Tabla 2 resume las propiedades físicas que los caracterizan, consignando para la Fracción Gruesa el Desgaste y su resistencia a Compresión (evaluada sobre un testigo extraído del manto rocoso).

 

Con el objeto de emplear una granulometría discontinua se optó por la utilización de un agregado grueso monogranular con tamaño máximo igual a 12 mm, encuadrándose dentro de los valores de 9,5 a 12,5 mm recomendados por la bibliografía consultada. Se observa sobre esta fracción un elevado porcentaje de partículas lajosas y elongadas, que podrían afectar la resistencia de este tipo de hormigón por falla del agregado.

 

Con el propósito de minimizar el efecto de microfisuración por retracción de la pasta utilizada como puente de unión se utilizó una arena fina silicea para el método A y una arena mezcla compuesta por Arena granítica 0-6 (lavada) y Ar. Oriental para el método B de diseño.

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabla 2- Propiedades de los Agregados

 

Identificación	P.P. 6-12	Ar. fina	Ar. Mezcla
Origen	Granítica	Silicea	0-6  / Oriental
Procedencia	Olavarría Bs. As.	Río Paraná	-
M.N. [mm]	12,5	-	-
Absorción [%]	0,3	0,3	0,4
Modulo de Finura	6,04	1,63	2,68
Densidad Relativa (sss)	2,73	2,63	2,68
P.U.V.(s y c)	1,42	-	-
% Part. Lajosas	39	-	-
% Part. Elongadas	30	-	-
Desgaste Los Angeles	21,6	-	-
Resis. a Compresión [MPa]	239	-	-

 

 

Aditivos Químicos

 

  Para mejorar la resistencia de la interfase, de modo de permitir un aumento en el  porcentaje de vacíos y mantener los niveles de resistencia mecánicas,  se utilizó un aditivo adhesivo sintético a base de látex (AL) y un aditivo superfluidificante con base policarboxilato (BP).

 

En algunas de las mezclas se combinó el aditivo adhesivo sintético a base de látex (AL) con un aditivo plastificante retardador del fraguado (PR), con el objeto de ampliar el tiempo abierto de trabajo, facilitando los trabajos de colocación, distribución y compactación del material. 

 

 

METODOS UTILIZADOS Y ELECCIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DISEÑO DE MEZCLAS

 

El proyecto de las Mezclas Drenantes o Porosas exige lograr un equilibrio ajustado entre su porosidad (permeabilidad) y su resistencia (mecánica y al desgaste superficial), por tratarse de dos propiedades de características opuestas. Se presentan a continuación los parámetros elegidos para los dos métodos empleados.

 

Método A (1)

 

• Relación Ag.Finos / Ag.Gruesos (0,05 < F/G < 0,3): en función de los antecedentes bibliográficos (1) se acotó el rango de variación entre 0.2 y 24.

 

• Coeficiente “K”: relación entre “Ag. Grueso x m3 de Hormigón” y “P.U.V. del Agregado Grueso Seco y Compactado”. Se recomienda trabajar con valores comprendidos entre  0,85 y 0,92. Se tomó para el estudio K= 0,90 (obtenido del pastón de prueba).

 

• Se adoptó una porosidad teórica cercana al 20%. Se considera a este valor como límite superior para garantizar un adecuado puente de unión entre partículas y un % de vacíos satisfactorio.

 

• Las relaciones Agua/Cemento se mantuvieron por debajo de 0,41, buscando una buena resistencia de la interfase entre partículas de agregado grueso.

 

 

 

Método B (2)

 

• Factor de Compactación (FC): relación entre la “Densidad Real Compactada” y la “Densidad Teórica”. La bibliografía indica que los valores obtenidos en la práctica para el FC varían entre 84 a 0.99, adoptándose para este trabajo un valor de 0,90.

 

• Se adopto un rango de análisis para la relación Agua/Cemento variable entre 0,3 y 0,41.

 

• Según la bibliografía el volumen de pasta óptima para maximizar la resistencia mecánica y permeabilidad es igual a 250 dm³, para mezclas que utilizan reductores de agua de rango normal.

 

• Se adoptó una porosidad teórica variable entre 14 y 18 %.

 

En función de los parámetros adoptados para cada método y conociendo la densidad relativa de los materiales componentes, se definieron las proporciones de los diferentes mezclas estudiadas.

 

 

AJUSTE DE MEZCLAS 

 

En una primera etapa se utilizó el “Método A”  para ajustar las mezclas denominadas patrón o de referencia que prescindieron del uso de aditivos y adiciones minerales. Posteriormente se buscó aumentar el nivel de resistencia manteniendo constante la porosidad. En esta etapa de optimización  se incluyeron un aditivo plastificante retardador (PR), un aditivo adhesivo sintético a base de látex (AL) y una adición mineral activa (SF).

 

Por último,  y siguiendo el “Metodo B” de diseño,  se repitieron los pasos indicados anteriormente para otro conjunto de mezclas. En principio se dosificaron las mezclas patrón (sin aditivos ni adiciones), para luego optimizarlas mediante la utilización de un aditivo superfluidificante con base policarboxilato (BP) y una adición mineral activa (SF).

 

  Para este caso,  se logró ajustar el volumen de pasta a los 250 dm³ recomendados por la bibliografía para la mezcla patrón; logrando reducir este volumen cuando se utilizó aditivo superfluidificante con base policarboxilato (BP),  aún con la disminución del contenido de material cementicio (CPC+SF).

 

La Tabla 3 muestra las proporciones y parámetros que definen las dosificaciones, y  las características relacionadas con el estado fresco y compactación de algunas mezclas estudiadas.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabla 3 :  Resumen de mezclas ensayadas

 

	Metodo A					Metodo B
Nº  de MEZCLA	M1	M2	M4	M7	M9	M10	M12	M13
Cemento  [kg/m3]	289	300	350	350	325	390	330	300
Vol. Pasta	-	-	-	-	-	248	247	226
Silica Fume  [kg/m3]	-	-	-	-	25	-	20	20
Aditivo PR  [%]	-	-	-	0,2	0,2	-	-	-
Aditivo AL  [kg/kg/m3]	-	-	-	20	20	-	-	-
Aditivo BP  [%]	-	-	-	-	-	-	0,70	0,64
Relación a/c	0,32	0,33	0,28	0,29	0,31	0,32	0,4	0,41
%Fino/Total Agregado	17	15	20	20	20	5	10	10
P.U.V.  [kg/m3]	2060	2066	1988	2033	2094	1990	1996	2015
Factor de Compactación	0,86	0,94	0,99	1,00	1,03	0,94	0,95	0,97
Forma de Compactación	3 capas 42Gol.T99	3 capas 52Gol.T180	3 Capas 18Gol.T99	3 Capas 18Gol.T99	3 Capas 18Gol.T99	3 Capas 18Gol.T99	3 Capas 18Gol.T99	3 Capas 18Gol.T99
									Energ. Compac. [kg/cm2]	1,81	6,11	0,78	0,78	0,78	0,78	0,78	0,78
Esponjamiento [%]	-	-	31,8	37,0	44,0	22,0	20,0	25,6

 

La Tabla 4 muestra los resultados obtenidos para las propiedades medidas en estado endurecido sobre las mismas mezclas.

 

 

Tabla  4 :  Estado Endurecido - Resultados de ensayo

 

	Metodo A					Metodo B
Nº  de MEZCLA	M1	M2	M4	M7	M9	M10	M12	M13
Desgaste Dorry [%]	-	-	1,9	1,6	-	1,7	1,5	-
Desgaste Cántabro [%]	-	12,4	24,6	24,6	23,2	14,2	15,5	13,3
Permeabilidad  [mm/s]	5,5	1,8	5,3	4,9	3,2	3,5	3,2	4,0
Huecos [%]	21,7	8,3	21,6	18,8	14,7	15,1	14,3	16,5
Flexión [MPa]	1,8	3,9	1,9	2,5	3,0	2,9	3,4	3,0
Compresión a 28 días  [MPa]	14,3	31,1	14,1	18,9	20,7	22,9	25,2	21,8

 

 

ANÁLISIS DE RESULTADOS

 

Estado Fresco  

 

Para la evaluación en estado fresco de las mezclas se escogieron dos variables, ambas relacionadas con el concepto de trabajabilidad. La primera de ellas tiene en cuenta  la cuantificación  de la energía de compactación necesaria para lograr la máxima compacidad evitando la segregación de la pasta o  mortero. En este sentido se logró un mejor resultado con la combinación de los aditivos  AL y PR, para un caso; y con el superfluidificante BP, para el otro.

 

La segunda variable es la relación entre el P.U.V. suelto y compactado de la mezcla (esponjamiento), buscándose durante la optimización minimizarlo. La determinación de la cantidad de vacíos se realizó por desplazamiento de volumen.

 

Descartando durante las pruebas preliminares la compactación mediante mesa vibradora, por  generar una excesiva segregación de la pasta-mortero, se decidió adoptar una compactación manual mediante el equipo Proctor Normal  (T99)  y Modificado (T180) utilizado en  ensayo de suelos.

 

Para la compactación de mezclas patrones fue necesario  utilizar 40 golpes y 26 golpes por capa para los equipos  T99 y T180 respectivamente. La incorporación de los aditivos AL y superfluidificantes BP permitieron utilizar exclusivamente el equipo T99,  ajuntándose a 18 el número de golpes por capa y logrando reducir sensiblemente la energía de compactación. Estos valores de energía de compactación deberán ser ajustados para condiciones reales de colocación en obra.

 

El moldeo de las probetas se realizó por compactación, con el dispositivo Proctor Normal (T99) utilizado para realizar el ensayo de compactación de suelos (Fotografía 1).

 

 

Fotografía 1. Compactación de Probetas

Fotografía 2. Ensayo a Flexión

La experienca adquirida durante el desarrollo del trabajo permite recomendar la secuencia de carga y mezclado que se detalla en la Tabla 5, como forma efectiva para lograr un mezclado que asegure la homogeneidad del material.

 

 

Tabla 5. Secuencia de carga y mezclado

 

 

 

Propiedades Mecánicas

 

       Se estableció como única edad de ensayo para la resistencia a la compresión, módulo de rotura a flexión y desgaste, la de 28 días.

 

Conforme a los resultados de ensayo que se vuelcan en  la Tabla N° 4, se observa un aumento en los niveles de resistencia a compresión y flexión de aquellas mezclas que incorporaron  adiciones (SF) y aditivos (AL, AR y BP).

 

De las observaciones realizadas sobre las probetas ensayadas a compresión y flexión (Fotografía 2), se verifica un elevado porcentaje de agregado fracturado, relacionándose este fenómeno con la forma lajosa del agregado utilizado. También se observa, en un porcentaje menor falla en la interfase agregado puente de unión.

 

Las Figuras 1 y 2 muestran la variación de la resistencia a compresión y flexión en función de los Vacíos respectivamente, observándose en ambos casos buenos coeficientes de correlación para las expresiones ajustadas.

 

 

Figura 1. Variación de la Res. a Compresión en función del % Vacíos

Figura 2. Variación de la Res. a Flexión en función del % Vacíos

 

Fotografía 2.   Permeámetro

Figura 3. Variación de Permeabilidad vs. % Vacíos

 

 

 

 

Permeabilidad

 

Para la medición de éste parámetro se utilizó el método de carga variable descripto en (1) y (4) (Fotografía 2). Las muestras ensayadas corresponden a los 150 mm centrales de probetas cilíndricas normalizadas obtenidas mediante corte con disco diamantado.

 

Se observó una muy buena correlación entre esta variable y el % Vacíos de la mezclas estudiadas (Figura Nº 3), permitiéndo relacionar la permeabilidad con las propiedades mecánicas.

 

Desgaste

 

Se trató de evaluar esta propiedad a través del Método Dorry (IRAM 1522) y de Método Cántabro (utilizado para mezclas asfálticas drenantes-NLT-352/86), tratando de encontrar una correlación entre el desgaste y alguna de las propiedades físicas o mecánicas determinadas anteriormente.

 

Luego de los primeros ensayos,  se concluyó que el Método Dorry no era lo suficientemente sensible ya que evalúa fundamentalmente el desgaste del agregado expuesto, motivo por el cual fue descartado. Se continuó el plan de ensayos mediante el método Cántabro, que contempla la utilización de la máquina de los Ángeles, sin carga abrasiva y  un nº de vueltas igual a 300. Las muestras ensayadas (150 mm de diámetro x  75 mm de altura) fueron obtenidas del corte proveniente de la parte superior de probetas cilíndricas normalizadas (según el llenado de la misma).

 

 

Figura 4. Resistencia a flexión - Desgaste

Figura  5. Vacíos % - Desgaste

Los resultados obtenidos se correlacionaron con la resistencia a flexión y con el porcentaje de vacíos (Figuras 4 y 5). A pesar de no lograrse una buena correspondencia, se observa un mejor ajuste entre el desgaste y la resistencia a flexión. Considerando la estrecha relación que existe entre la resistencia del puente de unión y estas dos propiedades, y teniendo en cuenta que la aplicación de este método de ensayo sobre un hormigón convencional de pavimento arrojó valores de desgaste cercanos al 9 %, resulta conveniente profundizar los estudios en un futuro.

 

 

CONCLUSIONES

 

De  acuerdo a los resultados de ensayos de laboratorio expuestos en el presente trabajo  se  resumen las siguientes conclusiones.

 

• El porcentaje de vacíos puede disminuirse hasta un valor límite inferior de 14%, permitiendo mejorar las propiedades mecánicas, sin comprometer sustancialmente el límite deseable de permeabilidad (3,5 mm/s).

 

• La utilización de la combinación de un aditivo a base de Latex y un plastificante retardador del fraguado, reduce la energía de compactación y el esponjamiento de las mezclas respecto de aquellas tomadas como patrón (sin aditivo), disminuyendo los costos operativos. En cuanto al comportamiento mecánico, la utilización de esta combinación mejoró hasta un 20% la resistencia a compresión y entre un 15 a 20% la resistencia a flexión respecto de las mezclas patrón.

 

• La incorporación de Silica Fume mejora el puente entre mortero y agregado grueso de las mezclas que utilizaron aditivo a base de Latex, lográndose incrementos del orden del 10% en compresión y flexión.

 

• La combinación de aditivo superfluidificante base policarboxilatos y Silica Fume produce efectos similares a los obtenidos con el conjunto aditivo a base de Latex y Silica Fume.

 

• La utilización de agregado grueso con partículas predominantemente cúbicas, mejoraría la distribución espacial de la red de capilares macroscópicos y minimizaría la falla de rotura por fractura de agregado.

 

• La cuantificación del desgaste mediante el método Dorry fue descartada por considerarse poco sensible. Si bien no se encontró una buena correlación entre el desgaste (método Cántabro) y la resistencia a flexión, los resultados logrados justifican continuar los estudios.

 

• Si bien las propiedades mecánicas obtenidas sobre las mezclas denominadas “patrones” limitan su uso para capa de rodamiento, pueden considerarse aptas para ser aplicacadas en sub-bases ó bases drenantes de pavimentos realizados con hormigón poroso.

 

 

Agradecimientos

Este trabajo está enteramente dedicado a la memoria de Adelino Domingo Ríos. Agradecemos además la colaboración de todo el personal del Centro Técnico de LOMA NEGRA.

 

 

Bibliografía

(1) - Fernandez Luco, L. Vitola, L y Salminci, P.: “Estado del arte en el uso de hormigones porosos”, XII Congreso Argentino de Vialidad y Tránsito, Buenos Aires, Argentina.

(2) - Solminihac, H., Videla, C, Fernández, B., Castro, J.: “Desarrollo de mezclas de hormigón poroso para pavimentos urbanos permeables”.

(3) - Kevern, J. , Wang, K., Suleiman, M., Schaefer, V.: “Mix design development for pervious concrete in cold weather climates”.

(4) Waneilista M, Chopra M, ea: “Hyadrulic Perforance Assessment of Pervious Concrete Pavements for Stormwater Managment Credit”, Stormwater Managment Academy University of Central Florida.