“Elaboración del concreto poroso con fibra de polipropileno ...

Elaboración del concreto poroso con fibra de polipropilenocomo alternativa para reducir la contaminación sonoracausada por la interacción del neumático y la calzadaaplicado en la avenida San Luis, distrito de San Borja

Item Type info:eu-repo/semantics/bachelorThesis

Authors Navarro Cárdenas, Harold Alexis; Rayme Quiroz, Jhon Charly

Publisher Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas (UPC)

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UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS

FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA ACADÉMICO DE INGENIERÍA CIVIL

“Elaboración del concreto poroso con fibra de polipropileno

como alternativa para reducir la contaminación sonora

causada por la interacción del neumático y la calzada aplicado

en la avenida San Luis, distrito de San Borja”

TESIS

Para optar el título profesional de Ingeniero Civil

AUTORES:

Navarro Cárdenas, Harold Alexis (0000-0002-9092-6928)

Rayme Quiroz, Jhon Charly (0000-0002-3684-3013)

ASESOR:

Eyzaguirre Acosta, Carlos Augusto (0000-0001-9769-2135)

Lima, 24 de mayo del 2021

I

DEDICATORIA

A Dios, por su gracia y bendición de todos los días.

A mis padres: Florencio y Zelmira por su amor, trabajo

y sacrificio en todos estos años.

A mi hermana Zayuri por ser el motivo para no

rendirme.

A mi tía Medalit y Jorge por su hospitalidad para que

pueda culminar satisfactoriamente mis estudios.

A mi compañero de tesis Jhon porque juntos pudimos

lograr este proyecto con esfuerzo y dedicación.

A mis amigos de la promoción 2015 – 02 por compartir

momentos inolvidables en la universidad.

A Dios, sobre todo, por darme salud, sabiduría, bendecirme

con su gracia y permitirme llegar a esta etapa de mi vida.

A mi madre, Edith Quiroz por darme la vida, educarme,

apoyarme en logros y fracasos y sobre todo por siempre creer

en mí, te amo mamá.

A mis hermanas y hermano, Aracely, Romina y Thiago por ser

el motor, motivo y razón para no rendirme.

A mi compañera y mejor amiga, Cynthia Montero por

apoyarme y aconsejarme durante este proyecto.

A mi amigo y compañero de tesis, Harold Navarro porque

juntos pudimos lograr este proyecto con esfuerzo y dedicación.

Harold Navarro

Jhon Rayme

II

AGRADECIMIENTOS

A nuestra alma mater, Universidad Peruana de Ciencias Aplicadas - UPC, por

brindarnos los conocimientos necesarios para lograr esta investigación.

A nuestro asesor de tesis, el Ing. Carlos Eyzaguirre, por su guía, comprensión,

paciencia, y valiosos consejos a lo largo del proceso de investigación.

A Ronald Gavidia, encargado del laboratorio del HUB – San Miguel por su

paciencia y guía en los ensayos de tecnología de concreto.

Al capítulo estudiantil ACI – UPC por la donación de materiales que se usaron

durante la elaboración del proyecto de tesis.

III

RESUMEN

Este documento describe la elaboración de un concreto poroso con fibra de polipropileno

(CPF). Se propone este material como una alternativa para reducir la contaminación

sonora causada por la interacción entre el neumático y calzada. La propuesta consta de

dos etapas de estudio: Elaboración de un concreto poroso y evaluación acústica mediante

un modelo matemático microestructural.

En la primera etapa, se evaluó dieciséis diseños, los cuales de cada mezcla se realizaron

doce muestras para posteriormente ser sometidas al ensayo de resistencia a la compresión.

Así se obtuvieron un total de 192 probetas que fueron evaluadas a los 7, 14 y 28 días de

tiempo de curado. Los diseños están compuestos con agregados recomendados por el ACI

522R, agregados de HUSO 8 y agregados de HUSO 67, de los cuales se pretende

seleccionar un concreto poroso que pueda cumplir las especificaciones mínimas de un

pavimento manteniendo un porcentaje de vacíos óptimo para su posterior evaluación

acústica. De los diseños obtenidos se estudió la influencia de la porosidad y porcentaje de

vacíos en las propiedades mecánicas del concreto. De esta manera, se encontró una

dosificación de CPF adecuado para la propuesta con una relación agua cemento de 0.36,

fibra tipo I, 0% de aditivo y piedra de HUSO 8, con el cual se obtuvo una resistencia a la

compresión de 296.37 kg/cm2, con el cual se cumplía los requisitos mínimos de

resistencia del concreto para su aplicación a un pavimento.

En la segunda etapa, se pretende obtener resultados del coeficiente de absorción acústica

mediante una simulación numérica basados en la teoría microestructural de Neithalath.

Este modelo fue aplicado a los diseños de CPF obtenidos en la primera parte, teniendo en

cuenta el tamaño, forma de los agregados y la relación de vacíos. El desarrollo de este

modelo matemático y su correlación con las mediciones físicas permiten la predicción del

coeficiente máximo absorción acústica de un CPF basado en las características

geométricas de la estructura de poros. Los diseños óptimos sometidos a la simulación

numérica obtuvieron un coeficiente de absorción acústica de 0.79 y 0.63 para agregados

de HUSO 8 y HUSO 67 respectivamente.

De esta manera, con la investigación y experimentación se llegó a la conclusión que el

CPF permite reducir el ruido generado por la interacción del neumático y la calzada, con

lo cual se verificó un nuevo beneficio del concreto poroso en la ingeniería de pavimentos.

Palabras claves— Concreto poroso, Fibra de Polipropileno, Coeficiente de absorción

acústica, Reducción de ruido, ruido de rodadura, pavimentos, simulación numérica.

IV

ABSTRACT

This document describes the fabrication of a polypropylene fiber (CPF) porous concrete.

This material is proposed as an alternative to reduce noise pollution caused by the

interaction between the tire and road. The proposal consists of two stages of study:

Preparation of a porous concrete and acoustic evaluation using a microstructural

mathematical model.

In the first stage, sixteen designs were evaluated, of which twelve samples were made

from each mixture and subsequently subjected to the compression resistance test. Thus, a

total of 192 specimens were obtained, which were evaluated at 7, 14 and 28 days of curing

time. The designs are composed of aggregates recommended by ACI 522R, aggregates

of HUSO 8 and aggregates of HUSO 67, of which it is intended to select a porous concrete

that can meet the minimum specifications of a pavement while maintaining an optimal

percentage of voids for its subsequent evaluation. acoustics. The influence of porosity

and void percentage on the mechanical properties of concrete was studied from the

designs obtained. In this way, a suitable CPF dosage was found for the proposal with a

water-cement ratio of 0.36, type I fiber, 0% additive and HUSO 8 stone, with which a

compressive strength of 296.37 kg / cm2, with which the minimum strength requirements

of concrete for its application to a pavement were met.

In the second stage, it is intended to obtain results of the acoustic absorption coefficient

by means of a numerical simulation based on the microstructural theory of Neithalath.

This model was applied to the CPF designs obtained in the first part, taking into account

the size, shape of the aggregates and the ratio of voids. The development of this

mathematical model and its correlation with physical measurements allow the prediction

of the maximum acoustic absorption coefficient of a CPF based on the geometric

characteristics of the pore structure. The optimal designs submitted to the numerical

simulation obtained a sound absorption coefficient of 0.79 and 0.63 for aggregates of

HUSO 8 and HUSO 67 respectively.

In this way, with the investigation and experimentation, it was concluded that the CPF

allows to reduce the noise generated by the interaction of the tire and the road, which

verified a new benefit of porous concrete in pavement engineering.

Keywords— Porous concrete, polypropylene fiber, acoustic absorption coefficient,

noise reduction, rolling noise, pavements, numerical simulation.

V

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 1

Realidad problemática ............................................................................................. 2

Formulación del problema ...................................................................................... 6

Justificación............................................................................................................. 6

Estado del arte ......................................................................................................... 7

Hipótesis .................................................................................................................. 9

Objetivos ................................................................................................................. 9

Objetivo General................................................................................................... 9

Objetivos Específicos ........................................................................................... 9

Alcances y limitaciones......................................................................................... 10

Alcances.............................................................................................................. 10

Limitaciones ....................................................................................................... 10

Descripción del contenido ..................................................................................... 11

CAPÍTULO I: MARCO TEÓRICO ....................................................................... 12

1.1. Pavimento rígido de concreto convencional ................................................ 12

1.1.1. Ventajas y limitaciones ........................................................................... 12

1.2. Pavimento rígido de concreto poroso ........................................................... 13

1.2.1. Ventajas y limitaciones ........................................................................... 13

1.3. Pavimento de concreto poroso y la importancia en la acústica .................... 14

1.4. Concepción de diseño del concreto poroso .................................................. 14

1.4.1. Materiales ................................................................................................ 14

1.4.1.1. Agregado grueso ............................................................................. 14

1.4.1.2. Agregado fino ................................................................................. 15

1.4.1.3. Cemento .......................................................................................... 15

1.4.1.4. Agua ................................................................................................ 15

1.4.1.5. Características físicas de la fibra de polipropileno ......................... 15

1.4.1.6. Fibra de polipropileno y su influencia en la absorción acústica ..... 17

1.4.1.7. La fibra de polipropileno y su relación con la durabilidad de los

pavimentos porosos ........................................................................................ 17

1.4.1.8. Aditivos ........................................................................................... 18

1.4.2. Elaboración de mezclas y probetas en laboratorio .................................. 18

1.4.2.1. Protocolo de mezclado .................................................................... 18

VI

1.4.2.2. Moldeado de probetas ..................................................................... 19

1.4.2.3. Curado de probetas ......................................................................... 20

1.4.3. Propiedades en estado fresco .................................................................. 20

1.4.3.1. Determinación de la consistencia mediante el cono de Abrams ..... 20

1.4.3.2. Densidad ......................................................................................... 20

1.4.3.3. Peso unitario ................................................................................... 21

1.4.3.4. Tiempo de fragua ............................................................................ 21

1.4.4. Propiedades en estado endurecido .......................................................... 21

1.4.4.1. Resistencia a la flexión ................................................................... 21

1.4.4.2. Resistencia a la compresión ............................................................ 22

1.4.4.3. Permeabilidad del concreto poroso ................................................. 22

1.5. Teoría del ruido de rodadura ........................................................................ 23

1.5.1. Concepto de sonido y ruido .................................................................... 23

1.5.2. Fuentes de ruido por el tránsito de vehículos.......................................... 24

1.5.2.1. Clasificación de las fuentes sonoras de un vehículo ....................... 24

1.5.3. Interacción de la superficie de rodadura y el neumático ......................... 25

1.5.3.1. Patrones de labrado de neumáticos ................................................. 27

1.6. Evaluación acústica del concreto poroso ..................................................... 27

1.6.1. Ensayos de absorción acústica-tubo de impedancia ACI 522R-10 ........ 28

1.6.2. Simulación numérica para la absorción acústica .................................... 28

1.6.2.1. Modelo de Delany y Bazley ............................................................ 29

1.6.2.2. Modelo de Zwikker y Kosten ......................................................... 31

1.6.2.3. Modelo Microestructural de Neithalath .......................................... 32

1.6.3. Teoría para la modelación in situ de un pavimento poroso con fibras ... 33

1.7. Patologías del concreto poroso ..................................................................... 35

1.7.1. Contracción plástica ................................................................................ 35

1.7.2. Desgaste por abrasión ............................................................................. 35

1.7.3. Reacción álcali-agregado ........................................................................ 35

1.7.4. Contracción por secado ........................................................................... 36

1.8. Construcción del pavimento de concreto poroso ......................................... 36

1.8.1. Preparación de la sub-rasante y sub-base................................................ 36

1.8.2. Espesor del pavimento poroso ................................................................ 36

1.8.3. Colocación y compactación del pavimento poroso ................................ 37

VII

1.8.4. Juntas de dilatación del pavimento poroso ............................................. 38

1.8.5. Curado del pavimento poroso ................................................................. 39

1.8.6. Apertura al tráfico ................................................................................... 39

CAPÍTULO II: METODOLOGÍA ......................................................................... 40

2.1. Nivel de investigación .................................................................................. 40

2.2. Diseño de investigación ............................................................................... 40

2.3. Procedimiento............................................................................................... 40

CAPITULO III: PLAN EXPERIMENTAL DE LOS MATERIALES Y

MÉTODOS ................................................................................................................ 46

3.1. Materiales usados en la mezcla .................................................................... 46

3.1.1. Agregado grueso ..................................................................................... 46

3.1.1.1. Granulometría ................................................................................. 46

3.1.1.2. Ensayo de peso unitario .................................................................. 49

3.1.1.3. Ensayo de contenido de humedad ................................................... 50

3.1.1.4. Peso específico y absorción ............................................................ 51

3.1.2. Agregado fino ......................................................................................... 52

3.1.2.1. Granulometría ................................................................................. 52

3.1.2.1. Ensayo de peso unitario .................................................................. 53

3.1.2.2. Ensayo de contenido de humedad ................................................... 54

3.1.2.3. Ensayo de peso específico y absorción ........................................... 55

3.1.3. Agua ........................................................................................................ 55

3.1.4. Cemento .................................................................................................. 55

3.1.5. Aditivo .................................................................................................... 56

3.1.6. Fibra de polipropileno ............................................................................. 56

3.2. Diseño de concreto poroso ........................................................................... 57

3.2.1. Diseño de mezcla Nº 1 ............................................................................ 57

3.3. Elaboración de mezclas y probetas en laboratorio ....................................... 66

3.3.1. Protocolo de mezclado ............................................................................ 66

3.3.2. Moldeado de probetas ............................................................................. 66

3.3.3. Curado de probetas ................................................................................. 68

CAPÍTULO IV: PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ............. 69

4.1. Presentación de resultados ........................................................................... 69

4.1.1. Agrupamiento de mezclas de estudio ..................................................... 69

VIII

4.1.2. Resumen de los diseños de mezcla realizados ........................................ 70

4.1.3. Ensayos en estado fresco ........................................................................ 71

4.1.3.1. Consistencia del concreto poroso ................................................... 71

4.1.3.2. Asentamiento del concreto poroso .................................................. 73

4.2. Análisis de resultados ................................................................................... 75

4.2.1. Ensayos en estado endurecido ................................................................ 75

4.2.1.1. Ensayos a compresión simple a distintas edades ............................ 75

4.2.1.2. Ensayos a tracción diametral .......................................................... 80

4.3. Relación entre la resistencia a la compresión y tracción diametral .............. 83

CAPÍTULO V: SIMULACIÓN NUMERICA MEDIANTE EL MODELO

MICROESTRUCTURAL DE NEITHALATH ..................................................... 85

5.1. Geometría física de la estructura .................................................................. 85

5.1.1. Continuidad de poros .............................................................................. 86

5.1.2. Cálculo de áreas con MATLAB ............................................................. 87

5.2. Cálculo de la porosidad (ϕ) .......................................................................... 88

5.2.1. Simulación de estructura de poros .......................................................... 88

5.2.2. Presentación de la expresión que define la porosidad ............................ 89

5.3. Factor de estructura (Ks) .............................................................................. 92

5.3.1. Determinación del factor de estructura (Ks) ........................................... 93

5.4. Cálculo del coeficiente de absorción acústica máxima ................................ 95

5.4.1. Determinación de Da y La ...................................................................... 95

5.4.2. Relación entre Ks y el coeficiente de absorción acústica ....................... 97

CAPÍTULO VI: ANÁLISIS ECONÓMICO COMPARATIVO ........................ 100

6.1. Consideraciones para el cálculo del diseño de pavimentos........................ 100

6.1.1. Diseño de pavimento flexible ............................................................... 100

6.1.1.1. Cálculo de espesores en base al número estructural (SN) ............ 102

6.1.2. Diseño de Pavimento Rígido de Concreto Convencional ..................... 104

6.1.3. Diseño de Pavimento Rígido de Concreto Poroso ................................ 106

6.2. Consideraciones para el cálculo económico............................................... 106

6.3. Alternativas de diseño ................................................................................ 106

6.3.1.1. ESAL= 1 000 000 ......................................................................... 106

6.4. Análisis de resultados ................................................................................. 108

6.4.1. Espesores de pavimento ........................................................................ 108

IX

6.4.2. Resultados de la comparación de costos ............................................... 111

6.4.2.1. Comparativa de precios entre un pavimento flexible y de concreto

convencional ................................................................................................. 112

6.4.2.2. Comparativa de precios entre un pavimento flexible y concreto

poroso 113

6.4.2.3. Comparativa de precios entre un pavimento concreto convencional y

concreto poroso ............................................................................................ 114

CAPÍTULO VII: CONCLUSIONES .................................................................... 116

CAPITULO VIII: RECOMENDACIONES ........................................................ 121

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................. 123

ANEXOS .................................................................................................................. 128

X

INDICE DE TABLAS

Tabla 1. Valores máximos permisibles según la zona de aplicación y la zona horaria ... 4

Tabla 2. Ruido que más molesta a partir de las diez de la noche, según la zona de

aplicación y la zona horaria .............................................................................................. 5

Tabla 3. Ventajas y limitaciones del pavimento rígido ................................................. 12

Tabla 4. Principales ventajas y desventajas del concreto poroso .................................. 13

Tabla 5. Propiedades de la fibra .................................................................................... 17

Tabla 6. Protocolo de mezclado del concreto poroso .................................................... 41

Tabla 7. Análisis granulométrico del agregado HUSO 67. ........................................... 46

Tabla 8. Análisis granulométrico del agregado HUSO 8. ............................................. 48

Tabla 9. Peso unitario suelto del HUSO 67 ................................................................... 49

Tabla 10. Peso unitario suelto del HUSO 8 ................................................................... 49

Tabla 11. Peso unitario compactado del HUSO 67 ....................................................... 50

Tabla 12. Peso unitario compactado del HUSO 8 ......................................................... 50

Tabla 13. Contenido de humedad del HUSO 67 ........................................................... 50

Tabla 14. Contenido de humedad del HUSO 8 ............................................................. 51

Tabla 15. Peso específico y absorción del HUSO 67 .................................................... 51

Tabla 16. Peso específico y absorción del HUSO 8 ...................................................... 52

Tabla 17. Análisis granulométrico de la arena gruesa ................................................... 52

Tabla 18. Peso unitario suelto de la arena gruesa .......................................................... 54

Tabla 19. Peso unitario compactado de la arena gruesa ................................................ 54

Tabla 20. Contenido de humedad de la arena gruesa .................................................... 54

Tabla 21. Peso específico y absorción de la arena gruesa ............................................. 55

Tabla 22. Características del agregado grueso para el diseño de Mezcla N° 1 ............. 58

Tabla 23. Características del agregado grueso-confitillo para el diseño de mezcla N°158

Tabla 24. Características de la arena gruesa para el diseño de mezcla N°1 .................. 58

XI

Tabla 25. Características del cemento ........................................................................... 58

Tabla 26. Características del agua ................................................................................. 58

Tabla 27. Parámetro de resistencia inicial ..................................................................... 58

Tabla 28. Cálculo de pesos de cemento y agua ............................................................. 62

Tabla 29. Peso de fibra de polipropileno- SicaCem-Fiber y porcentaje de aditivo reductor

de agua Rheobuild – BASF ............................................................................................ 62

Tabla 30. Volúmenes absolutos de cada material que compone la mezcla y cálculo del

volumen de agregado grueso .......................................................................................... 63

Tabla 31. Peso de agregado Grueso y Agregado Fino .................................................. 63

Tabla 32. Peso saturado superficialmente seco (SSS) de los agregados y otros

componentes del concreto poroso................................................................................... 64

Tabla 33. Aporte o la reducción de agua debido a las características de los agregados 64

Tabla 34. Aporte o la reducción de agua debido a las características de los agregados 64

Tabla 35. Proporciones equivalentes de acuerdo con el peso del cemento ................... 65

Tabla 36. Proporciones equivalentes por bolsa de cemento .......................................... 65

Tabla 37. Resumen de pesos corregidos para un concreto poroso con un 20% de vacíos

y una relación de agua cemento a/c=0.24 para el HUSO 67 .......................................... 65

Tabla 38. Resumen de pesos corregidos para un concreto poroso con un 20% de vacíos

y una relación de agua cemento a/c=0.24 para el HUSO 8 ............................................ 66

Tabla 39. Compactación de probetas cilíndricas ........................................................... 67

Tabla 40. Resumen de los diseños de mezcla del concreto poroso ............................... 71

Tabla 41. Prueba de puñado en el concreto poroso ....................................................... 72

Tabla 42. Asentamiento del concreto poroso ................................................................ 74

Tabla 43. Resistencia a la compresión de un concreto poroso a los 14 días sin adición de

fibra de polipropileno ..................................................................................................... 75

Tabla 44. Resistencia a la compresión de un concreto poroso a los 14 días con adición de

fibra de polipropileno ..................................................................................................... 75

Tabla 45. Resumen de resistencias promedios a la compresión a los 28 días del concreto

poroso ............................................................................................................................. 76

XII

Tabla 46. Resumen de resistencias promedios a la tracción diametral a los 28 días del

concreto poroso. ............................................................................................................. 80

Tabla 47. Cálculo del diámetro de poros de los agregados HUSO 8 y HUSO 67 ........ 88

Tabla 48. Cálculo de La y Da para el HUSO 8 y HUSO 67.......................................... 95

Tabla 49. Cálculo del factor de estructura para el HUSO 8 y HUSO 67 respectivamente

........................................................................................................................................ 98

Tabla 50. Coeficiente de absorción acústica para el HUSO 8 y HUSO 67 ................... 99

Tabla 51. Parámetros constantes y variables requeridos para el cálculo del SN ......... 101

Tabla 52. Coeficientes Estructurales según las componentes del pavimento .............. 103

Tabla 53. Coeficientes de drenaje según las componentes del pavimento (ai) ........... 104

Tabla 54. Parámetros constantes y variables usados en la ecuación de concreto

convencional ................................................................................................................. 104

Tabla 55. Consideraciones de la vía para el diseño del pavimento rígido y flexible .. 106

Tabla 56. ACU de Pavimento Flexible con 6% y 1 000 000 de ESAL ....................... 107

Tabla 57. Resumen de espesores de pavimento flexible, rígido y poroso ................... 108

Tabla 58. Precio de pavimento asfáltico, de concreto y poroso para diferentes escenarios

...................................................................................................................................... 111

I

INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Nivel de ruido medida en una longitud representativa de pavimento. Adaptado

de «Evolución del ruido neumático/pavimento en ciudad real», por Vázquez et al., 2018.

.......................................................................................................................................... 3

Figura 2. Intensidad sonora y los problemas que genera. Adaptado de «Evolución del

ruido neumático/pavimento en ciudad real», por (Ministerio de Salud Publica, 2015) ... 3

Figura 3. Mapa de ruido del distrito de San Borja. Adaptado de «Relación entre la

percepción del ruido ambiental y los niveles de presión sonora en horario nocturno San

Borja», por Jara, 2016. ..................................................................................................... 5

Figura 4. Efecto de la fibra en la durabilidad del PC. Adaptado de «Influence of matrix

and pore system characteristics on the durability of pervious concrete », por Zhong &

Wille, 2018 ....................................................................................................................... 8

Figura 5. Clasificación de fibras. Adaptado de «Pavimentos rígidos reforzados con fibras

de acero versus pavimentos tradicionales», por Montalvo, 2015. .................................. 16

Figura 6. Efecto del tiempo de mezclado en la calidad del concreto. Adaptado de

«Manual de preparación, colocación y cuidados del concreto», por (sencico, 2014) .... 19

Figura 7. Relación entre la resistencia a la compresión y flexión. Adaptado de « Report

on Pervious Concrete, American Concrete Institute », por ACI-552R, 2010. .............. 22

Figura 8. Permeámetro de carga variable. Adaptado de «Predicting the Permeability of

Pervious Concrete », por Neithalath & Sumanasooriya, 2010. ...................................... 23

Figura 9. Variables que influyen en la generación del ruido. Adaptado de «Development

and characterization of acoustically efficient cementitious materials», por Neithalath,

2004. ............................................................................................................................... 25

Figura 10. Banda de rodamiento. Adaptado de «Modelo Estimado Para El Ruido

Generado Por La Interacción Llanta-Pavimento», por Correa, 2013a. .......................... 26

Figura 11. Bombeo de aire. Adaptado de «Modelo Estimado Para El Ruido Generado

Por La Interacción Llanta-Pavimento», por Correa, 2013a. ........................................... 26

Figura 12. Adherencia y deslizamiento. Adaptado de «Modelo Estimado Para El Ruido


Figura 13. Vibraciones de las paredes laterales. Adaptado de «Modelo Estimado Para El

Ruido Generado Por La Interacción Llanta-Pavimento», por Correa, 2013a. ............... 27

Figura 14. Patrones comunes de neumáticos. Adaptado de «Modelo Estimado Para El

Ruido Generado Por La Interacción Llanta-Pavimento», por Correa, 2013a. ............... 27

II

Figura 15. Tubo de impedancia para materiales porosos. Adaptado de «Report on

Pervious Concrete, American Concrete Institute», por ACI-552R, 2010. ..................... 28

Figura 16. Modelo para caracterizar geométricamente la estructura de poros. Adaptado

de «Development and characterization of acoustically efficient cementitious materials»,

por Neithalath, 2004. ...................................................................................................... 32

Figura 17. Procedimiento estadístico de paso para medición de niveles de ruido.

Adaptado de «Modelo Estimado Para El Ruido Generado Por La Interacción Llanta-

Pavimento», por Correa, 2013a. ..................................................................................... 34

Figura 18. Método de proximidad. Adaptado de «Modelo Estimado Para El Ruido


Figura 19. Sección típica de pavimento poroso. Adaptado de « Typical cross section of

pervious concrete pavement », por Divya et al., 2017. .................................................. 36

Figura 20. Proceso constructivo del concreto poroso. Adaptado de «Proceso de descarga,

colocación y equipos de compactación del concreto poroso », por Divya et al., 2017. . 38

Figura 21. Juntas de dilatación del concreto poroso. Adaptado de «Diseño, proceso

constructivo y evaluación post construcción de un pavimento rígido de concreto

permeable», por Vigil, 2012. .......................................................................................... 38

Figura 22. Curado del concreto poroso. Adaptado de «Diseño, proceso constructivo y

evaluación post construcción de un pavimento rígido de concreto permeable», por Vigil,

2012. ............................................................................................................................... 39

Figura 23. Pasos de diseño de mezcla del concreto poroso con fibra de polipropileno, por

elaboración propia. ......................................................................................................... 41

Figura 24. Esquematización del proceso de mezclado del concreto poroso con fibra de

polipropileno, por elaboración propia. ........................................................................... 42

Figura 25. Asentamiento del concreto poroso, por elaboración propia. ........................ 43

Figura 26. Peso unitario del concreto poroso, por elaboración propia. ......................... 43

Figura 27. Ensayo a compresión del concreto poroso, por elaboración propia. ............ 44

Figura 28. Ensayo de compresión diametral del concreto poroso, por elaboración propia.

........................................................................................................................................ 44

Figura 29. Proceso para el análisis de imágenes mediante el programa Matlab, por

elaboración propia .......................................................................................................... 44

Figura 30. Expresión que define la porosidad y el factor de estructura. Adaptado de «

Modeling the Influence of Pore Structure on the Acoustic Absorption of Enhanced

Porosity Concrete» , por Neithalath et al, 2005. ............................................................ 45

III

Figura 31. Esquematización para el análisis acústico, por elaboración propia ............. 45

Figura 32. Curva de distribución granulométrica del HUSO 67, por elaboración propia.

........................................................................................................................................ 47


........................................................................................................................................ 48

Figura 34. Curva de distribución granulométrica de la arena gruesa ............................ 53

Figura 35. SikaCem – Fiber. Adaptado de «Hoja de datos del producto Sikacem®-1

fiber», por Sika., 2019 .................................................................................................... 56

Figura 36. Fibra BarChip 54. Adaptado de «Hoja de datos del producto BarChip 54», por

BARCHIP PERÚ S.A.C., 2019 ...................................................................................... 57

Figura 37. Relación entre el contenido de vacíos y la resistencia a la compresión a los 28

días para tamaños de agregados No. 67 y No. 8. Adaptado de «Report on Pervious

Concrete» por ACI-552R-10, 2010. ............................................................................... 59

Figura 38. Relación entre el porcentaje de vacíos y el contenido de pasta. Adaptado de

«Report on Pervious Concrete» por ACI-552R-10, 2010. ............................................. 60

Figura 39. Moldeado del concreto poroso, por elaboración propia ............................... 67

Figura 40. Curado de probetas de concreto poroso, por elaboración propia ................. 68

Figura 41. Agrupamiento de las mezclas de laboratorio, por elaboración propia ......... 70

Figura 42. Concreto poroso diferentes contenidos de agua. Adaptado de «Samples of

pervious concrete with different watercontents», por Divya et al., 2017. ...................... 72

Figura 43. Prueba de puñado del concreto poroso, por elaboración propia .................. 73

Figura 44. Asentamiento del concreto poroso, por elaboración propia ......................... 74

Figura 45. Resistencia promedio a la compresión (f’c) del concreto patrón, por


Figura 46. Resistencia promedio a los 28 días del concreto poroso, por elaboración propia

........................................................................................................................................ 77

Figura 47. Relación a/c y la resistencia a la compresión (f’c) del grupo 1, por elaboración

propia .............................................................................................................................. 78

Figura 48. Relación a/c y la resistencia a la compresión del grupo 2, por elaboración

propia .............................................................................................................................. 78

Figura 49. Relación a/c y la resistencia a la compresión (f’c) de ambos grupos, por


IV

Figura 50. Resistencia promedio a la tracción diametral a los 28 días del concreto poroso,

por elaboración propia .................................................................................................... 81

Figura 51. Relación agua cemento (a/c) y resistencia a la tracción diametral a los 28 días

del concreto poroso del grupo 1, por elaboración propia ............................................... 82


del concreto poroso del grupo 2, por elaboración propia ............................................... 82


del concreto poroso de ambos grupos, por elaboración propia ...................................... 83

Figura 54. Relación entre la resistencia a la tracción diametral y compresión simple del

grupo 2, por elaboración propia ...................................................................................... 84

Figura 55. Piedra HUSO 8, por elaboración propia. ..................................................... 85

Figura 56. Piedra HUSO 67, por elaboración propia. ................................................... 86

Figura 57. Continuidad de poros con piedra HUSO 8, por elaboración propia. ........... 86

Figura 58. Continuidad de poros con piedra HUSO 8, por elaboración propia. ........... 87


de «Development and characterization of acoustically», por Neithalath, 2004. ............ 89


de «Development and characterization of acoustically», por Neithalath, 2004. ............ 89

Figura 61. Matriz que idealiza las aberturas mediante un hexágono. Adaptado de

«Development and characterization of acoustically», por Neithalath, 2004. ................. 90

Figura 62. Esquema que define el factor de estructura. Adaptado de «Development and

characterization of acoustically», por Neithalath, 2004. ................................................ 93

Figura 63. Determinación de “La y Da” del agregado HUSO 8, por elaboración propia.

........................................................................................................................................ 97


........................................................................................................................................ 97

Figura 65. Relación entre la máxima absorción acústica y el ks. Adaptado de

«Development and characterization of acoustically efficient cementitious materials», por

Neithalath, 2004. ............................................................................................................ 98

Figura 66. Espesores de carpeta de asfáltica por tipo de CBR en función al tránsito

vehicular (ESAL), por elaboración propia ................................................................... 108

Figura 67. Espesores de carpeta de asfáltica por tipo de CBR en función al tránsito


V

Figura 68. Espesores de carpeta de concreto por tipo de CBR en función al tránsito


Figura 69. Espesores de carpeta de concreto por tipo de CBR en función al tránsito


Figura 70. Diferencia de precio del pavimento flexible y pavimento de concreto por tipo

de CBR en función al tránsito vehicular (ESAL), por elaboración propia ................... 112

Figura 71. Diferencia de precio del pavimento flexible y pavimento de concreto por tipo

de CBR en función al tránsito vehicular (ESAL), por elaboración propia ................... 112

Figura 72. Diferencia de precio del pavimento flexible y pavimento de concreto poroso

por tipo de CBR en función al tránsito vehicular (ESAL), por elaboración propia ..... 113

Figura 73. Diferencia de precio del pavimento flexible y pavimento de concreto poroso

por tipo de CBR en función al tránsito vehicular (ESAL), por elaboración propia ..... 113

Figura 74. Diferencia de precio del pavimento de concreto convencional y concreto

poroso por tipo de CBR en función al tránsito vehicular (ESAL), por elaboración propia

...................................................................................................................................... 114

Figura 75. Relación de precios del pavimento de concreto convencional y concreto

poroso por tipo de CBR en función al tránsito vehicular (ESAL), por elaboración propia

...................................................................................................................................... 115

VI

ÍNDICE DE ANEXOS

ANEXO Nº 1: Requisitos de gradación del agregado grueso HUSO 67 ..................... 128

ANEXO Nº 2: Requisitos de gradación del agregado grueso HUSO 8 ....................... 129

ANEXO Nº 3: Requisitos de gradación del agregado fino .......................................... 129

ANEXO Nº 4: Ficha técnica de MasterRheobuild 1202 ............................................. 130

ANEXO Nº 5: Ficha técnica de SikaCem - Fiber ........................................................ 132

ANEXO Nº 6: Ficha técnica de BarChip 54 ................................................................ 134

ANEXO Nº 7: Resistencia a compresión a los 7,14 y 28 días para las mezclas "G1-D9"

y "G2-D9" ..................................................................................................................... 136

ANEXO Nº 8: Resistencias a compresión a los 7,14 y 28 días para las mezclas "G1-D2"

y "G2-D10" ................................................................................................................... 137


y "G2-D11" ................................................................................................................... 138


y "G2-D12" ................................................................................................................... 139


y "G2-D13" ................................................................................................................... 140


y "G2-D14" ................................................................................................................... 141


y "G2-D15" ................................................................................................................... 142


y "G2-D16" ................................................................................................................... 143

ANEXO Nº 15: Resistencias a tracción diametral a los 28 días para las mezclas "G1-D1"

y "G2-D9" ..................................................................................................................... 144


y "G2-D10" ................................................................................................................... 144


y "G2-D11" ................................................................................................................... 145


y "G2-D12" ................................................................................................................... 145

VII


y "G2-D13" ................................................................................................................... 146


y "G2-D14" ................................................................................................................... 146


y "G2-D15" ................................................................................................................... 147


y "G2-D16" ................................................................................................................... 147

ANEXO Nº 23: Análisis de costo unitario de la partida: Corte a nivel de subrasante

C/maquinaria ................................................................................................................ 148

ANEXO Nº 24: Análisis de costo unitario de la partida: Eliminación de material

excedente C/equipo....................................................................................................... 148

ANEXO Nº 25: Análisis de costo unitario de la partida: Nivelación y compactación de la

subrasante ..................................................................................................................... 148

ANEXO Nº 26: Análisis de costo unitario de la partida: Subbase granular C/EQ pesado

...................................................................................................................................... 149

ANEXO Nº 27: Análisis de costo unitario de la partida: Encofrado y desencofrado de

borde ............................................................................................................................. 149

ANEXO Nº 28: Análisis de costo unitario de la partida: Carpeta de concreto poroso f’c

280 kg/cm2 .................................................................................................................... 150

ANEXO Nº 29: Análisis de costo unitario de la partida: Carpeta de concreto f’c 280

kg/cm2 .......................................................................................................................... 150

ANEXO Nº 30: Análisis de costo unitario de la partida: Alisado y acabado .............. 151

ANEXO Nº 31: Análisis de costo unitario de la partida: Corte de juntas con disco ... 151

ANEXO Nº 32: Análisis de costo unitario de la partida: Sellado de juntas con material

elastoméricos ................................................................................................................ 152

ANEXO Nº 33: ACU de Pavimento de concreto con 6% y 1 000 000 de ESAL. ...... 152

ANEXO Nº 34: ACU de Pavimento Poroso con 6% y 1 000 000 de ESAL. .............. 153

ANEXO Nº 35: ACU de Pavimento Flexible con 10% y 1 000 000 de ESAL. .......... 154

ANEXO Nº 36: ACU de Pavimento de Concreto con 10% y 1 000 000 de ESAL..... 155

ANEXO Nº 37: ACU de Pavimento Poroso con 10% y 1 000 000 de ESAL ............ 156

VIII

ANEXO Nº 38: ACU de Pavimento Flexible con 20% y 1 000 000 de ESAL ........... 156


ANEXO Nº 40: ACU de Pavimento Poroso con 20% y 1 000 000 de ESAL ............ 158

ANEXO Nº 41: ACU de Pavimento Flexible con 6% y 5 000 000 de ESAL ............. 158

ANEXO Nº 42: ACU de Pavimento de Concreto con 6% y 5 000 000 de ESAL...... 159

ANEXO Nº 43: ACU de Pavimento Poroso con 6% y 5 000 000 de ESAL ............... 160



ANEXO Nº 46: ACU de Pavimento Poroso con 10% y 5 000 000 de ESAL ............. 162







ANEXO Nº 53: ACU de Pavimento Flexible con 10% y 10 000 000 de ESAL ......... 167

ANEXO Nº 54: ACU de Pavimento de Concreto con 10% y 10 000 000 de ESAL... 167

ANEXO Nº 55: ACU de Pavimento Poroso con 10% y 10 000 000 de ESAL ........... 168


ANEXO Nº 57: ACU de Pavimento de Concreto con 20% y 10 000 000 de ESAL... 169


1

INTRODUCCIÓN

El ruido es uno de los problemas ambientales que se ha incrementado significativamente

en los últimos años. La magnitud que se atribuye al ruido crece a medida que la población

aumenta, ya que las fuentes generadoras de ruido son principalmente las actividades

cotidianas de las personas. Por ejemplo, actividades de ocio, las actividades industriales,

grandes vías de comunicación y los medios de transporte urbanos. Es precisamente este

ultimo la principal fuente de ruido.

El ruido generado por los medios de transporte también es conocido como ruido

vehicular. A este tipo de ruido no se le ha prestado atención en los países en vías de

desarrollo, pese a que se conoce que puede ocasionar daños a las personas.

La combinación de sonidos que generan sensaciones molestas, desagradables e

indeseables es conocida como ruido. La exposición a ello puede ocasionar daños en las

en la salud de las personas. (World Health Organization, 2011).

La contribución más importante a la contaminación acústica en zonas urbanas e incluso

en zonas rurales procede del tráfico diario. Por ello, se están realizando grandes esfuerzos

para proteger a la población del ruido que este medio de transporte genera.

La fuente principal generadora de ruido de un vehículo de forma aislada procede de la

interacción neumático/pavimento, en un intervalo de velocidades que va de

aproximadamente 30 - 50 Km/h hasta por encima de los 130 Km/h. A este tipo de ruido,

también denominado de rodadura depende directamente de la velocidad del vehículo, la

superficie de la vía y el neumático del vehículo. Desde hace algunos años, el sector

transporte viene aportando adelantos tecnológicos en el campo con fines más silenciosos.

Se están desarrollando nuevos tipos de pavimentos con bajo impacto acústico sobre el

medio ambiente. (Vázquez et al., 2018)

Tradicionalmente, la elección del tipo de pavimento se ha basado en la seguridad y la

durabilidad; ahora bien, cada vez más, el comportamiento acústico está siendo un factor

para considerar en la construcción de la carretera o en la rehabilitación de la capa de

rodadura.

2

Realidad problemática

La contaminación sonora causada por el ruido vehicular se ha constituido una

problemática ambiental afectando principalmente a los países en vías de desarrollo y al

cual se le ha prestado poca atención por parecer un tema trivial e intrascendente. Sin

embargo, en la actualidad se presenta un crecimiento exponencial de la población y con

eso el aumento sustancial del parque automotriz agravando el problema de la

contaminación acústica (Ramírez et al., 2015).

Según algunos estudios que se han hecho en la Unión Europea, existen en el mundo 80

millones de personas que están expuestos diariamente a niveles de ruido ambientales que

están por encima de los 65 decibeles (dB), mientras que hay otros 170 millones que viven

en niveles entre 55-65 dB (Amable et al., 2017).

Asimismo, las fuentes de ruido originadas por un vehículo se pueden clasificar en: Ruido

de origen mecánico, ruido de rodadura (neumático - calzada) y ruido de origen

aerodinámico. De estos factores, el ruido por la interacción de las llantas de los vehículos

con el pavimento se ha incrementado significativamente afectando el confort del

conductor y perjudicando la calidad de vida y salud de personas aledañas a las vías. Este

tipo de ruido depende directamente de la velocidad del vehículo, la superficie de la vía y

el neumático del vehículo. Por ejemplo, un estudio realizado en la ciudad de Cádiz

demostró que esta relación neumático-pavimento puede sufrir incrementos de niveles

ruido. Para esta prueba se evaluó la textura superficial de la capa de rodadura, la cual es

responsable del aumento del ruido por la interacción neumático-calzada. De esta manera,

se utilizó un equipo compuesto por un perfilómetro láser para el registro del perfil

longitudinal de la carretera y la determinación de parámetros de caracterización

superficial de la misma como la MPD (Mean Profile Depth; caracterización de la macro

textura) (Vázquez et al., 2018).

3

Figura 1. Nivel de ruido medida en una longitud representativa de pavimento. Adaptado de «Evolución

del ruido neumático/pavimento en ciudad real», por Vázquez et al., 2018.

En la Figura 1 se aprecia que los niveles de ruido se incrementan con el paso del

tiempo. En la gráfica se aprecia que entre los años 2013 y 2015 el ruido se ha

incrementado entre 0.7 y 3.0 dB. Esto demuestra que también el paso del tiempo

puede incrementar los índices de ruido por influencia de las condiciones de la vía.

Los principales efectos dañinos que afectan a la integridad humana que causa la

contaminación sonora, son (Ministerio de Salud Publica, 2015):

Efectos auditivos: tinnitus, dolor y fatiga auditiva.

Perturbar el sueño

Causar problemas cardiovasculares y efectos psicofisiológicos,

Reducir el rendimiento y provocar reacciones molestas

Cambios en el comportamiento social

Figura 2. Intensidad sonora y los problemas que genera. Adaptado de «Evolución del ruido

neumático/pavimento en ciudad real», por (Ministerio de Salud Publica, 2015)

4

En la Figura 2 nos indica las intensidades (dB) que genera una actividad usual y

los efectos que estos producen. Como se observa, el ruido por el tráfico se

encuentra por encima del máximo permisible; por lo que, se necesita una especial

atención para mitigar este problema.

Para el caso de la ciudad de Lima, el Organismo de Evaluación y Fiscalización Ambiental

(OEFA, 2016) realizó un estudio donde indica que el 90.2% de los 250 puntos medidos

a lo largo de Lima y Callao exceden los estándares de calidad ambiental de ruido.

Además, se identificaron los valores máximos permisibles de presión sonora según la

zona en estudio.

Tabla 1. Valores máximos permisibles según la zona de aplicación y la zona horaria

Adaptado de «Cartilla la contaminación sonora lima y callao», por OEFA, 2016.

En la Tabla 1 se muestran valores máximos, medidas en decibeles (dB), según el

horario y aplicadas en diferentes zonas. En un ámbito residencial el valor

permisible en la noche es de tan solo 50 dB, donde cuyo valor asegura

salvaguardar la tranquilidad de las personas y evitar daños a mediano y largo

plazo.

Para el caso específico del distrito de SAN BORJA, perteneciente a los sectores

estudiados por la OEFA, se realizó un estudio en el distrito en mención evaluando el nivel

de ruido nocturno entre las 22:00hrs y 0:00hrs. Con esto, se desarrolló un mapa de ruido

para identificar las potenciales zonas con mayor contaminación sonora (Jara, 2016):

5

Figura 3. Mapa de ruido del distrito de San Borja. Adaptado de «Relación entre la percepción del ruido

ambiental y los niveles de presión sonora en horario nocturno San Borja», por Jara, 2016.

En la Figura 3 se muestra un mapa de ruido para el distrito de San Borja. Las zonas

rojas indican intensidades de ruido entre 60 y 72.2 dB, mientras que las zonas

verdes los valores oscilan entre 46.1 y 60dB.

Según lo mostrado anteriormente, se observa que la avenida San Luis es la más afectada

por el ruido vehicular dado que presenta zonas de influencia directa, tales como el “Centro

de salud San Borja”, el Nido “Pintando un mañana”, el colegio “Santísima Niña Maria”

y principalmente por ser una “Zona Residencial”. Esto altera la tranquilidad de las

personas aumentando las posibilidades de presentar los problemas antes mencionados.

Asimismo, en base a las encuestas realizadas para determinar el mapa de ruido se

determinó cuáles eran las principales fuentes de ruido.

Tabla 2. Ruido que más molesta a partir de las diez de la noche, según la zona de aplicación y la zona

horaria

Adaptado de «Relación entre la percepción del ruido ambiental y los niveles de presión sonora en horario

nocturno San Borja », por Jara, 2016.

6

En la Tabla 2 se demuestra que el principal factor de ruido es el tránsito vehicular

generando niveles mayores a 60dB con un porcentaje de influencia cerca del 28%,

siendo este el problema más importante que se debe solucionar.

Formulación del problema

¿Cómo disminuir el ruido excesivo generado por la interacción del neumático y la

calzada?

La interrogante anterior se formuló debido a que, existe un problema latente de

contaminación acústica causado por los vehículos cuando existe una interacción del

neumático y la calzada (pavimento). Esta hipótesis queda reforzada por la Organización

Mundial de la Salud, donde menciona que, “una de cada tres personas es molestado

durante el día y uno de cada cinco ha perturbado su sueño por la noche debido al ruido de

tráfico” (World Health Organization, 2011). Por lo tanto, resulta evidente buscar una

manera de aminorar y/o contrarrestar el efecto que tiene el sonido del neumático en los

pavimentos.

Justificación

Se abordará este problema a partir de estudios e investigaciones similares a nuestra

propuesta de innovación acerca de soluciones para minimizar el efecto del ruido teniendo

en consideración la adecuada gestión del costo/beneficio y el de cuidar nuestro

medioambiente. La propuesta de solución de un concreto poroso con adición de fibra de

polipropileno pretende reducir los costos iniciales de proyectos similares aplicando

asfalto convencional y generar satisfacción en la población cercana al proyecto, ya que se

disminuirá el ruido y todas las consecuencias que conlleva este problema. Inclusive, este

concreto especial, al tener vacíos en su estructura, puede aliviar la escorrentía superficial

urbana ante las precipitaciones de lluvias en las épocas de invierno.

La importancia de esta presente investigación resulta de la problemática ya descrita, pero

también se busca una forma innovadora de aprovechar las propiedades acústicas del

concreto poroso adicionado con fibra de polipropileno teniendo en cuenta el proceso de

un concreto convencional y en base a pruebas adicionales poder justificar que este

material puede cumplir con los requerimientos para el diseño de pavimentos que puedan

mitigar el ruido de la rodadura.

7

Estado del arte

El problema del tráfico se ha venido incrementado sustancialmente en todo el mundo.

Debido a ello, existen diversas investigaciones acerca de cómo reducir el ruido, en

especial el ruido generado por la interacción del neumático y la calzada. De esta manera

se cree que un concreto poroso podría reducir niveles altos de ruido.

En primer lugar, existen estudios científicos que explican sobre las propiedades acústicas

de un pavimento poroso. Según, Chu, Fwa, & Tan (2017) y N. Flores, Flores, &

Hernández (2016) determinaron el coeficiente de absorción de ruido en las mezclas

porosas con el fin de disminuir el ruido ocasionado por el neumático y la calzada logrando

resultados de reducción entre 23 y 33%. Ambos estudios utilizaron ensayos del tubo de

impedancia de laboratorio normalizados para evaluar sus propiedades acústicas. Sin

embargo, Carbajo et al., (2015) implementaron modelos matemáticos predictivos de

Horoshenkov y Swift para evaluar las propiedades acústicas para luego compararlo con

los ensayos de laboratorio y calcular el grado de confiabilidad del modelo. Los resultados

obtenidos fueron bastante óptimos, excepto que para frecuencias mayores a 1800Hz

donde se muestran ciertas discrepancias con el modelo matemático.

En segundo lugar, existen investigaciones que han encontrado casos estudios de

materiales porosos usados en los pavimentos como reductores del ruido de rodadura.

Liu, Huang, & Xue (2016) realizaron estudios en pavimentos asfálticos porosos de doble

capa las cuales evaluaron sus efectos para la reducción de ruidos. El estudio consistió en

un modelado de una masa de aire que se hace vibrar con diferentes resistencias y midiendo

el ruido de salida; ruido de resistencia al flujo que hace referencia a la relación de presión

de aire sobre la velocidad de flujo que pasa sobre el material del pavimento. De estas

pruebas se determinó que el pavimento permite reducir el ruido en 1.5% cuando el

vehículo se mueve a una velocidad que oscila entre 50 y 60 km/h; sin embargo, cuando

aumentamos la velocidad a 100 km/h el ruido solo de disminuye 0.8%.

Del mismo modo, Gardziejczyk (2016) realizaron estudios con el fin de encontrar

concretos porosos que permitan reducir el ruido ocasionado por el neumático y la calzada

en las ciudades polacas. Para ello evaluaron distintos tipos de superficie de rodadura

usadas para pavimentos. En el estudio se analizaron los niveles máximos de presión

acústica ponderada de los automóviles que circulaban con velocidades de entre 40 y 80

km/h. De estas velocidades se consideró 60 km/h para los ensayos acústicos y se obtuvo

8

como resultado un buen comportamiento en superficies conformadas por PAC8 (Asfalto

poroso con un tamaño máximo agregado 8mm).

En tercer lugar, existen estudios científicos que explican sobre la durabilidad del concreto

poroso. Según, Zhong & Wille (2018), Afonso, Dinis-Almeida, & Fael (2017) y Kia,

Wong, & Cheeseman (2018) incorporaron adiciones como fibras a las mezclas de asfalto

y construyeron un doble capa porosa con el fin de mejorar la escorrentía superficial y

reducir el problema de obstrucción. Además, compararon mediante pruebas

estandarizadas de laboratorio, con el asfalto convencional y evaluar cuales son las

principales diferencias, así como también determinar el grado de aporte de este material

innovador y ecológico.

Figura 4. Efecto de la fibra en la durabilidad del PC. Adaptado de «Influence of matrix and pore system

characteristics on the durability of pervious concrete », por Zhong & Wille, 2018

En la Figura 4 se infiere que la mezcla UHSM presenta un mejor comportamiento

de durabilidad frente a los 300 ciclos de hielo y deshielos a los cuales fueron

sometidos. La mezcla en mención presenta la relación agua cemento más baja

(w/c), lo cual significa que es las más resistente entre todas las mezclas. Por lo

tanto, la fibra se comporta mejor para diseños con alta resistencia y w/c bajos.

Finalmente, se han encontrado investigaciones sobre el mejoramiento de las propiedades

mecánicas del concreto poroso en base de adiciones. Por ejemplo, Sadiqul & Gupta

(2016) plantean que las propiedades mecánicas de concreto se pueden mejorar con la

adición de fibras de polipropileno. Para ello, se realizó una serie de pruebas de distintos

diseños que se diferencian por el contenido de fibra y se comprobó que benefician tales

propiedades cuando se agrega hasta aproximadamente 0.25% de fibra, caso contrario si

se añade más la resistencia a la tracción tiende a reducir y verse reflejada más baja del

concreto control. Asimismo, Xu et al. (2018) explican que el concreto poroso podría ser

9

implementado en los pavimentos si tuviera mayor resistencia. Para este proceso en la

investigación se evalúa el concreto adicionado mediante ensayos de los cuales se

determinó que una muestra preparadas con un 15% de agregado fino adicional

representan 29-48% de resistencia a la compresión más que aquellos preparados solo con

agregado grueso en cada tiempo de curado.

Hipótesis

El concreto poroso con fibra de polipropileno permite reducir la contaminación sonora

causada por la interacción del neumático y la calzada en la avenida San Luis, distrito de

San Borja.

La incorporación de fibras de polipropileno permite lograr un mayor coeficiente de

absorción acústica en el concreto poroso.

Se puede implementar un método de simulación numérica para el cálculo teórico del

coeficiente máximo de absorción acústica.

La adición del 5% de arena no afecta la porosidad y mejora las propiedades mecánicas

del concreto poroso.

Objetivos

Objetivo General

Elaborar un concreto poroso con fibra de polipropileno como alternativa

para reducir la contaminación sonora causada por la interacción del

neumático y la calzada aplicado en la avenida San Luis, distrito de San

Borja.

Objetivos Específicos

Determinar el Módulo de Fineza de los agregados, el Tamaño Máximo

Nominal de la piedra chancada y curva granulométrica para ambos

agregados. Así, verificar que estos cumplan con las especificaciones

técnicas de la norma ASTM C-33 y pueda ser usado en el diseño de

mezcla propuesto.

Realizar el diseño de un concreto poroso con adición de fibras de

polipropileno, en base a las dosificaciones indicadas por el ACI 522R-10,

empleando porcentajes de vacíos entre 15 – 25%, relación agua cemento

10

(a/c) entre 0.24 – 0.40, piedra confitillo de HUSO 8, piedra HUSO 67 y

arena en 5%.

Evaluar las propiedades en estado fresco (ASTM C1688) y endurecido

(ASTM C1754 y ACI 522R) del concreto poroso con fibras de

polipropileno para garantizar la vida útil y buen desempeño de un

pavimento rígido.

Determinar el coeficiente de absorción acústica del concreto poroso

adicionado con fibra de polipropileno mediante un modelo matemático

microestructural propuesto por Neithalath y verificar que el parámetro sea

cercano al valor de la unidad.

Evaluar el costo beneficio de la aplicación de este concreto especial

mediante un análisis económico para determinar la viabilidad en la

aplicación del concreto poroso con adición de fibras de polipropileno en

vías urbanas de Lima.

Alcances y limitaciones

Alcances

Disminuir el problema del ruido causado por la interacción del neumático y la

calzada mediante el concreto poroso con adición de fibra de polipropileno.

Mejorar propiedades físico-mecánicas del concreto poroso aplicado como

pavimento rígido.

Simular la absorción del ruido mediante un modelo matemático.

Obtener menores costos iniciales del concreto poroso, respecto al concreto

tradicional.

Limitaciones

Aplicar in situ la investigación. Es decir, construir el pavimento poroso en la

Av. San Luis en San Borja, pues esta es una obra pública y no se tiene los

permisos necesarios.

Comprobar la durabilidad del concreto a largo plazo. Es decir, no se logra

precisar con exactitud el grado de viabilidad del proyecto pasado un periodo

de 10 años.

Reducir 100% el ruido causado por los vehículos en el caso de estudio.

11

Diseño de la subbase granular de un pavimento rígido, ya que solo nos

centramos en el diseño de la superficie de rodadura.

Descripción del contenido

El presente proyecto de tesis está formado básicamente por seis capítulos:

Capítulo I: Contiene el Marco Teórico, aclarando los conceptos básicos

utilizados en la formulación del título, teniendo como principal constituyente al

concreto poroso y su influencia en la reducción del ruido.

Capítulo II: Contiene la metodología empleada, donde la investigación será del

tipo cuantitativo – experimental, ya que primero se realizarán muestras en el

laboratorio para luego medir rendimiento acústico mediante el modelo

matemático microestructural propuesta por Neithalath.

Capítulo III: Contiene un plan experimental de los materiales y métodos usados

en la investigación. Aquí se explica que materiales se usaron en la mezcla, los

diseños de mezcla elaborados, los ensayos tanto para concreto fresco y

endurecido.

Capítulo IV: Contiene la presentación y análisis de resultados, donde se muestran

los valores numéricos y gráficos de lo ensayado en el capítulo III, así como la

explicación de cada cálculo.

Capítulo V: Contiene la explicación detallada del método numérico utilizado, las

consideraciones adoptadas y los análisis de resultados mostrando las principales

tablas y gráficas.

Capítulo VI: Contiene un análisis económico comparativo entre el concreto

poroso con fibras de polipropileno y la superficie de rodadura más usada

actualmente en el Perú.

Finalmente, se describirán las principales conclusiones y recomendaciones obtenidas

durante esta investigación.

12

CAPÍTULO I: MARCO TEÓRICO

En el presente capítulo se desarrollarán los diferentes conceptos a tener en cuenta para el

adecuado entendimiento de la presente investigación. En primer lugar, se explicarán los

conceptos básicos de un pavimento, en la cual se detallará la teoría que abarca un

pavimento de concreto rígido convencional y un pavimento rígido de concreto poroso.

Asimismo, se describirá la teoría que explica la contaminación sonora, por ejemplo: La

diferencia entre ruido y sonido, las fuentes de ruido del tipo vehicular y el ruido generado

por la interacción de la superficie de rodadura y el neumático. En segundo lugar, se

detallarán la concepción del diseño de un concreto poroso con fibras. En esta parte, se

busca explicar los materiales y ensayos que abarca el proceso de elaboración de un

concreto poroso con fibras de polipropileno. Asimismo, se busca justificar los procesos

empleados durante la investigación mediante ensayos normalizados por la American

Society for Testing and Materials (ASTM) y la Norma Técnica Peruana (NTP).

Finalmente, se explicará la concepción del comportamiento acústico del concreto poroso

con fibra. Es decir, se detallarán los métodos para la evaluación acústica del concreto, los

cuales pueden realizarse mediante ensayos o aplicando conceptos de simulación

numérica.

1.1. Pavimento rígido de concreto convencional

El pavimento rígido es de concreto simple, apoyado sobre la subbase. Este debido a

su elevado módulo de elasticidad y buena distribución de esfuerzos del neumático –

pavimento reduce significativamente las tensiones en la subrasante. Sin embargo, el

pavimento flexible presenta menos rigidez, por lo cual los esfuerzos generados a las capas

inferiores (base y subbase) son mayores. (Bernaola, 2014).

1.1.1. Ventajas y limitaciones

Las principales ventajas y limitaciones según Esquerre & Silva (2019) son las siguientes:

Tabla 3. Ventajas y limitaciones del pavimento rígido

VENTAJAS DESVENTAJAS

Mayor vida útil (mínima de 30 años). Mayor costo inicial

Resiste ataques químicos (Aceites, grasas,

combustibles).

Existe una menor fricción en la superficie

de rodadura

13

Mayores resistencias mecánica y a la

abrasión; La resistencia mecánica de los

materiales aumenta con la edad.

Los deterioros que usualmente sufren es el

agrietamiento por fatiga, escalamiento

entre losas y los desprendimientos de

bloque

Estructuras menores de pavimentación

(no más de dos capas).

Se crea discontinuidad en la capa de

rodadura, conocidas como juntas.

Adaptado de « Propuesta de diseño de pavimento drenante para la captación de agua de lluvias en zonas

urbanas del norte del Perú», por Esquerre & Silva, 2019.

1.2. Pavimento rígido de concreto poroso

El concreto poroso o concreto drenante, es definido como un concreto con revenimiento

cero con alto grado de porosidad, y con una relación de vacíos alta; compuesto por

cemento portland, agregado grueso, poco o nada de agregado fino y agua. La combinación

de estos ingredientes producirá un material endurecido con poros conectados, que varía

de tamaño de 2 a 8 mm, lo cual permite que el agua pase fácilmente a través de él (ACI-

552R, 2010).

1.2.1. Ventajas y limitaciones

Tabla 4. Principales ventajas y desventajas del concreto poroso

VENTAJAS DESVENTAJAS

Absorción acústica Uso limitado para zonas de tráfico de

vehículos pesados

Controla la escorrentía de aguas de lluvia. Posee una menor resistencia al desgaste que

el concreto convencional

Menor costo de materiales, construcción y

mantenimiento Tiempo de curado extendido

NO genera islas de calor como el asfalto y

concreto hidráulico

Adaptado de «Diseño de mezcla de concreto permeable con adición de tiras de plástico para pavimentos

f’c 175 kg/cm2 en la ciudad de puno», por C. Flores & Pacompia 2015.

En la Tabla 4 se observan las principales ventajas y desventajas del concreto

poroso. Unos de los beneficios de este concreto especial es que tiene la capacidad

de absorber el ruido. Por lo que, puede ser usado como protector acústico en

14

carreteras, reduciendo la intensidad de las ondas sonoras producidas por el

contacto entre el neumático y el pavimento.

1.3. Pavimento de concreto poroso y la importancia en la acústica

Debido a la presencia de un gran volumen de poros interconectados de tamaño

considerable en el material, el concreto poroso es muy eficaz en la absorción acústica. El

material puede ser empleado como un medio para reducir el ruido generado por la

interacción de los neumáticos sobre el pavimento. La reducción de ruido se produce

debido a la combinación de la generación de ruido reducido y una mayor absorción

acústica. Los pavimentos porosos alteran la generación de ruido, reduciendo al mínimo

el aire de bombeo entre el neumático y la superficie de la carretera. Además, los poros

absorben el ruido a través de la fricción interna entre las moléculas de aire que se mueve

y las paredes de los poros (Torres & Candelas, 2010).

El coeficiente de absorción “α” es una medida de la capacidad de un material de para

absorber el ruido. Un material con un coeficiente de absorción de 1,0 indica un material

puramente absorbente, mientras que un material con un coeficiente de absorción de 0

indica que el material es puramente reflectante. El concreto convencional, por ejemplo,

tiene típicamente un coeficiente de absorción de 0,03 a 0,05 mientras que el concreto

poroso tiene típicamente un intervalo de absorción de 0,1 (para mezclas con mal

desempeño) a casi 1,0 (para mezclas con volumen óptimo de poros) (C. Flores &

Pacompia, 2015b).

1.4. Concepción de diseño del concreto poroso

1.4.1. Materiales

1.4.1.1. Agregado grueso

El agregado grueso, también llamado comúnmente piedra chancada cumple un rol

importante dentro de la mezcla del concreto poroso, pues define el grado de

permeabilidad. El agregado grueso deberá reunir los requerimientos de tamaño y

gradación definidos por ASTM C 33 y ACI 522R donde menciona que el tamaño máximo

nominal del agregado grueso generalmente es de 3/4” a 3/8” de pulgada. Tamaños de

agregados mayores pueden incrementar la porosidad, pero puede disminuir la

trabajabilidad. Los usos de agregados más comunes a utilizar en los pavimentos de

concreto drenante, serán entre HUSO 67 y HUSO 8. Deberá evitarse usar agregados bien

15

graduados, ya que reducen la porosidad, y pueden no proveer un adecuado contenido de

vacíos (Esquerre & Silva, 2019).

1.4.1.2. Agregado fino

El agregado fino puede ser arena natural, arena manufacturada, o una combinación de

ambas. Asimismo, debe cumplir con la Norma ASTM C-33 y se recomienda no exceder

el 10% del total de la mezcla.

El agregado fino no debe tener más de 45% de porcentaje que pase cualquier tamiz y

retenido en el tamiz próximo siguiente.(Pasan el tamiz 3/8 y quedan retenidos en el tamiz

N°200), y su módulo de finura no debe ser menor que 2.30 ni mayor que 3.10 (ASTM C

33, 2007).

1.4.1.3. Cemento

El cemento permitirá la adhesión de los agregados y asimismo luego de reaccionar con el

agua, pasará por un proceso de fraguado brindando las propiedades mecánicas al

concreto. El cemento comercial utilizado en el Perú es el cemento Portland y deberá

cumplir con las especificaciones de la ASTM C150 (C. Flores & Pacompia, 2015a).

1.4.1.4. Agua

El agua, desempeña un papel importante, hidratar al cemento Portland, por medio de

reacciones químicas y, por tanto, las impurezas del agua pueden interferir en su función

en el concreto, como tener problemas de fraguado, inestabilidad del volumen y reducir la

durabilidad (Cabello et al., 2015a).

El concreto poroso deberá ser proporcionado con una relativa baja relación agua/material

cementante (a/mc) (típicamente 0.27 a 0.40) porque una cantidad de agua en exceso

producirá que la pasta fluya y selle el sistema de poros.

El agua empleada en la obtención del concreto convencional debe ser potable y cumplir

con la norma ASTM D-1293. Asimismo, de acuerdo a las exigencias, esta debe estar

exento de aceites, materia orgánica, grasas, etc. Si el agua es apta para el consumo

humano, es apta para la preparación del concreto. (Vigil, 2012).

1.4.1.5. Características físicas de la fibra de polipropileno

Es una fibra multifilamento de polipropileno diseñada para ser mezclada con concretos y

morteros con el fin de aumentar su durabilidad y evitar la fisuración. La fibra

16

copolimérica es de tipo monofilamento, no fibrilada, totalmente orientada, con un perfil

que permite anclarla a la matriz cementicia (Mendoza & Aire, 2011).

Se utilizan añadiéndose al hormigón o mortero, para mejorar las características siguientes:

Resistencia a la fisuración.

Resistencia al impacto

Resistencia a flexo tracción

Resistencia a la abrasión.

Figura 5. Clasificación de fibras. Adaptado de «Pavimentos rígidos reforzados con fibras de acero versus

pavimentos tradicionales», por Montalvo, 2015.

En la Figura 5 se presentan las principales clasificaciones de las fibras de refuerzo

para el concreto. En nuestro caso, se usará una fibra de polipropileno que es un

material polimérico del tipo sintético.

En la siguiente tabla se presentan las propiedades de la fibra sintética a emplear en la

investigación:

17

Tabla 5. Propiedades de la fibra

Adaptado de « Pavimentos rígidos reforzados con fibras de acero versus pavimentos tradicionales », por

Montalvo, 2015.

1.4.1.6. Fibra de polipropileno y su influencia en la absorción acústica

La energía acústica incidente se transforma en energía calorífica debido al rozamiento

interno del aire que pasa a través de las fibras entrecruzadas y comprimidas presentes en

los materiales fibrosos (Juliá, 2008).

Entonces, la utilización de la fibra de polipropileno no solo contribuye a mejorar las

propiedades mecánicas del concreto poroso, sino que también cumple un rol importante

en la acústica. Pues permite que las ondas de ruido transmitidas del exterior pierdan

energía rápidamente debido a la fuerte conexión de la fibra con los agregados en el

concreto poroso.

1.4.1.7. La fibra de polipropileno y su relación con la durabilidad de

los pavimentos porosos

La durabilidad del concreto poroso se refiere a la vida útil bajo las condiciones

ambientales dadas. Los efectos físicos que influyen negativamente en la durabilidad del

concreto incluyen la exposición a temperaturas extremas y los productos químicos, tales

como sulfatos y ácidos. La influencia de la fibra de polipropileno resulta conveniente para

mejorar la durabilidad si se dosifica en un 0.35% del volumen total, reduciendo en gran

medida las grietas generadas por condiciones ambientales extremas, como los ciclos de

congelamiento y deshielo Zhong & Wille (2018).

18

1.4.1.8. Aditivos

Para el concreto poroso los aditivos deben tener la garantía de la empresa encargada de

la producción de aditivo. Los aditivos químicos reductores de agua, retardantes y

acelerantes están regulados por las especificaciones de la Norma ASTM C 494 - 08, para

aditivos incorporadores de aire la Norma ASTM C 260 – 08 y para superplastificantes la

Norma ASTM C 1017 - 08.

En la elaboración del concreto poroso se utilizarán los siguientes aditivos de acuerdo las

ventajas y beneficio durante su dosificación.

Aditivos reductores de agua de medio y alto rango

Dado que el concreto poroso requiere de relaciones agua/material cementante

bajas (entre 0,25 y 0,40), es necesaria la ayuda de aditivos reductores de agua de

medio y alto rango.

Aditivos modificadores de reología

Las mezclas de concreto poroso tienden a que la pasta de cemento se vaya al

fondo; el efecto de estos aditivos hace que la pasta quede adherida a la superficie

de los agregados, ayudando a mantener la integridad de la estructura de vacíos y

a la vez un concreto más manejable.

Aditivos de control de hidratación

El concreto poroso tiene un bajo contenido de agua y una alta estructura de vacíos.

Estos factores determinan las condiciones para tener más acceso a la pasta de

cemento y algunas veces las partículas de cemento tienden a hidratarse muy

rápido, acortando el tiempo de colocación.

De esta forma, la presencia de vacíos en el concreto poroso en el principal factor para el

uso de estos aditivos con el fin de cumplir con los requisitos de diseño.

1.4.2. Elaboración de mezclas y probetas en laboratorio

1.4.2.1. Protocolo de mezclado

El mezclado debe efectuarse por lo menos durante 90 segundos (01 minuto y medio)

después de que todos los materiales estén dentro del tambor, a menos que se demuestre

19

que en tiempo menor es satisfactorio mediante ensayos de uniformidad de mezclado,

según “Standard Specification for Ready-Mixed Concrete” (ASTM C 94M).

Como se puede observar en la Figura 6, los tiempos de mezclados menores a 90 segundos

traen como consecuencia pérdida de resistencia del concreto ya endurecido y una mezcla

heterogénea, justamente lo que no se desea en el concreto (sencico, 2014).

Figura 6. Efecto del tiempo de mezclado en la calidad del concreto. Adaptado de «Manual de

preparación, colocación y cuidados del concreto», por (sencico, 2014)

1.4.2.2. Moldeado de probetas

Estos procesos serán realizados bajo la norma ASTM C-31/NTP 339.033. Estas normas

tienen como objetivo brindar la información necesaria para la elaboración y curado de

probetas cilíndricas paras su posterior rotura.

Para la investigación se utilizarán probetas cilíndricas metálicas, normalizadas de 4”x8”

de diámetro y altura respectivamente, fabricados con planchas de ¼” de espesor.

La muestra mínima que se debe obtener para la elaboración de probetas no debe ser

menor a 30 litros o 1pie3, la muestra debe ser moldeada sin exceder los 15 minutos desde

la última obtención de la muestra hasta el inicio de la elaboración de la probeta.

Luego de seguir los procedimientos indicados para la ASTM C-31/ NTP 339.033, las

muestras deben ser colocadas en lugares libre de vibraciones, que no entorpezca el

tránsito vehicular y peatonal, protegido de la lluvia y de la evaporación excesiva

(protegerlo del sol) (NTP 339.033, 2009).

20

1.4.2.3. Curado de probetas

Luego de elaboradas las muestras serán protegidas del viento y del sol o de toda otra causa

que pueda perturbar el hormigón.

La primera parte del curado se debe realizar a una temperatura de 16 °C a 27°C por

espacio de 16 a 32 horas, desmoldar la probeta dentro del lapso indicado, identificar con

fecha de vaciado, resistencia, elemento al que pertenece o cualquier otro dato que se crea

importante.

Dentro de la media hora que ha sido desmoldado se debe llevar a mano a la posa de curado

(solución saturada a razón de 2 g de cal hidratada por 1 litro de agua, temperatura de

curado 23 °C +2°C) hasta el día de rotura. (NTP 339.033, 2009).

1.4.3. Propiedades en estado fresco

El diseño de un concreto debe permitir ser colocado y compactado apropiadamente con

el equipamiento disponible. El acabado que se logra debe ser el requerido y la segregación

y exudación deben ser minimizados.

1.4.3.1. Determinación de la consistencia mediante el cono de Abrams

La siguiente propiedad es determinada por el ensayo de consistencia de la mezcla

mediante el cono de Abrams. Este ensayo se realiza bajo la norma ASTM C-143.

Asimismo, una de las características del concreto es tener revenimiento o slump cero (0”),

el cual se verifica mediante el ensayo de consistencia.

La prueba se realiza para determinar la consistencia o fluidez de una mezcla del concreto

en estado fresco la consistencia no es sinónimo de trabajabilidad, viene a ser la fluidez de

la mezcla como consecuencia del agua que contiene (ASTM C143, 2007).

1.4.3.2. Densidad

Mediante ensayos efectuados se ha verificado que el concreto poroso presenta valores de

densidad inferiores al concreto convencional. De esta manera, la densidad del concreto

convencional se encuentra entre los intervalos de 2200-2400 kg/m3 mientras el concreto

poroso presenta rangos de 1600 a 2000 kg/m3 según refiere el ACI 522R-10. De otro

modo, en esto últimos años se han desarrollado concretos con valores superiores algo

rango antes mencionado. Estas investigaciones demostraron que se podía alcanzar

21

mayores densidades sin perder la característica de ser porosos mediante adiciones al

concreto. (Pérez Gordillo, 2017)

1.4.3.3. Peso unitario

Este ensayo será realizado bajo las especificaciones señaladas por las Norma ASTM C-

138/ NTP 339.049. Este ensayo se realiza para determinar el peso del concreto fresco en

1m3, con fines de verificación del rendimiento del concreto diseñado.

Para fines de cálculo, determinar el volumen del recipiente en m3 o determinar su

constante de acuerdo con la norma ASTM C-29. Colocar el molde el molde en una

superficie plana y libre de vibraciones (NTP 339.049, 2009).

1.4.3.4. Tiempo de fragua

El tiempo de fraguado es el periodo que tarda el concreto es llegar al estado endurecido.

Este proceso ocurre debido a las reacciones químicas del cemento y el agua, los cuales,

mediante diferentes velocidades de reacción, generan calor y dan origen a nuevos

compuestos. Este tiempo permite la colocación, acabado del concreto y concluirá hasta

que este alcance cierta resistencia (Gabalec & Barreda, 2008).

1.4.4. Propiedades en estado endurecido

1.4.4.1. Resistencia a la flexión

La resistencia a flexión o el módulo de ruptura (rotura) se usa en el diseño de pavimentos

y se determina de acuerdo con la norma ASTM C78. La resistencia a la flexión en

concretos porosos generalmente se encuentra en el rango de 10.5 kg/cm2 y 40.0 kg/cm2.

Existen varios factores que influyen en la resistencia a la flexión, principalmente el grado

de compactación, porosidad, y la proporción agregado-cemento (Perez, 2009).

22

Figura 7. Relación entre la resistencia a la compresión y flexión. Adaptado de « Report on Pervious

Concrete, American Concrete Institute », por ACI-552R, 2010.

En la Figura 7 se observa una relación directa entre la resistencia a la compresión

y la flexión, donde generalmente este es representado como un porcentaje de la

compresión. Se ha demostrado que el concreto poroso presenta relaciones

mayores de flexión (>15%) con respecto a un concreto convencional (<15%).

1.4.4.2. Resistencia a la compresión

La resistencia a la compresión queda definida como la capacidad que tiene un elemento

de resistir una carga axial vertical de aplastamiento. Este se determina de acuerdo con la

norma ASTM C39 o NTP 339.034. La cantidad de agua será un factor importante e

influyente en la resistencia final del concreto, pues una elevada cantidad de este puede

ocasionar exudación o hasta segregación y afectar la muestra (Rivva, 2004).

La resistencia del concreto poroso debería variar entre 70 y 280 kg/cm2 (ACI-552R,

2010).

1.4.4.3. Permeabilidad del concreto poroso

La permeabilidad se define como la propiedad que rige la velocidad de flujo de un fluido

en un sólido poroso. El concepto de permeabilidad se introduce en la ley de Darcy, quien

experimentalmente comprobó que el caudal de agua por unidad de superficie que

atravesaba un sólido poroso era proporcional al gradiente de presión entre las dos caras

del mismo (Bustamante, 2017). El equipo empleado para medir la permeabilidad del

concreto poroso es conocido como permeámetro de carga variables el cual es construido

considerando las sugerencias del ACI 522R-10.

23

Figura 8. Permeámetro de carga variable. Adaptado de «Predicting the Permeability of Pervious Concrete

», por Neithalath & Sumanasooriya, 2010.

1.5. Teoría del ruido de rodadura

1.5.1. Concepto de sonido y ruido

Sonido. – Desde la percepción del oído humano puede ser considero

como la variación de presión que este detecta (Bruel & Kjaer, 2000). La

explicación física dada para este fenómeno es la propagación de ondas

elásticas generalmente a través de un medio. Asimismo, de todas las

ondas mecánicas las más importantes son las ondas longitudinales que

son conocidas como ondas sonoras (Freedman & Young, 2013).

Ruido. – El ruido puede definirse como cualquier sonido que sea

calificado como una sensación desagradable, molesta e indeseable y que

puede ocasionar daños en la salud de las personas expuestas a él.

Este fenómeno físicamente no tiene diferencia entre los conceptos de ruido y sonido, pese

a que la percepción del oído humano marque cierta diferencia. El ruido es una clase de

sonido que se considera no deseado. De esta manera, en la práctica se puede considerar

como energía acústica audible que puede afectar a adversamente de manera fisiológica

como psicológicamente el bienestar de las persona (Rojas, 2016)

24

1.5.2. Fuentes de ruido por el tránsito de vehículos

El ruido originado por los vehículos que circulan por las zonas urbanas varían de acuerdo

a factores como las características del propio vehículo, velocidad, régimen de circulación

y de las características de la rodadura (Echazarreta, 2007).

1.5.2.1. Clasificación de las fuentes sonoras de un vehículo

Existen diversas formas de poder clasifica las fuentes de ruido generadas por los vehículos

y una de ellas es la siguiente:

Ruido de origen mecánico

Este ruido es generado debido a la interacción del motor propulsor otros

elementos mecánicos, los cuales constituyen el vehículo. Por lo general, los

ruidos son detectados cuando el vehículo transita a velocidades bajas. Además,

de ello dependerá de las características de los vehículos, régimen y carga del

motor.

Dentro de esta clasificación los principales componentes generadores de ruido

son el motor, admisión, frenos, tubo de escape, frenos o movimientos de

cargas si se trata de vehículos pesados (Echazarreta, 2007).

Ruido de rodadura

En la generación de este ruido intervienen distintos fenómenos. El primer

punto para considerar son los procesos de deslizamiento y adherencia

sucesivos de los relieves del neumático en las proximidades del punto de

contacto del neumático y la superficie de rodadura. De igual manera, influye

las bolsas de aire aprisionadas entre la calzada y los relieves de los neumáticos.

Asimismo, el ruido radiado por el pavimento debido a la fuerza de contacto

con las llantas.

El ruido producido por estos fenómenos, neumático-calzada, se localiza al

nivel de las superficies de rodadura por lo que este podría absorber o no un

alto porcentaje del ruido (Echazarreta, 2007).

Ruido de origen aerodinámico

Este tipo de ruido es aquel que aparece cuando existen altas velocidades de los

de los vehículos. Este se greña debido a la fricción del aire con la carrocería

25

del vehículo el cual comienza a tener mayor importancia a medida que se

incrementa la velocidad.

Su incremento también dependerá del tipo y forma de la carrocería del

vehículo (Echazarreta, 2007).

1.5.3. Interacción de la superficie de rodadura y el neumático

Los mecanismos de generación de ruido en las llantas son complejos de estudiarlos. Estos

se dividen comúnmente en dos grupos principales según los medios en los que ocurren y

sus efectos. El primero está relacionado con las vibraciones mecánicas del neumático que

depende del tipo de llanta, superficie de carretera y la velocidad del vehículo. El segundo

está relacionado con los fenómenos aerodinámicos producidos por las ranuras de los

neumáticos; es decir, el avance de la llanta comprime el aire, cuando esta impacta el

pavimento, mientras que succiona cuando esta se aleja del suelo, lo cual hace que tanto

llanta como el pavimento vibre (Neithalath, 2004).

Figura 9. Variables que influyen en la generación del ruido. Adaptado de «Development and

characterization of acoustically efficient cementitious materials», por Neithalath, 2004.

A continuación, se describen los principales mecanismos de generación de ruido extraídos

de (Correa, 2013).

Impacto de la banda de rodamiento: A medida que el neumático avanza, el

labrado de la banda de rodamiento y la textura del pavimento tendrán impactos

individuales entre ellos. El ruido resultante puede ser visto como el

proveniente de cientos de pequeños martillos golpeando a una determinada

frecuencia, la cual dependerá de la velocidad del auto.

26

Figura 10. Banda de rodamiento. Adaptado de «Modelo Estimado Para El Ruido Generado Por La

Interacción Llanta-Pavimento», por Correa, 2013a.

Bombeo de aire: La estructura de ruedas del vehículo al estar en contacto con

el pavimento genera espacios llenos de aire, la cual al rodar parte del aire se

pierde, pero otra parte es atrapado y comprimido. Este fenómeno es conocido

como el bombeo de aire, el cual ocurre cientos o miles de veces por segundo

donde el proceso se repite durante el rodamiento del vehículo. Cada instante

de tiempo transcurrido la superficie de las ruedas pierde contacto con el

pavimento y el aire atrapado es expulsado; y en otros casos el aire es

succionado de regreso.

Figura 11. Bombeo de aire. Adaptado de «Modelo Estimado Para El Ruido Generado Por La Interacción

Llanta-Pavimento», por Correa, 2013a.

Adherencia y deslizamiento: El material de las llantas están hechas de

caucho por lo que se deforman y distorsiona durante el rodamiento. Esto

genera que las cubiertas del neumático se adhieran al pavimento y que al

ocurrir repetitivamente a miles de veces por segundo generará ruido de alta

frecuencia. El ruido generado cuando las zapatillas se deslizan durante un

partido de baloncesto es similar al fenómeno explicado anteriormente.

27

Figura 12. Adherencia y deslizamiento. Adaptado de «Modelo Estimado Para El Ruido Generado Por La


Vibraciones de las paredes laterales: Debido a la dimensión de la pared

lateral y la deformación de esta, esta sirve como un mecanismo de

amplificación para aquellos sonidos generados mediante los distintos

mecanismos explicados previamente.

Figura 13. Vibraciones de las paredes laterales. Adaptado de «Modelo Estimado Para El Ruido Generado

Por La Interacción Llanta-Pavimento», por Correa, 2013a.

1.5.3.1. Patrones de labrado de neumáticos

Cada neumatico tiene su propio patron y por lo tanto tambien su frecuencia de vibrado.

Este puede ser el motivo por el cual el modelo de neumáticos es considerado mas ruidosos

por unos y silencioso por otros conductores.

Figura 14. Patrones comunes de neumáticos. Adaptado de «Modelo Estimado Para El Ruido Generado

Por La Interacción Llanta-Pavimento», por Correa, 2013a.

1.6. Evaluación acústica del concreto poroso

Como ya se mencionó anteriormente el coeficiente de absorción “α” acústica nos permite

caracterizar al concreto poroso para evaluar si este es absorbente o puramente reflectante.

El sonido de los materiales se puede determinar por tres métodos diferentes, para evaluar

las propiedades absorbentes:

Métodos de medida en tubos

Métodos de medida en cámara reverberante

28

Métodos de medida en campo libre

El método más común para determinar el coeficiente de absorción acústica es el tubo de

impedancia o también llamado tubo de ondas estacionarias. Una de sus principales

características es el diámetro del tubo es inversamente proporcional a la frecuencia más

alta de muestreo. (Juliá, 2008).

1.6.1. Ensayos de absorción acústica-tubo de impedancia ACI 522R-10

El físico alemán August Adolf Eduard Eberhard Kundt (1839 – 1894) inventó el tubo de

impedancia para la caracterización acústica de los materiales. Pero más adelante, se

realizaron trabajos de investigación en base al tubo de impedancia clásica que mejoraron

la efectividad y se obtuvieron datos muchos más reales (Juliá, 2008). En nuestro se caso

se trabajará con el tubo de impedancia indicado en el ACI 522R-10, tal como se muestra

a continuación:

Figura 15. Tubo de impedancia para materiales porosos. Adaptado de «Report on Pervious Concrete,

American Concrete Institute», por ACI-552R, 2010.

1.6.2. Simulación numérica para la absorción acústica

Se han realizado diversos modelos y teorías para modelar las características acústicas de

los materiales. Estas predicciones se diferencian debido a sus enfoques y parámetros

considerados para estimar el coeficiente de absorción acústica. Un primer enfoque está

referido a modelos fenomenológicos que consideran que el entorno poroso se comporta

como un fluido compresible donde se produce disipaciones. Otro enfoque, considera

modelos referido a la microestructura del material, estos autores consideran que la

propagación del sonido en poros rectos y explican la propiedad de la tortuosidad a partir

de factores de forma. (Neithalath, 2004).

29

En general, la propagación del sonido a través de un material homogéneo e isótropo en el

dominio de la frecuencia está determinada por dos valores complejos, la constante de

propagación compleja (Γ) y la impedancia característica compleja (Z), las cuales se

representan en la ecuación 1 y la ecuación 2 respectivamente:

𝐺 = 𝑎 + 𝑗𝑏 (1)

Donde:

Γ : Constante de propagación compleja

α :Coeficiente de desplazamiento de fase (radianes por unidad de longitud)

β : Constante de fase (rad/m)

𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝑋 (2)

Donde:

Z : Impedancia características compleja

R : Resistencia al flujo

X : Componente reactiva al flujo

En las siguientes líneas se explicará el comportamiento acústico en materiales porosos

mediante los principales modelos matemáticos:

1.6.2.1. Modelo de Delany y Bazley

Es uno de los modelos con el que se han realizado diversos análisis a materiales

absorbentes de tipo poroso. Los análisis utilizan los modelos fenomenológicos, por lo que

considera que el medio poroso es globalmente un fluido compresible donde se producen

disipaciones, y las ecuaciones para el análisis son establecidas a escala global. En sus

modelos predictivos Delany y Bazley presentan valores de la constante de propagación y

la impedancia característica para un conjunto de materiales absorbentes acústicos con

estructura porosa. El cálculo de estos dos parámetros está en relación entre la frecuencia

(f) y la resistencia específica al flujo (σ). (Neithalath, 2004).

30

Los autores determinaron la impedancia característica compleja (Z) y de la constante de

propagación compleja (Γ) a partir de las siguientes expresiones que se definen en la

ecuación 3 y la ecuación 4:

𝑍 = 𝜌0𝑐0 [1 + 0.0571 (

𝜌0𝑓

𝜎)−0.754

− 𝑗0.087 (𝜌0𝑓

𝜎)−0.732

]

(3)

Donde:

𝜌0 : Densidad del aire (kg/m3)

𝑓 : Frecuencia (Hz)

𝑐0 : Velocidad del sonido en el aire (m/s)

𝜎 Resistencia especifica del flujo (N.s/m4)

𝑗 : √−1

Γ =

𝑗2𝜋𝑓

𝑐0[1 + 0.0978 (

𝜌0𝑓

𝜎)−0.700

− 𝑗0.189 (𝜌0𝑓

𝜎)−0.595

]

(4)

Donde:

𝜌0 : Densidad del aire (kg/m3)

𝑓 : Frecuencia (Hz)

𝑐0 : Velocidad del sonido en el aire (m/s)

𝜎 : Resistencia especifica del flujo (N.s/m4)

𝑗 : √−1

Las ecuaciones 3 y 4 se basan en interpolaciones de medidas en función del cociente

ρ0·f/σ. El rango valido para estas relaciones se define en la ecuación 5:

10−2 ≤ (

𝜌0𝑓

𝜎) ≤ 1

(5)

31

1.6.2.2. Modelo de Zwikker y Kosten

Sus cálculos están basados en la ecuación de continuidad y movimiento. En la ecuación

6 se muestra la relación entre el exceso de presión en el material y la componente en la

dirección de la propagación del sonido de la velocidad del aire presente en las cavidades.

−𝜕𝑝

𝜕𝑡= 𝜌

𝜕𝑢

𝜕𝑥

Donde:

𝜌 : Densidad del aire

𝑢 : Componente x de la velocidad del aire (media para todo el aire presente

en las cavidades)

(6)

Asimismo, definimos el exceso de presión en el material mediante la ecuación 7:

𝑝 = 𝐾

𝜕𝜌

𝜕𝑥

(7)

Donde K representa el módulo de compresibilidad del aire.

Finalmente, en base a la ecuación 6 y 7 se obtiene la ecuación de la continuidad

modificada, la cual se muestra en la ecuación 8:

−𝜕𝑝

𝜕𝑡= 𝐾

𝜕𝑢

𝜕𝑥

(8)

Para la ecuación del movimiento descrita por Rayleigh se presenta la ecuación 9:

−𝜕𝑝

𝜕𝑥= 𝑝

𝜕𝑢

𝜕𝑡+ 𝜎𝑢

(9)

Siendo 𝜎 la resistividad al flujo de aire.

Un avanzado desarrollo de la base de esta teoría lleva a calcular la impedancia de la onda

acústica Zw=p/u, que depende solamente de una característica propia del material, la

resistencia al flujo de aire (σ).

32

1.6.2.3. Modelo Microestructural de Neithalath

La discusión anterior da una idea de algunos de los modelos comunes utilizados para

describir el comportamiento acústico de un material poroso. Esta investigación utiliza

conceptos de modelado físico del sistema de poros para predecir la absorción acústica de

CPF. De este modo, el presente trabajo utilizará el modelo propuesto por Neithalath, el

cual se aplicó para el cálculo del coeficiente absorción acústica de materiales porosos.

Neithalath explica que, para un mejor análisis acústico del material el cálculo de

coeficiente de absorción acústica tiene que estar relacionado con la estructura del

material, en otras palabras, el volumen de poro, el tamaño de poro y la distribución de

estos. De este modo, este autor utiliza un enfoque microestructural en lugar de un

enfoque fenomenológico, ya que el objetivo es relacionar el comportamiento de absorción

acústica del concreto poroso con las características de su estructura.

Como primer procedimiento se debe realizar una caracterización de la geometría física

de la muestra, en las cuales se puede simular la estructura de poros. En la Figura 16, se

presenta un sistema que caracterizaría a una estructura de poros según el autor:

Figura 16. Modelo para caracterizar geométricamente la estructura de poros. Adaptado de «Development

and characterization of acoustically efficient cementitious materials», por Neithalath, 2004.

En base a esta consideración se procede a calcular la porosidad (Φ), la cual está

relacionado con la longitud y el diámetro del poro (Lp y Dp, respectivamente), la longitud

y el diámetro de la abertura (La y Da, respectivamente) y el grosor de la pared t como se

muestra en la ecuación 10:

33

𝜙 =

(𝐷𝑎2𝐿𝑎 + 𝐷𝑝

2𝐿𝑝)

(𝐿𝑎 + 𝐿𝑝)(𝐷𝑝 + 𝑡)2

(10)

Donde:

𝐿𝑝 : Longitud de poro

𝐷𝑝 : Diámetro de poro

𝐿𝑎 : Longitud de apertura de poro

𝐷𝑎 : Diámetro de apertura de poro

𝑡 : Espesor de la pared

Considerando que "Porosidad acústica" es la relación entre la porosidad medida y el factor

de estructura (Φ / k s). El autor menciona que el factor estructura es la propiedad que dicta

las características acústicas del material. De esta forma, se define al factor estructura en

la ecuación 11:

𝑘𝑠 =

(𝐿𝑎𝐷𝑎2 + 𝐿𝑝𝐷𝑝

2)(𝐿𝑎𝐷𝑝2 + 𝐿𝑝𝐷𝑎

2)

(𝐿𝑎 + 𝐿𝑝)2 × 𝐷𝑎2𝐷𝑝2

(11)

Donde:

𝑘𝑠 : Factor estructura





1.6.3. Teoría para la modelación in situ de un pavimento poroso con fibras

La norma ISO 11819 especifica los métodos para determinar el nivel del ruido

generado por los vehículos producto de la interacción neumático-pavimento, de

los cuales dos métodos son muy utilizados: (ISO, 2014).

34

Procedimiento Estadístico de paso: Este método consiste en la

colocación de sonómetros, los cuales son ubicados a un lado de la

carretera. Para el procedimiento se define una altura y una trayectoria,

donde el sonómetro se coloca a una altura de 1.5 m a 15 m del eje de la

vía.

Figura 17. Procedimiento estadístico de paso para medición de niveles de ruido. Adaptado de «Modelo

Estimado Para El Ruido Generado Por La Interacción Llanta-Pavimento», por Correa, 2013a.

Método de Proximidad: Para este método se coloca un neumático de

prueba en un tráiler el cual es transportado por un vehículo de trabajo.

Asimismo, los micrófonos son colocados a 0.10 m y 0.50 m. El ruido

generado se registra durante un intervalo de tiempo de 4 a 60 segundos,

el cual se promediado con la repetición del ensayo. El mecanismo

utilizado por este método por lo general es menos sensitivo al ruido de los

vehículos externos.

Figura 18. Método de proximidad. Adaptado de «Modelo Estimado Para El Ruido Generado Por La


35

1.7. Patologías del concreto poroso

1.7.1. Contracción plástica

Son un conjunto de fisuras o grietas que se forman en las superficies del concreto fresco

inmediatamente después del vaciado. Las grietas por contracción plástica son causadas

por una acelerada perdida de agua de la superficie de concreto antes que empiece a

fraguar. Este fenómeno es generado por la presencia de altas tasas de evaporación y las

principales condiciones que generan este rápido secado son los siguientes. (NRMCA,

2013)

Una velocidad de viento superior a 5mph (8 km/h)

Una baja humedad relativa

Altas temperaturas ambientales y/o del concreto.

1.7.2. Desgaste por abrasión

La ASTM G-40 define abrasión como el desgaste por desplazamiento de material de la

superficie de un sólido debido a partículas que se deslizan a lo largo de la superficie. El

término abrasión está relacionado con definiciones de erosión o cavitación. En cada uno

de ello ocurre una pérdida de masa, pero se diferencian por los agentes que producen los

desgastes en el concreto (González, 2003).

Abrasión. – Es la fricción en seco, generada por partículas que por el tráfico vehicular

que ocasionan el desgaste de pavimentos o pisos industriales.

Erosión. – Este término describe el desgaste ocasionado por fluidos que contienen

partículas en suspensión, como es el caso de estructuras de canales.

Cavitación. – Este término se refiere a socavaduras en ductos ocasionadas por burbujas

efervescentes.

1.7.3. Reacción álcali-agregado

Es un fenómeno que ataca al concreto endurecido fabricado con ciertos agregados,

sensibles a ciertos elementos químicos, donde luego de varios años de exposición al

medio ambiente y ante la presencia de óxidos de Sodio y Potasio conocidos comúnmente

como álcalis. Estos elementos provienen principalmente del cemento, más humedad y

temperatura. Estos agentes generan un gel alrededor de las partículas gruesas, que va

36

hinchándose cada vez más, rompiendo la estructura interna del concreto y ocasionando

fisuración y desintegración de la estructura.(Pasquel, 2002)

1.7.4. Contracción por secado

Este fenómeno se presenta en el concreto producto de la perdida de humedad de las pastas

debido a la acción de agentes externos como son la de temperatura, viento, humedad

relativa, etc. Estos agentes generan la evaporación del agua y el secado.

Cuando el concreto está en estado fresco y la velocidad de exudación es menor que la

velocidad de evaporación de agua superficial, se genera una contracción por secado muy

rápida que es causante de fisuración, esto es producto de que el concreto no ha alcanzado

aún características resistentes y no puede soportar las tensiones superficiales que ocasiona

la contracción.(Pasquel, 1998)

1.8. Construcción del pavimento de concreto poroso

1.8.1. Preparación de la sub-rasante y sub-base

Dependiendo del tipo de suelo, la subrasante debe compactarse entre 90 y 95% (es ideal

un grado de compactación del 90%) de la densidad seca. El espesor de la capa de la

subbase debe estar en un rango de (15 – 30) cm compuesta por material granular y poca

cantidad de finos (Divya et al., 2017).

Figura 19. Sección típica de pavimento poroso. Adaptado de « Typical cross section of pervious concrete

pavement », por Divya et al., 2017.

1.8.2. Espesor del pavimento poroso

No hay ningún estándar actual de espesores de las calles, pero hay ejemplos de vías de

volumen medio de tráfico en calles con espesores que van desde 150 a 300 mm (6 a 12

pulgadas). El pavimento de concreto poroso no tiene barras de amarre ni dowels, y ende

37

no tiene apoyos entre juntas. Si tuviera los apoyos mediante acero, el espesor del

pavimento se podría reducir. A continuación, se muestran una serie de tablas que

relaciona el CBR del suelo y la resistencia a la flexión del concreto poroso para calcular

el espesor de este (Vigil, 2012).

1.8.3. Colocación y compactación del pavimento poroso

La compactación del concreto poroso se realiza mediante un rodillo, con el fin de obtener

una buena adherencia entre la pasta y el agregado. Este rodillo debe ser de un ancho

adecuado para que se desplace por el encofrado con una presión vertical mínima de 0.7

kg/cm2. (Esquerre & Silva, 2019).

El proceso constructivo para lograr un pavimento poroso que cumpla con las condiciones

mínimas requeridas, se presenta a continuación.

b) Descarga a) Plato vibrocompactador

d) Enrasado c) Regla vibratoria

38

Figura 20. Proceso constructivo del concreto poroso. Adaptado de «Proceso de descarga, colocación y

equipos de compactación del concreto poroso », por Divya et al., 2017.

En la Figura 20 se muestra paso a paso el proceso constructivo que se debe seguir

para lograr un grado de compactación optimo en el concreto poroso y que este

cumpla con las especificaciones mínimas requeridas por la norma.

1.8.4. Juntas de dilatación del pavimento poroso

Las juntas de dilatación se deben realizar en estado fresco; es decir, en los primeros 20

minutos o menos. Se hará con el equipo llamado ―cortador de pizza o puede ser con

algún otro instrumento que cumpla con las especificaciones de las profundidades y

espesor de juntas.

La mayor dimensión horizontal de un panel de placa no excederá un 125% de la

dimensión más pequeña. Además, la profundidad de la junta será de 1/4 a 1/3 del espesor

del pavimento (Vigil, 2012).

Figura 21. Juntas de dilatación del concreto poroso. Adaptado de «Diseño, proceso constructivo y

evaluación post construcción de un pavimento rígido de concreto permeable», por Vigil, 2012.

e) Rodillo

39

1.8.5. Curado del pavimento poroso

El curado del concreto poroso debe ser después de 20 minutos de haber realizado la

colocación del concreto. Esta superficie de pavimento se deberá cubrir con polietileno o

similares para evitar la evaporación del agua necesaria para completar la hidratación del

cemento. (Vigil, 2012).

Figura 22. Curado del concreto poroso. Adaptado de «Diseño, proceso constructivo y evaluación post

construcción de un pavimento rígido de concreto permeable», por Vigil, 2012.

1.8.6. Apertura al tráfico

El pavimento no se deberá abrir hasta después de los 7 días de curado seguido o hasta que

el supervisor haya aceptado la apertura. Para evitar futuras fallas o fisuras en el

pavimento. (Vigil, 2012).

40

CAPÍTULO II: METODOLOGÍA

La metodología que aplicaremos en la presente investigación será del tipo cuantitativo –

experimental, ya que primero se realizarán muestras en el laboratorio para luego

ensayarlas y medir el rendimiento acústico. Finalmente, se probará a escala real el

concreto poroso para verificar la validez de la experimentación.

Es importante resaltar, que para los ensayos se aplicaran las normas del American Society

For Testing Materials (ASTM) o Norma Técnica Peruana (NTP) y para el caso del diseño

de mezcla se utilizará como guía el ACI 522R-10 del American Concrete Institute (ACI)

2.1. Nivel de investigación

El nivel de investigación de esta tesis es explicativo, ya que se busca determinar

experimentalmente las razones que permiten la absorción del ruido causado por el tráfico

vehicular mediante el uso del concreto poroso con fibra de polipropileno.

2.2. Diseño de investigación

El diseño de la investigación a realizar será del tipo experimental, pues se estudiarán las

influencias de la relación agua / cemento (a/c), el grado de porosidad óptimo y el aporte

de la fibra de polipropileno para lograr altas propiedades acústicas y mecánicas que

permitan la aplicación del concreto poroso como superficie de rodadura de un pavimento.

2.3. Procedimiento

Para el desarrollo de la tesis se tomará en cuenta los siguientes pasos para completar el

proceso de investigación:

a) Caracterización física de los agregados utilizados para realizar en diseño de

mezcla del concreto poroso.

Análisis granulométrico por tamizado de la piedra y arena (ASTM C-136

/(NTP 400.012, 2001).

Peso unitario de los agregados de la piedra y arena (ASTM C-29 /(NTP

400.017, 2011)

Contenido de humedad de la piedra y arena (ASTM C-566 /(NTP 339.185,

2013).

Peso específico de los agregados de la piedra (ASTM C-127 / NTP

400.021) y la arena (ASTM C-128 /(NTP 400.022, 2011)

41

b) Diseño de mezcla del concreto poroso adicionado con fibras de polipropileno.

Para esto, se necesitarán los datos de la caracterización física de los agregados y

definir un método de diseño. En nuestro caso, se utilizará el diseño basado en la

norma ACI 522R-10, cuyos pasos se muestran a continuación:

Figura 23. Pasos de diseño de mezcla del concreto poroso con fibra de polipropileno, por

elaboración propia.

Además, se deberá definir un protocolo de mezclado para el concreto poroso. Es decir, el

orden de los materiales para mezclarlos en el trompo y los tiempos mínimos necesarios

para lograr una consistencia adecuada.

Tabla 6. Protocolo de mezclado del concreto poroso

PASO MATERIAL CANTIDAD TIEMPO TIEMPO A.

1º Agua 25% 0.00 min 0.00 min

2º Agregado grueso 100% 0.50 min 0.50 min

3º Agregado fino 100% 1.00 min 1.50 min

4º Cemento 50% 1.00 min 2.50 min

5° Agua 25% 0.50 min 3.00 min

6° Cemento 50% 1.00 min 4.00 min

7º Aditivo + Agua restante 100% + 50% 1.00 min 5.00 min

8º Fibra de Polipropileno 100% 1.50 min 6.50 min

Nota: Elaboración propia

PASO Nº 1:

"Porcentaje devacios y resistenciarequerida"

PASO Nº 2:

"Selección de larelacion aguacemento (a/c)"

PASO Nº 3:

"Volumen óptimode pasta"

PASO Nº 4:

"Cálculo de losVolumenesabsolutos"

PASO Nº 5:

"Pesos correguidospor la humedad y laabsorción"

PRODUCTO FINAL

42

En la Tabla 6 se muestra el protocolo típico de mezclado en laboratorio con la

finalidad de obtener un concreto poroso adicionado con fibras de polipropileno.

Logrando un tiempo total de mezclado de 6.00 minutos aproximadamente.

Figura 24. Esquematización del proceso de mezclado del concreto poroso con fibra de

polipropileno, por elaboración propia.

En el Figura 24 se esquematizó el protocolo de mezclado para un mejor

entendimiento de este.

c) Ensayos del concreto poroso adicionado con fibras de polipropileno en estado

fresco.

Ensayo de asentamiento (cono de Abrams), esto nos ayuda a medir la

trabajabilidad o fluidez del concreto poroso (ASTM C-143)

43

Figura 25. Asentamiento del concreto poroso, por elaboración propia.

Peso unitario, para verificar el rendimiento de la mezcla (ASTM C-138 /(NTP

339.049, 2009)

Figura 26. Peso unitario del concreto poroso, por elaboración propia.

d) Ensayos del concreto poroso adicionado con fibras de polipropileno en estado

endurecido.

Ensayo de compresión simple (ASTM C39 /(NTP 339.034, 2008)

44

Figura 27. Ensayo a compresión del concreto poroso, por elaboración propia.

Ensayo de compresión diametral (ASTM C496 /(NTP 339.084, 2008)

Figura 28. Ensayo de compresión diametral del concreto poroso, por elaboración propia.

e) Preparación de muestras para el análisis de imágenes mediante fotografías y el

programa Matlab.

Figura 29. Proceso para el análisis de imágenes mediante el programa Matlab, por elaboración

propia

45

f) Evaluación acústica del concreto poroso adicionado con fibras de polipropileno

mediante una simulación numérica del modelo microestructural de Neithalath.

Figura 30. Expresión que define la porosidad y el factor de estructura. Adaptado de « Modeling the

Influence of Pore Structure on the Acoustic Absorption of Enhanced Porosity Concrete» , por Neithalath

et al, 2005.

g) Evaluación el costo beneficio mediante un análisis económico para determinar la

viabilidad en la aplicación del concreto poroso con adición de fibras de

polipropileno en vías urbanas.

Figura 31. Esquematización para el análisis acústico, por elaboración propia

Para este caso se evaluará distintos escenarios de tráfico y tipo de terreno

de fundación para conseguir una comparación objetiva de precios entre el

concreto convencional, concreto poroso y asfalto.

46

CAPITULO III: PLAN EXPERIMENTAL DE LOS MATERIALES Y MÉTODOS

En este capítulo se presentará el desarrollo de la metodología el cual contiene el plan

experimental de los materiales y los métodos usados para el logro de los objetivos

planteados en la investigación. Aquí se explica los diseños de mezcla elaborados, los

ensayos tanto para concreto fresco y endurecido. Asimismo, el detalle para el análisis del

coeficiente de absorción acústica del concreto poroso con fibras de polipropileno.

3.1. Materiales usados en la mezcla

3.1.1. Agregado grueso

En los diseños de mezcla de concreto poroso se utilizarán dos tipos de agregados de

manera que se puedan obtener valores ideales tanto en resistencia como en porosidad.

Uno tendrá un tamaño máximo nominal (TMN) 3/4” (19mm) o también llamado HUSO

67. Con relación al otro agregado usado es de un TMN 3/8” (9.5mm) o HUSO 8 (NTP

400.037, 2014).

3.1.1.1. Granulometría

Tabla 7. Análisis granulométrico del agregado HUSO 67.


Malla

(")

Malla

(mm)

Peso

Retenido

(gr)

Peso Retenido

Corregido (gr)% Retenido

% Retenido

Acumulado

% que

pasa

2" 50.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00

1 1/2" 37.50 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00

1" 25.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 100 100

3/4" 19.00 149.85 149.85 6.97 6.97 93.03 90 100

1/2" 12.50 751.00 751.88 34.97 41.94 58.06 55 78

3/8" 9.50 652.40 653.28 30.39 72.33 27.67 20 55

N° 4 4.75 543.30 544.18 25.31 97.64 2.36 0 10

N° 8 2.36 0.00 0.00 0.00 97.64 2.36 0 5

N° 16 1.18 0.00 0.00 0.00 97.64 2.36

N° 30 0.60 0.00 0.00 0.00 97.64 2.36

N° 50 0.30 0.00 0.00 0.00 97.64 2.36

N° 100 0.15 0.00 0.00 0.00 97.64 2.36

Fondo 50.80 50.80 2.36 100.00 0.00

2147.35 2150.00

Especificaciones

NTP 400.037

TOTAL

MF 6.65

47

Los requisitos de gradación por cada tamiz según el ensayo de granulometría para el

agregado grueso HUSO 67 se muestran en el ANEXO Nº 1.


En la Tabla 7 y Figura 32 se muestra la caracterización física del agregado HUSO

67, logrando que este cumpla con las especificaciones dada por la NTP 400.037 y

tenga un módulo de fineza de 6.65.

48

Tabla 8. Análisis granulométrico del agregado HUSO 8.



agregado grueso HUSO 8 se muestran en el ANEXO Nº 2.


Malla

(")

Malla

(mm)

Peso

Retenido

(gr)

Peso Retenido

Corregido (gr)% Retenido

% Retenido

Acumulado

% que

pasa

2" 50.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00

1 1/2" 37.50 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00

1" 25.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00

3/4" 19.00 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00

1/2" 12.50 0.00 0.00 0.00 0.00 100.00 100 100

3/8" 9.50 55.00 56.00 5.52 5.52 94.48 85 100

N° 4 4.75 843.10 844.10 83.16 88.68 11.32 10 30

N° 8 2.36 101.20 102.20 10.07 98.75 1.25 0 10

N° 16 1.18 0.00 0.00 0.00 98.75 1.25 0 5

N° 30 0.60 0.00 0.00 0.00 98.75 1.25

N° 50 0.30 0.00 0.00 0.00 98.75 1.25

N° 100 0.15 0.00 0.00 0.00 98.75 1.25

Fondo 12.70 12.70 1.25 100.00 0.00

1012.00 1015.00

Especificaciones

NTP 400.037

TOTAL

MF 5.88

49

En la Tabla 8 y Figura 33 se muestra la caracterización física del agregado HUSO

8, logrando que este cumpla con las especificaciones dada por la NTP 400.037 y


3.1.1.2. Ensayo de peso unitario

Es la cantidad de agregado o material que entra en 1m3 incluyendo sus vacíos, en estado

suelto o compactado y con diferentes pesos. Se expresa en kg/m3 y para fines de diseño

de mezcla, el peso unitario debe estar en condición seca. Este ensayo fue realizado bajo

las especificaciones de la norma técnica peruana NTP 400.017, cuyos resultados

obtenidos en el laboratorio se muestran a continuación:

a) Determinación del peso unitario suelto (PUS):

Tabla 9. Peso unitario suelto del HUSO 67


Tabla 10. Peso unitario suelto del HUSO 8


En la Tabla 9 y 10 se indica los pesos unitarios sueltos para el HUSO 67 y 8,

cuyos valores son 1505.4 y 1507.5 kg/m3 respectivamente.

b) Determinación del peso unitario compactado (PUC):

50

Tabla 11. Peso unitario compactado del HUSO 67


Tabla 12. Peso unitario compactado del HUSO 8


En la Tabla 11 y 12 se indica los pesos unitarios compactados para el HUSO 67

y 8, cuyos valores son 1633.4 y 1598.5 kg/m3 respectivamente.

3.1.1.3. Ensayo de contenido de humedad

Es la cantidad de agua total que tiene el agregado en relación con el peso de la muestra

seca, expresado en porcentaje. Este ensayo fue realizado bajo las especificaciones de la

NTP 339.185, cuyos resultados obtenidos en el laboratorio se muestran a continuación:

Tabla 13. Contenido de humedad del HUSO 67


51

Tabla 14. Contenido de humedad del HUSO 8


En la Tabla 13 y 14 se indica el contenido de humedad para el HUSO 67 y 8,

cuyos valores son 0.70 y 0.73% respectivamente.

3.1.1.4. Peso específico y absorción

Por un lado, el ensayo de peso específico es definido en la NTP 400.021 como la masa de

las partículas de agregado seco al horno, por unidad de volumen, de partículas de

agregado, incluyendo el volumen de los poros permeables e impermeables. Para este

ensayo no se incluye los vacíos existentes entre las partículas.

Por otro lado, el ensayo de absorción es definida por la NTP 400.021 como el aumento

de agua que ingresa a los poros de las partículas, durante un periodo de tiempo

determinado.

En las tablas 15 y 16 se muestran los resultados de peso específico y absorción para las

muestras analizadas.

Tabla 15. Peso específico y absorción del HUSO 67


52

Tabla 16. Peso específico y absorción del HUSO 8


3.1.2. Agregado fino

3.1.2.1. Granulometría

Tabla 17. Análisis granulométrico de la arena gruesa



agregado fino se muestran en el ANEXO Nº 3.

Malla

(")

Malla

(mm)

Peso

Retenido

(gr)

Peso Retenido

Corregido (gr) % Retenido

% Retenido

Acumulado

% que

pasa

3/8" 50.00 0.000 0.000 0.000 0.000 100.000 100 100

N° 4 37.50 2.100 2.350 0.470 0.470 99.530 95 100

N° 8 25.00 59.300 59.550 11.910 12.380 87.620 80 100

N° 16 19.00 119.000 119.250 23.850 36.230 63.770 50 85

N° 30 12.50 138.000 138.250 27.650 63.880 36.120 25 60

N° 50 9.50 62.700 62.950 12.590 76.470 23.530 10 30

N° 100 4.75 70.300 70.550 14.110 90.580 9.420 2 10

Fondo 47.100 47.100 9.420 100.000 0.000

498.50 500.00

Especificaciones

NTP 400.037

MF 2.80

TOTAL

53

Figura 34. Curva de distribución granulométrica de la arena gruesa

En la Tabla 17 y Figura 34 se muestra la caracterización física de la arena gruesa,

logrando que este cumpla con las especificaciones dada por la NTP 400.037 y


3.1.2.1. Ensayo de peso unitario

Es la cantidad de agregado o material que entra en 1m3 incluyendo sus vacíos, en estado

suelto o compactado y con diferentes pesos. Se expresa en kg/m3 y para fines de diseño

de mezcla, el peso unitario debe estar en condición seca. Este ensayo fue realizado bajo

las especificaciones de la norma técnica peruana NTP 400.017, cuyos resultados

obtenidos en el laboratorio se muestran a continuación:

54

a) Determinación del peso unitario suelto (PUS):

Tabla 18. Peso unitario suelto de la arena gruesa


b) Determinación del peso unitario compactado (PUC):

Tabla 19. Peso unitario compactado de la arena gruesa


En la Tabla 18 y 19 se indica el peso unitario suelto y compactado para la arena

grueso, cuyos valores son 1668.3 y 1810.7 kg/m3 respectivamente.

3.1.2.2. Ensayo de contenido de humedad

Es la cantidad de agua total que tiene el agregado en relación con el peso de la muestra

seca, expresado en porcentaje. Este ensayo fue realizado bajo las especificaciones de la

NTP 339.185, cuyo resultado obtenido en el laboratorio se muestra a continuación:

Tabla 20. Contenido de humedad de la arena gruesa


En la Tabla 20 se indica el contenido de humedad para la arena gruesa de 0.73%.

55

3.1.2.3. Ensayo de peso específico y absorción

Por un lado, el ensayo de peso específico es definido en la NTP 400.022 como la masa de

las partículas de agregado seco al horno, por unidad de volumen, de partículas de

agregado, incluyendo el volumen de los poros permeables e impermeables. Para este

ensayo no se incluye los vacíos existentes entre las partículas.

Por otro lado, el ensayo de absorción es definida por la NTP 400.022 como el aumento

de agua que ingresa a los poros de las partículas, durante un periodo de tiempo

determinado.

En la tabla 21 se muestra el resultado del peso específico y absorción para la muestra

analizada.

Tabla 21. Peso específico y absorción de la arena gruesa


3.1.3. Agua

El agua potable utilizada en el diseño de mezcla es el agua distribuida por la red de

SEDAPAL que abastece el laboratorio de Tecnología de Concreto de la Universidad

Peruana de Ciencias Aplicadas en el HUB de SAN MIGUEL.

3.1.4. Cemento

El cemento debe cumplir con lo especificado en el ASTM C150. Para las mezclas

realizadas en el laboratorio se utilizará el cemento tipo I de la marca SOL.

56

3.1.5. Aditivo

Los aditivos químicos son usados para mejorar las propiedades del concreto en su estado

fresco y endurecido. En nuestro caso, se usará aditivos reductores de agua de alto rango

o también llamados comúnmente como superplastificantes.

Master Rheobuild 1202: Es un aditivo superplastificante reductor de agua de alta

actividad, que permite la dosificación de concretos que tienen consistencia seca.

Este químico permite darle fluidez a la mezcla sin la necesidad de agregar agua y

si generar retrasos de fraguado. El beneficio del aditivo es generar resistencias

iniciales altas garantizando resistencias finales muy elevadas. La densidad del

material es de 1200 kg/cm2 y la ficha técnica se adjunta en el ANEXO N° 4.

3.1.6. Fibra de polipropileno

Como parte de la investigación se consideró conveniente probar la influencia de distintas

fibras de polipropileno para evaluar la eficiencia de ambas tanto en resistencia mecánica

como en absorción acústica. Como ya fue mencionada en la parte teórica, la fibra es de

vital importancia para las conexiones entre los agregados y que esta pueda disminuir las

ondas de ruido producida por el neumático en el pavimento.

SikaCem – Fiber (FIBRA 1): Es un refuerzo de fibra sintética de alta tenacidad

compuesto por una mezcla de monofilamentos reticulados y enrollados. La

densidad del material es 1.17 kg/L. La ficha técnica se adjuntó en el ANEXO

N° 5.

Figura 35. SikaCem – Fiber. Adaptado de «Hoja de datos del producto Sikacem®-1 fiber», por Sika.,

2019

57

Fibra BarChip 54 (FIBRA 2): Es una fibra sintética estructural que ofrece

mayores propiedades mecánicas y de durabilidad. Esta fibra es mucho más larga

que la SikaCem-Fiber pues cuenta con 54mm de longitud. La ficha técnica se

adjuntó en el ANEXO N° 6.

Figura 36. Fibra BarChip 54. Adaptado de «Hoja de datos del producto BarChip 54», por BARCHIP

PERÚ S.A.C., 2019

3.2. Diseño de concreto poroso

Luego de calcular todos los parámetros físicos de los materiales a utilizar en la mezcla,

se procede a realizar el diseño de esta. El diseño de mezcla de un concreto poroso es

diferente al concreto convencional, puesto que las solicitudes de desempeño son

totalmente diferentes. Para garantizar la viabilidad de la tesis la investigación seguirá las

recomendaciones propuestas por el ACI 522R-10 para el diseño del concreto poroso.

El parámetro principal para aplicar el método del ACI 522R-10 es la relación entre el

volumen de agregado grueso seco compactado por volumen unitario de concreto. Para

ello, se necesita el dato del porcentaje de arena respecto al agregado global, el HUSO de

la piedra utilizada y el grado de compactación que se empleará (Guizado & Curi, 2017).

3.2.1. Diseño de mezcla Nº 1

El diseño de mezcla Nº 1 servirá como modelo para realizar los siguientes diseños de

mezcla, ya que los pasos son similares.

Para el diseño se consideran los siguientes datos de los materiales, los cuales se detallan

en las Tablas 22, 23, 24, 25, 26 y 27. Estos parámetros nos permitirán calcular las

proporciones del diseño base.

58

Tabla 22. Características del agregado grueso para el diseño de Mezcla N° 1

Tabla 23. Características del agregado grueso-confitillo para el diseño de mezcla N°1

Tabla 24. Características de la arena gruesa para el diseño de mezcla N°1

Tabla 25. Características del cemento

Tabla 26. Características del agua

Tabla 27. Parámetro de resistencia inicial


a) Paso Nº 1: Obtención del porcentaje de vacíos y resistencia requerida

Considerando una resistencia de 280 kg/cm2 a los 28 días, resistencia recomendada para

pavimentos, podemos obtener el porcentaje de vacíos adecuado para cada HUSO

correspondiente de piedra.

Grava 3/4" 67 2637.550 1505.386 1633.397 1.21 0.70

Humedad

(%)HUSO

Peso Unitario

Suelto (kg/m3)

Materialtamaño

(pulg)

Peso

Específico

(kg/m3)

Peso Unitario

Compactado

(kg/m3)

Absorción

(%)

Confitillo 3/8" 8 2608.180 1507.534 1598.459 1.51 0.73

Absorción

(%)

Humedad

(%)

Peso Unitario

Compactado

(kg/m3)

Materialtamaño

(pulg)HUSO

Peso

Específico

(kg/m3)

Peso Unitario

Suelto (kg/m3)

Arena gruesa 2608.180 1507.534 1598.459 1.51 0.73

Material

Peso

Específico

(kg/m3)

Peso Unitario

Suelto (kg/m3)

Peso Unitario

Compactado

(kg/m3)

Absorción

(%)

Humedad

(%)

Cemento Sol I 3150

Material Marca TipoDensidad

(Kg/m3)

Agua 1000

MaterialDensidad

(Kg/m3)

280

Resistencia Específica de

diseño (Kg/m2)

59

Figura 37. Relación entre el contenido de vacíos y la resistencia a la compresión a los 28 días para

tamaños de agregados No. 67 y No. 8. Adaptado de «Report on Pervious Concrete» por ACI-552R-10,

2010.

En el Figura 37 se observa el contenido de vacíos recomendado que debe tener la

mezcla para lograr una resistencia requerida. En nuestro caso, se debe lograr una

resistencia de 280 kg/cm2 (4000psi), por lo cual se obtiene un contenido de vacíos

teórico de 10% y 14% para los HUSOS 67 y 8 respectivamente. Sin embargo, para

el diseño se utilizarán vacíos de 20% tanto para el HUSO 67 y el HUSO 8, ya que

con la adición fibra de polipropileno se incrementan las propiedades mecánicas y

puede compensar el porcentaje de vacíos optimo sin afectar la resistencia final del

concreto poroso. Es importante resaltar que mantener un adecuado porcentaje de

vacíos permitirá mejorar las propiedades de absorción acústica del concreto

poroso.

b) Paso N° 2 Selección de la relación agua/cemento (a/c)

El ACI 522R-10 y ACI 211.3R-02 recomiendan valores de 0.35 y 0.45 para un

adecuado diseño de mezcla de concreto poroso. Esta proporción asegura la

adhesión entre partículas de tal forma que se mantengan los vacíos y no se cierren

los poros. Esta porosidad es fundamental puesto que determinará el grado de

absorción acústica del concreto y evitará el reflejo del ruido.

Sin embargo, otros autores plantean relaciones agua cemento en un rango de 0.24

y 0.34 (Divya et al., 2017). Para el primer diseño de esta investigación, se

60

considerará un a/c mínimo de 0.24 y se incrementará de acuerdo con los resultados

de las propiedades mecánicas calculadas.

De esta manera tenemos un a/c de diseño de 0.24.

c) Paso Nº 3: Obtención del volumen de pasta

Luego de obtener el porcentaje de vacíos, se procede a calcular el volumen de pasta de

acuerdo con el grado de compactación que se realizará al concreto poroso.

Figura 38. Relación entre el porcentaje de vacíos y el contenido de pasta. Adaptado de «Report on

Pervious Concrete» por ACI-552R-10, 2010.

En la Figura 38 se muestra la selección de un porcentaje de pasta en función del

porcentaje de contenido de vacíos. En la gráfica se indica un valor considerando

un nivel de compactación ligero.

Un nivel de compactación ligero permite tener mayores valores de porcentaje de masa

respecto a un mismo porcentaje de vacíos. Esto nos permitirá trabajar con agregados de

mayor tamaño, por ejemplo, el agregado de HUSO 67, puesto que se puede alcanzar

mejores propiedades de adhesión entre partículas.

De esta manera, se obtiene un contenido de pasta de 23% para un porcentaje de vacíos de

20% para los HUSOs 67 y 8 respectivamente.

Consideración:

Según ACI 211.3R-02, si se utiliza agregado fino la pasta debe ser reducida en 2% por

cada 10% del agregado fino total utilizado para la elaboración del concreto. Asimismo,

61

se reducirá 1% cuando la compactación es ligera. Estos procesos de reducción nos

permitirán mantener los porcentajes de vacíos por volumen de concreto.

De esta manera, debemos reducir 1% bajo la condición que el concreto será ligeramente

compactado. Así, obtenemos un contenido de pasta de 22% y 17% para los HUSOs 67 y

8 respectivamente.

Cálculo de los pesos de Cemento y Agua para agregados de HUSO 67

Considerando la ecuación 12 la cual está definida según del ACI 522R:

𝑉𝑝 = 𝑉𝑐 + 𝑉𝑎 (12)

Donde:

Vp: Volumen de pasta

Vc: Volumen de cemento

Va: Volumen de agua

Al dividir a los volúmenes de cemento y agua en la ecuación 12 por los pesos específicos

de cada material, se obtiene la ecuación 13 para el cálculo de las proporciones de agua y

cemento:

𝑉𝑝 =𝑐

𝑃. 𝐸𝐶+

𝑎

𝑃. 𝐸𝑎

(13)

Donde:

c: Peso del cemento por m3 de mezcla

a: Peso del agua por m3 de mezcla

PEc: Peso específico del cemento

PEa: Peso específico del agua

Considerando los siguientes pesos específicos de 3150 kg/m3 y 1000 kg/m3 para el

cemento y agua respectivamente y reemplazando en la ecuación 13, tenemos:

𝑉𝑝 =𝑐

3150+

𝑎

1000

62

A partir de la relación a/c y el valor considerado en el paso N°2, se obtiene:

a/c=0.24

𝑉𝑝 =𝑐

3150+

𝑎𝑐 × 𝑐

1000

Reemplazando el volumen de pasta y la relación a/c:

0.23 =𝑐

3150+0.24 × 𝑐

1000

A partir de la ecuación 13 se obtienen los pesos de agua y cemento, los cuales se muestran

a continuación:

𝒄 = 𝟒𝟏𝟑. 𝟐𝟑 𝒌𝒈 𝒂 = 𝟗𝟖. 𝟖𝟐 𝒌𝒈

En la Tabla 28 mostramos el resumen de los datos obtenidos previo al cálculo de

los volúmenes absolutos:

Tabla 28. Cálculo de pesos de cemento y agua

Parámetros Cantidades Unidades

a/c 0.24 -

P.E cemento 3150 kg/m3

P.E agua 1000 kg/m3

Cemento (c) 413.23 kg

agua (a) 98.82 kg

Volumen de pasta (Vp) 0.23 - Nota: Elaboración propia

d) Paso Nº 4: Cálculo de volúmenes absolutos:

En esta parte se determinará los volúmenes de cada elemento que compone el

diseño para obtener como volumen remanente el volumen del agregado grueso.

Antes de calcular los volúmenes de cada elemento definimos el peso de la fibra

según indica la ficha técnica del producto (SicaCem-Fiber) y el porcentaje de

aditivo reductor de agua (Rheobuild – BASF).

Tabla 29. Peso de fibra de polipropileno- SicaCem-Fiber y porcentaje de aditivo reductor de agua

Rheobuild – BASF

MATERIAL PESO ESPECIFICO INCIDENCIA

RECOMENDADA

FIBRA 910 kg/m3 1.6 kg/m3

Rheobuild - BASF 1060 kg/m3 (1.2%) del peso del

cemento Nota: Elaboración propia

63

En la Tabla 29, se muestra los valores de 1.6 kg/m3 y 1.5% del peso del

cemento, lo cuales nos sirven para calcular las dosificaciones de la fibra y

el aditivo reductor de agua respectivamente.

De esta forma podemos obtener los siguientes resultados para la obtención del

volumen de agregado grueso:

Tabla 30. Volúmenes absolutos de cada material que compone la mezcla y cálculo del volumen de

agregado grueso

Elementos Pesos SSS (Kg) P.E

(Kg/m3)

Volumen

(m3)

Agua 98.82 1000 0.10

Cemento-Sol-Tipo I 413.23 3150 0.13

Fibra 1.60 910 0.0018

Rheobuild - BASF 5.09 1060 0.0048

Vacíos 0.20

Parcial 0.44

Agregado

grueso 0.56

Total 1.00


De la Tabla 30, obtenemos un valor de 0,56 m3 de agregado grueso del total de la

mezcla, considerando que el diseño es realizado para 1,00 m3.

Con el dato anterior procedemos a calcular el peso de agregado grueso y agregado

fino.

Tabla 31. Peso de agregado Grueso y Agregado Fino

Material Pesos

SSS (kg)

P.E.

(kg/m3)

Volumen

(m3)

Porcentaje

de finos

A. Fino 73.80 2624.40 0.03 5%

A. Grueso 1409.18 2637.55 0.53


La Tabla 31, muestra los pesos de los agregados de la mezcla, donde el agregado

grueso tiene un peso de 1409.42 kg y el agregado fino tiene un peso de 73.39 kg

considerando un 5% del volumen total concerniente al agregado grueso.

De esta forma obtenemos los pesos de cada componente de la mezcla:

64

Tabla 32. Peso saturado superficialmente seco (SSS) de los agregados y otros componentes del concreto

poroso

Material Pesos SSS

(kg)

P.E.

(kg/m3)

Volumen

(m3)

A. Fino 73.80 2624.40 0.03

A. Grueso 1409.18 2637.55 0.53

Agua 98.82 1000.00 0.10

Cemento 413.23 3150.00 0.13

Fibra 1.60 910.00 0.00

Rheobuild - BASF 5.09 1060.00 0.01

Vacíos 0.20

TOTAL 2002.82 1.00


e) Paso Nº5: Corrección por humedad, absorción y aporte

Considerando las características de los agregados como el porcentaje de absorción

y la humedad obtenemos el aporte o la reducción de agua debido a estos

parámetros.

Tabla 33. Aporte o la reducción de agua debido a las características de los agregados

Agua que aporta

Características de

agregado A. Grueso A. Fino

Humedad (CH) (%) 0.30% 0.44%

Absorción (a) (%) 1.37% 1.36% TOTAL

Aporte -15.06 -0.67 -15.73

Agua de obra (Efectiva) 114.55 Lts


Paso Nº6: Valores de diseño corregidos por humedad

Considerando las características de humedad del agregado grueso y fino

calculamos los pesos corregidos de estos materiales.

Tabla 34. Aporte o la reducción de agua debido a las características de los agregados

Materiales Cantidades (kg/m3)

Cemento 413.23

Ag. Fino Húmedo 74.02

Ag. Grueso

Húmedo 1428.46

Agua Efectiva 114.55


65

f) Paso Nº7: Proporción final del diseño en peso y por bolsa de cemento

Tabla 35. Proporciones equivalentes de acuerdo con el peso del cemento


Cemento 1.00


Ag. Grueso

Húmedo 3.46

Agua Efectiva 11.78


Tabla 36. Proporciones equivalentes por bolsa de cemento


Cemento 42.50


Ag. Grueso

Húmedo 146.91

Agua Efectiva 11.78


Paso Nº7: Resumen de proporciones de los materiales para un 1 m3 con agregados

de HUSO 67 y HUSO 8

Luego de calcular los pesos y volúmenes de cada agregado, es importante resaltar que al

tener las mismas condiciones para el HUSO 67 y el HUSO 8 tanto para la resistencia a la

compresión, el porcentaje de vacíos, el contenido de pasta y la relación agua cemento, el

procedimiento de cálculo de las proporciones es similar. Sin embargo, al presentar

distintas características físicas de peso específico, absorción y humedad las proporciones

de peso serán ligeramente diferentes.

Tabla 37. Resumen de pesos corregidos para un concreto poroso con un 20% de vacíos y una relación de

agua cemento a/c=0.24 para el HUSO 67

PESOS DE DISEÑO-ACI 522R-HUSO 67


Cemento 413.23


Ag. Grueso Húmedo 1428.46


Fibra 1.60

Rheobuild - BASF 5.09

66

TOTAL 2036.95

Vacíos 20%


Tabla 38. Resumen de pesos corregidos para un concreto poroso con un 20% de vacíos y una relación

de agua cemento a/c=0.24 para el HUSO 8

PESOS DE DISEÑO-ACI 522R-HUSO 8


Cemento 413.23


Ag. Grueso Húmedo 1412.55


Fibra 1.60

Rheobuild - BASF 5.09

TOTAL 2020.70

Vacíos 20%


3.3. Elaboración de mezclas y probetas en laboratorio

La elaboración de las mezclas se llevó a cabo en el Laboratorio de concreto de la UPC.

En este ambiente se encuentran las instalaciones y las herramientas necesarias de acuerdo

con las normas ASTM y normas técnicas peruanas para la elaboración y caracterización

del concreto.

3.3.1. Protocolo de mezclado

El protocolo de mezclado se encuentra detallado en el capítulo II en la Tabla 6 y mostrado

en el Figura 26.

3.3.2. Moldeado de probetas

Todas las probetas usadas son metálicas de 4”x8”

Descripción del proceso:

El lugar de ensayo será una superficie plana y libre de vibración

Coloque el concreto poroso en las probetas metálicas en dos capas iguales.

Cada capa será compactada con el Proctor modificado, ejerciendo una

determinada energía.

67

Enrazar y nivelar la superficie.

Para el cálculo de la energía de compactación se utilizó la ecuación 14:

𝑌 =

𝑛 × 𝑁 × 𝑃 × 𝐻

𝑉

(14)

Donde:

Y: Energía aplicada

n: número de capas

N: número de golpes

P: Peso del pisón

H: altura del pisón

V: Volumen del cilindro

Para las probetas de 4” x 8” tendrán una energía aplicada de 0.7 Kg/cm2; dos capas de

compactación; 2.5 Kg el peso del pisón; 30cm de altura de caída del pisón; y un volumen

de 1580 cm3. Reemplazando en la ecuación 12, obtenemos un total aproximado al valor

mayor de 8 golpes (Guizado & Curi, 2017).

Tabla 39. Compactación de probetas cilíndricas

Adaptado de «Resumen compactación de probetas cilíndricas y prismáticas », por Guizado & Curi, 2017.

Figura 39. Moldeado del concreto poroso, por elaboración propia

68

Como se aprecia en la siguiente Figura 39, se coloco la probeta sobre una

superficie plana y se utilizó el proctor modificado para conseguir una uniformidad

de compactación.

3.3.3. Curado de probetas

La norma NTP 339.183 nos proporciona una guía para el procedimiento de curado de las

probetas en el laboratorio. Los especímenes fueron desmoldados después de 24 horas y

ubicados en la poza de curado, tal como se muestra en el Figura 40, a una temperatura de

23ºC +/- 2ºC y con un contenido de cal de 3gr/L de agua.

Figura 40. Curado de probetas de concreto poroso, por elaboración propia

69

CAPÍTULO IV: PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

En el presente capítulo se presentarán los resultados y su respectivo análisis de cada

ensayo realizado con el concreto poroso con fibra de polipropileno. La interpretación

abarca pruebas en estado fresco y endurecido del concreto con el fin de realizar

comparaciones que contribuyan al logro de los objetivos planteados. El análisis

comparativo que se realizará permite tener muestras que cumplan los criterios para el

diseño y la construcción del pavimento rígido. Asimismo, las interpretaciones de los

ensayos definirán los diseños que serán evaluados mediante la simulación numérica para

verificar su comportamiento acústico.

4.1. Presentación de resultados

4.1.1. Agrupamiento de mezclas de estudio

Las variables consideradas para el agrupamiento de las mezclas fueron las siguientes:

a) Tamaño de agregado (HUSO 67 y 8)

b) Relación agua cemento (a/c)

c) Inclusión de aditivo superplastificante

d) Tipo de fibra a utilizar

Se decidió mantener la cantidad de vacíos y el contenido de arena constante para todas

las mezclas y solo cambiar las variables mencionadas, con la finalidad de comparar las

propiedades mecánicas y elegir la más conveniente para un pavimento (f’c>280kg/cm2).

Los tamaños de agregados utilizados fueron el HUSO 67 y HUSO 8, la relación agua

cemento fue variada desde 0.20 hasta 0.42, la inclusión de aditivo superplastificante en

un rango de 0% a 1.2% del peso del cemento y finalmente el tipo de fibra (SikaCem-Fiber

o Barchip 54) para cada tamaño de piedra utilizado.

70

Figura 41. Agrupamiento de las mezclas de laboratorio, por elaboración propia

En el Figura 41 se muestra el agrupamiento que se realizó para las mezclas de

laboratorio. Se definió dos grandes grupos diferenciados por el tamaño de

agregado a utilizar, pero manteniendo constante el contenido de arena para ambos.

En el grupo 1 se fue incrementando la relación agua cemento a razón de 0.04 hasta

llegar a 0.36, con el fin de comparar las resistencias a compresión y tracción

diametral. El mismo procedimiento se realizó en el grupo 2. Sin embargo, se

decidió duplicar las mezclas que tenían una relación a/c de 0.36 y añadirle

diferente tipo de fibra, tal como se muestra en el G1-D5 y G2-D13.

4.1.2. Resumen de los diseños de mezcla realizados

En el apartado 3.2 se explicó paso a paso el cálculo un diseño de mezcla representativo.

Es decir, aquel diseño que contaba con todos los materiales tanto fibra y aditivos.

Siguiendo los mismos criterios se calcularon los nuevos diseños, cuyos valores se

presentan en la siguiente tabla:

71

Tabla 40. Resumen de los diseños de mezcla del concreto poroso

Mezcla HUSO

(#) a/c

% de

vacíos

Agua

(Kg)

Cement

o (Kg)

Arena

(Kg)

Piedra

(Kg)

Aditiv

o (Kg)

Fibra

1-(Kg)

Fibra

2-(Kg)

DPatrón1 67 0.24 20 115.20 424.00 73.62 1403.86 5.09 -- --

DPatrón2 67 0.24 20 115.17 424.00 73.48 1401.10 5.09 1.00 --

G1 - D1 67 0.24 20 114.55 413.23 74.02 1428.46 5.09 1.60 --

G2 – D9 8 0.24 20 114.38 413.23 74.02 1412.55 5.09 1.60 --

G1 - D2 67 0.28 20 128.05 410.20 72.26 1377.92 4.92 1.60 --

G2 – D10 8 0.28 20 131.99 410.20 72.26 1362.58 4.92 1.60 --

G1 - D3 67 0.32 20 143.88 410.20 70.75 1349.13 -- 1.60 --

G2 – D11 8 0.32 20 147.94 410.20 70.36 1334.11 -- 1.60

G1 - D4 67 0.36 20 159.80 410.20 68.60 1308.60 -- 1.60 --

G2 – D12 8 0.36 20 163.73 410.20 68.23 1293.60 -- 1.60 --

G1 - D5 67 0.36 20 160.04 410.20 68.29 1302.16 -- -- 3.50

G2 - D13 8 0.36 20 163.95 410.20 67.92 1287.66 -- -- 3.50

G1 – D6 67 0.38 20 162.35 395 68.91 1314.01 -- 1.60 --

G2 – D14 8 0.38 20 165.97 395 68.32 1288.26 -- 1.60 --

G1 – D7 67 0.40 20 181.66 425 65.02 1239.81 -- 1.60 --

G2 – D15 8 0.40 20 185.38 425 64.66 1226.00 -- 1.60 --

G1 – D8 67 0.44 20 201.13 432.00 62.09 1183.96 -- 1.60 --

G2 – D16 8 0.44 20 204.69 432.00 61.75 1170.78 -- 1.60 --


En la Tabla 40 se hizo el resumen del cálculo para cada material usado en la

mezcla. Además, se clasificó en subgrupos de dos diseños, cuya diferencia es el

tamaño de piedra y en otros casos el tipo de fibra. Todo esto con el objetivo de

encontrar el tipo de agregado que nos proporciona un mejor comportamiento

mecánico, pero que mantenga una porosidad adecuada para que pueda absorber el

ruido fácilmente.

4.1.3. Ensayos en estado fresco

4.1.3.1. Consistencia del concreto poroso

Con la finalidad de comprobar la consistencia, cohesión y contenido adecuado de pasta

en el diseño, se realizó un método visual de “prueba de puñado”.

72

Figura 42. Concreto poroso diferentes contenidos de agua. Adaptado de «Samples of pervious concrete

with different watercontents», por Divya et al., 2017.

En la Figura 42 se observa lo siguiente: a) la mezcla tiene poco contenido de agua y

por lo tanto poca consistencia, la mezcla b) contiene demasiada humedad y el caso c)

es la ideal tanto en contenido de agua y consistencia de la mezcla.

En nuestro caso, se hizo esta prueba visual para todos los diseños mostrados, el cual se

muestra en la Tabla 41:

Tabla 41. Prueba de puñado en el concreto poroso

Mezcla Prueba visual

G1 - D1 Adecuado contenido de agua



G2 - D10 Abundante contenido de agua










73





En la Tabla 41 se indica los resultados de la prueba visual realizada a cada mezcla. La

unica mezcla que presento un exceso de agua es “G2-D7” causada por el aditivo

superplastificante. En el siguiente gráfico se muestran los resultados para dos diferentes

fibras:

Figura 43. Prueba de puñado del concreto poroso, por elaboración propia

En la Figura 43 se muestra la prueba visual para la FIBRA 1 (SikaCem-Fiber) y

la FIBRA 2 (BarChip 54) ambos realizados con el agregado HUSO 67. El ensayo

cumple para ambas muestras asegurando una consistencia adecuada y un óptimo

contenido de agua, tal como lo indica Divya et al., 2017.

4.1.3.2. Asentamiento del concreto poroso

Como ya se definió anteriormente, el concreto poroso presenta un slump cero; es decir,

cero pulgadas de asentamiento, así como se muestra en la Figura 44:

74

Figura 44. Asentamiento del concreto poroso, por elaboración propia

Tabla 42. Asentamiento del concreto poroso

Mezcla Slump < 1/2” Segregación

G1 - D1 Si No

G2 - D9 Si No

G1 - D2 Si No

G2 - D10 No No

G1 - D3 Si No

G2 - D11 Si No

G1 - D4 Si No

G2 - D12 Si No

G1 - D5 Si No

G2 - D13 Si No

G1 - D6 Si No

G2 - D14 Si No

G1 - D7 Si No

G2 - D15 Si No

75

G1 - D8 Si No

G2 - D16 Si No


En la Tabla 42 se indica el asentamiento o slump para cada mezcla realizada en

el laboratorio. En el diseño “G2 - D10” se observa que no cumple con el slump

adecuado, porque se incluyó un porcentaje adicional de aditivo lo cual generó que

esta mezcla tenga mayor fluidez y mayor contenido de pasta, por lo que obstruyó

los vacíos y se presentó menos porosidad con respecto a los demás diseños. A

partir de esta experiencia se decidió eliminar la inclusión del aditivo

superplastificante, dado que sin esta se presentaba una adecuada consistencia y

contenido de pasta.

4.2. Análisis de resultados

4.2.1. Ensayos en estado endurecido

4.2.1.1. Ensayos a compresión simple a distintas edades

Con el objetivo de evaluar el grado de influencia de la fibra de polipropileno en la

resistencia del concreto poroso, se realizó 2 mezclas de concreto patrón, cuyos resultados

se muestran a continuación:

Tabla 43. Resistencia a la compresión de un concreto poroso a los 14 días sin adición de fibra de

polipropileno


Tabla 44. Resistencia a la compresión de un concreto poroso a los 14 días con adición de fibra de

polipropileno


Mezcla MuestraEdad

(días)

Diámetro

(cm)

Área

(cm2)

Carga

Máxima

(kg)

Resistencia

compresión

(kg/cm2)

A 14 9.98 78.23 12032 153.81

B 14 9.96 77.91 11750 150.81D patrón 1

Mezcla MuestraEdad

(días)

Diámetro

(cm)

Área

(cm2)

Carga

Máxima

(kg)

Resistencia

compresión

(kg/cm2)

A 14 9.99 78.38 14125 180.21

B 14 9.97 78.07 14350 183.81D patrón 2

76

Las Tabla 43 y 44 muestran la influencia que presenta la fibra en la resistencia a

compresión a los 14 días del concreto poroso, donde se evidencia un aumento de

casi 30 kg/cm2 solo por la adición de este material sintético.

Figura 45. Resistencia promedio a la compresión (f’c) del concreto patrón, por elaboración propia

El Figura 45 representa mejor lo calculado en las Tablas 43 y 44, donde existen

diferencias de resistencias entre un concreto poroso con y sin fibra de

polipropileno.

Tabla 45. Resumen de resistencias promedios a la compresión a los 28 días del concreto poroso

Mezcla Resistencia promedio a

compresión a los 28 días (kg/cm2)

G1 - D1 171.42

G2 - D9 184.24

G1 - D2 215.49

G2 - D10 224.26

G1 - D3 245.32

G2 - D11 253.63

G1 - D4 286.59

G2 - D12 296.37

G1 - D5 277.59

G2 - D13 284.10

G1 - D6 272.70

G2 - D14 276.54

G1 - D7 256.85

G2 - D15 265.72

G1 - D8 219.09

G2 - D16 227.20


77

En la Tabla 45 se indica la resistencia promedio a compresión a los 28 días para

cada diseño que fue detallada anteriormente. A partir de estos resultados se deduce

que la fibra 1 (SikaCem-Fiber), presenta un mejor comportamiento mecánico, en

comparación con la fibra 2 (BarChip 54). Asimismo, se determinó que el aumento

de la relación agua cemento, nos ayuda a conseguir mayores resistencias hasta

llegar a un valor máximo que es 0.36 (umbral), luego de este valor se espera una

reducción de la resistencia. De la tabla se obtiene dos valores máximos de

resistencia a la compresión promedio a los 28 días. El primer valor corresponde al

Grupo 1-Diseño 4 (G1-D4) con un estimado de 286.59 kg/cm2. El segundo valor,

pertenece al Grupo 2-Diseño 12 (G2-D12) con una cifra de 296.37 kg/cm2. De

este modo, se estaría obteniendo el mayor valor de resistencia a la compresión con

un diseño con relación agua cemento de 0.36, fibra 1 y agregado de HUSO 8.

Es importante recalcar, que con el aumento de la relación agua cemento en un “concreto

convencional” se esperaría mayores resistencias, lo cual no aplica al concreto poroso por

ser este una mezcla especial. Una elevada relación a/c (>0.44) puede causar una excesiva

cantidad de pasta provocando una segregación; por el contrario, una relación a/c baja

(<0.25) puede dar lugar a una reducción de adherencia entre agregados además al tener

mayor cantidad de cemento, esta no se hidrata en su totalidad por no tener la cantidad de

agua suficiente para esto sea posible, por lo cual se presentan menores resistencias.

Los detalles de las resistencias a los 7, 14 y 28 días para cada mezcla se encuentra

detallado y especificado en el ANEXO Nº 7 al 13. A continuación, simplemente se

presentan los gráficos finales de los procesamientos de datos.

Figura 46. Resistencia promedio a los 28 días del concreto poroso, por elaboración propia

78

La validación de los resultados mostrados anteriormente, se plantea en base a lo descrito

por los autores Chavan et al.(2019), donde mencionan que la adición de 0.6% de fibra

de polipropileno de 33 micras y 12mm de longitud, mejora la resistencia a la compresión

en un 21.87%. De igual manera, los autores Patidar & Sonam (2017) describen que los

valores de resistencia a la compresión en pavimentos de concreto poroso, elaborados y

colocados adecuadamente, suelen alcanzar valores hasta los 16.14 Mpa con el uso de la

fibra de polipropileno de 12mm.

Figura 47. Relación a/c y la resistencia a la compresión (f’c) del grupo 1, por elaboración propia

Figura 48. Relación a/c y la resistencia a la compresión del grupo 2, por elaboración propia

79

Figura 49. Relación a/c y la resistencia a la compresión (f’c) de ambos grupos, por elaboración propia

Las Figuras 46, 47 y 48 nos ayudan a entender la proporción directamente

proporcional entre la relación a/c y la resistencia del concreto. Es decir, mientras

se aumenta la relación a/c se incrementa la resistencia. No obstante, este

crecimiento aritmético no es constante, ya que llega a un punto máximo donde la

resistencia vuelve a decrecer, se espera que este pico o umbral antes del descenso

sea un a/c 0.36. Asimismo, la Figura 49 presenta curvas comparativas entre los

grupos 1 y 2, demostrando la superioridad numérica de resistencia a compresión

del grupo 2 que está compuesto por agregados confitillo (HUSO 8).

La relación agua cemento (a/c) en el Concreto Poroso es uno de los parámetros que tiene

un comportamiento en la resistencia de manera diferente al concreto convencional. Los

resultados anteriormente presentados se validan por los descrito por los autores Patidar

& Sonam (2017). Ellos explican el efecto en la resistencia de la variación de la relación

a/c, concluyendo que la resistencia a la compresión aumenta cuando este parámetro

aumenta. De esta manera, logran obtener una resistencia máxima con una relación agua

cemento de 0.40. Asimismo, Mir & Chand (2019) evalúan concretos porosos con

relaciones a/c de 0.29, 0.31, 0.33, 0.35 y 0.37 de los cuales concluyen que el valor óptimo

de relación a/c es 0.37, puesto que logran alcanzar una resistencia máxima a la

compresión con probetas ensayadas a los 28 días.

80

4.2.1.2. Ensayos a tracción diametral

Los detalles de las resistencias a los 7, 14 y 28 días para cada mezcla se encuentra

detallado y especificado en el ANEXO Nº 15 al 22. A continuación, se presentan los

gráficos finales de los procesamientos de datos.

Tabla 46. Resumen de resistencias promedios a la tracción diametral a los 28 días del concreto poroso.

Mezcla Resistencia promedio a la

tracción diametral a los 28 días

(kg/cm2)

G1 - D1 29.88

G2 - D9 33.16

G1 - D2 37.50

G2 - D10 38.65

G1 - D3 43.18

G2 - D11 43.63

G1 - D4 49.01

G2 - D12 53.64

G1 - D5 49.41

G2 - D13 50.56

G1 - D6 48.54

G2 - D14 48.14

G1 - D7 44.18

G2 - D15 45.70

G1 - D8 38.12

G2 - D16 39.00


En la Tabla 46 se indica la resistencia promedio a la tracción diametral a los 28

días para cada diseño que ya fue detallada anteriormente. Asimismo, se verifica

que la fibra 1 (SikaCem-Fiber), presenta un mejor comportamiento mecánico, en

comparación con la fibra 2 (BarChip 54). De la tabla se obtiene dos valores

máximos de resistencia a la tracción diametral promedio a los 28 días. El primer

valor corresponde al Grupo 1-Diseño 4 (G1-D4) con un estimado de 49.01 kg/cm2.

EL segundo valor, pertenece al Grupo 2-Diseño 12 (G2-D12) con una cifra de

53.64 kg/cm2. De este modo, se estaría obteniendo el mayor valor de resistencia

tracción diametral con un diseño con relación agua cemento de 0.36, fibra 1 y

agregado de HUSO 8.

81

Con los valores de resistencia a la tracción indirecta obtenidos en la tabla anterior se

estaría cumpliendo con los requisitos mínimos que nos indica el Ministerio de Transportes

y Comunicaciones para el diseño de pavimentos rígidos. En esta norma se indica que la

resistencia mínima a la flexotracción debe tener un valor de 42 kg/cm2.

Figura 50. Resistencia promedio a la tracción diametral a los 28 días del concreto poroso, por

elaboración propia

La resistencia a la flexión, medida con el ensayo de tracción diametral, del concreto

poroso es un factor influente en el diseño de pavimentos. Para los autores Almeida

Mussato et al. (2017) la resistencia a la tracción promedia los 5.30 Mpa usando las fibras

de polipropileno cortas y piedra cuyo TMN es de 9.50mm. Asimismo, Cabello,

Campuzano, Espinoza, & Sánchez (2015) describen que los valores de resistencia a la

flexión en pavimentos de concreto poroso, elaborados y colocados adecuadamente, suelen

alcanzar valores hasta los 3.80 MPa, y resistencias a la compresión hasta 28 Mpa a los 28

días de ensayo.

82

Figura 51. Relación agua cemento (a/c) y resistencia a la tracción diametral a los 28 días del concreto

poroso del grupo 1, por elaboración propia


poroso del grupo 2, por elaboración propia

83


poroso de ambos grupos, por elaboración propia

Las Figuras 50, 51 y 52 nos ayudan a entender la proporción directamente

proporcional entre la relación a/c y la resistencia del concreto. Es decir, mientras

se aumenta la relación a/c se incrementa la resistencia. No obstante, este

crecimiento aritmético no es constante, ya que llega a un punto máximo donde la

resistencia vuelve a decrecer, se espera que este pico o umbral antes del descenso

sea un a/c 0.36. Asimismo, el Figura 53 presenta curvas comparativas entre los

grupos 1 y 2, demostrando la superioridad numérica de resistencia a compresión

del grupo 2 que está compuesto por agregados confitillo (HUSO 8).

Las proporciones de agua y cemento influyen significativamente en los valores de

resistencias a la tracción diametral. De esta manera, los investigadores Mir & Chand

(2019) indican que las resistencias de tracción diametral mínima y máxima alcanzan en

una relación de a/c de 0.29 a 0.37 respectivamente. Asimismo, concluyen que el valor

óptimo de a/c es 0.37 puesto que las muestras ensayadas a los 7 y 28 días alcanzan su

máxima resistencia en el valor indicado, garantizando la aplicación del concreto poroso

en diversas estructuras de concreto, como pavimentos.

4.3. Relación entre la resistencia a la compresión y tracción diametral

Como ya se ha mencionado anteriormente existe una relación directa entre la resistencia

a la compresión y la tracción diametral. Mediante las 192 mezclas realizadas en el

laboratorio se ha demostrado que la resistencia a la tracción diametral es 18% de la

resistencia a la compresión simple, lo siguiente:

84

R. Compresión = (18%) * (R. Tracción diametral) (15)

En la ecuación 15 se está indicando que aproximadamente la resistencia a la tracción

diametral es en 18% de la resistencia a la compresión simple. A manera de comparación,

en un concreto convencional la relación es el 15% aproximadamente, por lo que se estaría

comprobando la superioridad en un concreto poroso. Esto se cumplirá siempre y cuando

se use fibra de polipropileno u otro material similar, ya que por concepto se sabe que la

fibra mejora las propiedades de flexo tracción de un concreto.

Figura 54. Relación entre la resistencia a la tracción diametral y compresión simple del grupo 2, por

elaboración propia

El Figura 54 muestra la fórmula que relaciona la resistencia entre la compresión y

tracción diametral. Realizando las aproximaciones necesarias para un fácil

entendimiento y con la finalidad que se pueda aplicar de manera práctica en la

realidad fue que se mostró la ecuación 15.

85

CAPÍTULO V: SIMULACIÓN NUMERICA MEDIANTE EL MODELO

MICROESTRUCTURAL DE NEITHALATH

Para realizar la simulación numérica, esta investigación utilizará el modelo propuesto por

Neithalath, el cual se aplicó para el cálculo del coeficiente absorción acústica de

materiales porosos.

El autor explica que, para realizar un análisis acústico de materiales porosos, esta tiene

que estar relacionado con la “estructura del material”, en otras palabras, el volumen de

poro, el tamaño de poro y la distribución de estos. De este modo, Neithalath utiliza un

enfoque microestructural en lugar de un enfoque fenomenológico, ya que el objetivo es

relacionar el comportamiento de absorción acústica del concreto poroso con las

características de su estructura.

5.1. Geometría física de la estructura

El tamaño de los poros y la porosidad son las dos características más importantes de la

estructura de los poros que se pueden usar para describir el rendimiento acústico de

cualquier material utilizando el modelo microestructural de Neithalath.

Para el cálculo del diámetro y área de poros se utilizó un método de análisis de imágenes

de manera que se pueda diferenciar los vacíos de los demás elementos. Para cual se tomó

fotografías de la vista transversal de la probeta de CPF y luego se creó una imagen de

mapa de bits o ráster. Finalmente, para el procesamiento morfológico de la imagen se

programó una serie de códigos en el software MATLAB para calcular las áreas

monocromas mediante la cantidad de pixeles y su respectiva medida a escala.

Figura 55. Piedra HUSO 8, por elaboración propia.

86

Figura 56. Piedra HUSO 67, por elaboración propia.

En la Figura 55 y 56 se muestra la vista frontal y la vista transversal del concreto

poroso elaborado con piedra de HUSO 8 y 67 respectivamente. La imagen ráster

nos ayuda a identificar más fácilmente los vacíos que se muestran de color

“negro”, mientras que la piedra y pasta de color “blanco”.

5.1.1. Continuidad de poros

Un aspecto importante que se debe considerar antes de calcular las áreas monocromáticas

de la imagen ráster son los poros continuos. Es decir, existen ciertos volúmenes de poros

que no presentan continuidad a lo largo de estructura de la probeta, estos son considerados

aquellos que son relativamente pequeñas, para esta investigación se considerará “poros

discontinuos” aquellas que tiene áreas menores a 0.20cm2.

Figura 57. Continuidad de poros con piedra HUSO 8, por elaboración propia.

87

Figura 58. Continuidad de poros con piedra HUSO 8, por elaboración propia.

En el lado izquierdo de las Figuras 57 y 58 se encuentran las secciones

transversales iniciales y por el lado derecho las secciones que contiene poros

continuos a lo largo de la estructura. Con esta última se calcularán las áreas

efectivas mediante el software Matlab.

5.1.2. Cálculo de áreas con MATLAB

Como ya se mencionó anteriormente, este software nos permite programar una serie de

códigos para calcular el área de color “negro” que representa los vacíos o poros de la

sección transversal de la muestra. Cada imagen cargada al Matlab contiene 357x357

pixeles que se representa en una matriz de las mismas dimensiones. Los números de la

matriz tiene códigos que representan a los colores blanco y negro; de modo que, si se

calcula la dimensión de la matriz, a su vez se estará calculando al área total de la imagen

y con una simple diferencia con el área de color blanco, nos dará como resultado el área

efectiva de color negro. El código usado se muestra a continuación:

clear all

clc

F1 = imread('HUSO8.jpeg');

F2 = imread('HUSO67.jpeg');

I1 = im2bw(F1,0.4);

I2 = im2bw(F2,0.4);

%Calculo de area de figura 1%

Suma1=sum(I1);

Pixeles_blanco=sum(Suma1);

[m n]=size(I1);

Pixeles_TOTAL=m*n;

Pixeles_negra=Pixeles_TOTAL-Pixeles_blanco;

Area_pixel=100/(Pixeles_TOTAL);

Area_negra=Pixeles_negra*Area_pixel

%Calculo de area de figura 2%

88

Suma2=sum(I2);

Pixeles_blanco2=sum(Suma2);

[M N]=size(I2);

Pixeles_TOTAL=M*N;

Pixeles_negra=Pixeles_TOTAL-Pixeles_blanco2;

Area_pixel=100/(Pixeles_TOTAL);

Area_negra=Pixeles_negra*Area_pixel

Ejecutando el código mostrado anteriormente, se calcularán las áreas para el HUSO 8 y

HUSO 67 de tamaño de piedra. Finalmente, si se desea calcular el diámetro de cada poro

(Dp), se tendrá que contar las áreas por separado haciendo una suposición que estas tiene

igual diámetro.

Tabla 47. Cálculo del diámetro de poros de los agregados HUSO 8 y HUSO 67

HUSO 8 HUSO 67

Área de poros

(área negra) 12.4545 cm2 15.1733 cm2

Cantidad de círculos

con igual diámetro 60 45

Dp

12.4545

60=𝜋

4× 𝐷𝑝2

𝑫𝒑 = 𝟎. 𝟓𝟏𝟒 𝒎𝒎

𝑫𝒑 = 𝟓. 𝟏𝟒 𝒎𝒎

15.1733

50=𝜋

4× 𝐷𝑝2

𝑫𝒑 = 𝟎. 𝟔𝟓𝟓 𝒎𝒎

𝑫𝒑 = 𝟔. 𝟓𝟓 𝒎𝒎


En la Tabla 47 se muestran los diámetros finales de poro, obteniéndose un Dp de

5mm para el HUSO 8 y Dp de 7mm para el HUSO 67.

5.2. Cálculo de la porosidad (ϕ)

5.2.1. Simulación de estructura de poros

Luego del modelo propuesto por el autor para caracterizar la estructura de poros de un

material se presenta el siguiente esquema que muestra un sistema de poros que se asemeja

al CPF. Es importante, mencionar que el sistema planteado está basado en un estudio

sobre la impedancia acústica de aberturas circulares de espumas metálicas.

89


and characterization of acoustically», por Neithalath, 2004.

La Figura 59 se presenta considerando que la estructura del CPF constará de

aberturas de tamaño único. El esquema permite identificar que la estructura es una

serie de cilindros alternos con diámetros variables.


and characterization of acoustically», por Neithalath, 2004.

La Figura 60 indica que cada unidad del esquema mostrado en la estructura

anterior se presenta considerando que la estructura del CPF consiste en un poro y

aberturas con entradas y salidas. Se considera este elemento individual representa

la misma porosidad que el sistema total.

5.2.2. Presentación de la expresión que define la porosidad

Neithalath para definir la expresión que representa a la porosidad menciona que cada una

de las unidades debe tener la misma porosidad fraccional que la longitud y el diámetro

del poro, representados por los índices Lp y Dp respectivamente, la longitud y el diámetro

de la abertura del poro, asignados con los índices La y Da respectivamente. Asimismo, se

debe considerar el espesor de la pared (t). De esta manera, la relación de estas variables

se muestra en la ecuación 16:

𝜙 =

(𝐷𝑎2𝐿𝑎 + 𝐷𝑝

2𝐿𝑝)

(𝐿𝑎 + 𝐿𝑝)(𝐷𝑝 + 𝑡)2

(16)

90

Donde:





𝑡 : Espesor de la pared

En base a los estudios de Lu y equipo, Neithalath menciona que se considera que las

aberturas estarán distribuidas en una matriz hexagonal, así se puede agrupar los poroso

más cercanos. Asimismo, las dimensiones circulares de la estructura en análisis se

aproximan a las dimensiones de los hexágonos. (Neithalath, 2004).

Figura 61. Matriz que idealiza las aberturas mediante un hexágono. Adaptado de «Development and

characterization of acoustically», por Neithalath, 2004.

La Figura 61 detalla la distribución de los vacíos, los cuales están separados a una

distancia D. El autor considera que los vacíos serán encerrados por hexágonos que

tendrán de lado la mitad de la distancia de separación (D/2).

En base a la matriz de aberturas calculamos la relación de variables que presentan cada

una, a continuación, se muestra el procedimiento sugerido por Neithalath bajo las

consideraciones de lo explicado en líneas anteriores.

Cálculo de Lp en función de D: Para este procedimiento se considerará la

igualdad del volumen del prisma hexagonal (Vhexagono)y el volumen de una esfera

(Vesfera) de diámetro de (D), las cuales se definen en la ecuación 17 y ecuación 18:

91

𝑉𝐻𝑒𝑥𝑎𝑔𝑜𝑛𝑜 =

3√3 × 𝐷2 × 𝐿𝑝

8

(17)

𝑉𝑒𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 =

𝜋 × 𝐷3

6

(18)

Donde:

𝑉ℎ𝑒𝑥𝑎𝑔𝑜𝑛𝑜 : Volumen del prima hexagonal

𝑉𝑒𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 : Volumen de la esfera

𝐷 : Diámetro de la esfera en base a la distribución de vacíos


Si igualamos las ecuaciones 16 y 17, obtenemos la Lp en función de D la cual se

expresa en la ecuación 19:

𝑉𝐻𝑒𝑥𝑎𝑔𝑜𝑛𝑜 = 𝑉𝑒𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎

3√3 × 𝐷2 × 𝐿𝑝

8=𝜋 × 𝐷3

6

𝐿𝑝 =(8) × 𝜋 × 𝐷3

6 × (3√3 × 𝐷2)

Cálculo de Lp en función de Dp: Para este procedimiento se considerará la

igualdad del área del prisma hexagonal de lado (D/2), al cual se define como

Ahexagono, y el área de una esfera (Aesfera) de diámetro (Dp). Estas variables se

representan en las ecuaciones 20 y 21.

𝐴𝐻𝑒𝑥𝑎𝑔𝑜𝑛𝑜 =

3√3 × (𝐷/2)2

2

(20)

𝐿𝑝 = 0.806𝐷

(19)

92

𝐴𝑐í𝑟𝑐𝑢𝑙𝑜 =𝜋 × 𝐷2

4

(21)

Donde:

𝐴ℎ𝑒𝑥𝑎𝑔𝑜𝑛𝑜 : Volumen del prima hexagonal

𝐴𝑐í𝑟𝑐𝑢𝑙𝑜 : Área del circulo

𝐷 : Diámetro de la esfera en base a la distribución de vacíos

𝐴𝐻𝑒𝑥𝑎𝑔𝑜𝑛𝑜 = 𝐴𝐶í𝑟𝑐𝑢𝑙𝑜

De las ecuaciones 20 y 21 obtenemos que Dp en función de D representada en la

ecuación 22:

𝐷𝑝 = 0.909𝐷 (22)

De esta manera, al igualar las ecuaciones 19 y 22 obtenemos la longitud de poros

en función del diámetro de poros, lo cual se muestra en la ecuación 23:

𝐿𝑝 = 0.90𝐷𝑝 (23)

5.3. Factor de estructura (Ks)

Neithalath en su modelo propuesto describe que existen perdidas laterales luego de que

las ondas de sonido recorren los cilindros secuenciales. Este fenómeno es producido

debido a que el sistema poros en realidad está compuesto por poros laterales además de

los poros principales. A partir de esta explicación, aparece un término adicional para el

cálculo del coeficiente de absorción acústica al cual se le denomina factor de estructura

(Ks).

El factor de estructura (Ks) es caracterizada por la relación entra la porosidad total (Φ) y

el volumen de los poros principales (Φ poros principales). Este factor, permite explicar el

fenómeno explicado en el párrafo anterior. De este modo, el poro efectivo en la absorción

acústica está relacionado al volumen de poros que se mide considerando el factor de

estructura no adimensional.

La definición física del Ks se explica en base a la Figura 62. El significado consiste en

que si aplicamos un gradiente de presión, como una onda estacionaría dentro de un tubo

93

de impedancia, el aire en los poros principales vibra, pero en las cavidades laterales, el

aire en la mayoría de su porcentaje se encuentra en reposo. Estos poros laterales como

define el autor indican que el fluido es estos espacios tiene un comportamiento pesado.

De este modo, el factor nos permite entender que no todos los poros contribuyen

igualmente a los mecanismos de pérdida del sonido dentro de la superficie porosa.

Además, se recuerda que el factor ks no depende del fluido al que es sometido la muestra

sino de la geometría y estructura que los poros presentan. El valor de ks generalmente

oscila entre 3 y 7, aunque técnicamente puede tener cualquier valor superior a

(Neithalath, 2004).

Figura 62. Esquema que define el factor de estructura. Adaptado de «Development and characterization

of acoustically», por Neithalath, 2004.

5.3.1. Determinación del factor de estructura (Ks)

El cálculo del factor ks se realizó considerando la ecuación de poros definida en la

ecuación (1). (Allard, 1993). El proceso para calcular las cavidades laterales es un proceso

relativamente extenso basado en procesos experimentales. Este cálculo se a partir de las

velocidades de flujo aplicadas por el gradiente de presión y la geometría de poros.

De este modo, considerando la ecuación de Euler linealizada para resolver la ecuación de

onda que se presenta en la ecuación 24, la cual representa la velocidad de la partícula

acústica en la dirección X. (Neithalath, 2004)

𝑢𝑥 =

−1

𝑗 × 𝜔 × 𝜌0 × 𝑘𝑠

𝜕𝑝

𝜕𝑥

(24)

Donde:


94

𝜔 : Frecuencia angular

𝜌0 : Densidad del aire

𝑝 : Presión acústica

La velocidad de la partícula acústica presenta dos componentes, uno correspondiente a la

velocidad en el poro (que se define como poro ux) y otro correspondiente a la velocidad

en la abertura (definida como apertura ux). La relación de estas dos variables de muestran

en la ecuación 25. (Allard 1993):

𝑢𝑥−𝑝𝑜𝑟𝑜𝑢𝑥−𝑎𝑝𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎

=𝐷𝑎

2

𝐷𝑝2

(25)

La velocidad promedio del volumen en la dirección X se expresa de la siguiente manera

en la ecuación 26:

⟨𝑢𝑥−𝑝𝑜𝑟𝑒⟩𝑣 =

𝐿𝑝𝐴𝑝

𝐿𝑎𝐴𝑎 + 𝐿𝑝𝐴𝑝𝑢𝑥−𝑝𝑜𝑟𝑒

𝐿𝑎𝐴𝑎𝐿𝑎𝐴𝑎 + 𝐿𝑝𝐴𝑝

𝑢𝑥−𝑎𝑝𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑒 (26)

Las variables Ap y Aa son las áreas de un poro y apertura respectivamente.


𝐴𝑝 : Área de poro


𝐴𝑎 : Área de apertura de poro

La presión en una combinación de poro-apertura (a lo largo de la dirección X) y se expresa

en la ecuación 27:

𝜕𝑝

𝜕𝑥=𝜕𝑝𝑝𝑜𝑟𝑜

𝜕𝑥

𝐿𝑝𝐿𝑝 + 𝐿𝑎

+𝜕𝑝𝑎𝑝𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑒

𝜕𝑥

𝐿𝑎𝐿𝑝 + 𝐿𝑎

(27)

A partir de estas expresiones anteriores, el factor de estructura (ks) se puede representar

como se muestra en la ecuación 28:

𝑘𝑠 =

(𝐿𝑎𝐷𝑎2 + 𝐿𝑝𝐷𝑝

2)(𝐿𝑎𝐷𝑝2 + 𝐿𝑝𝐷𝑎

2)

(𝐿𝑎 + 𝐿𝑝)2 × 𝐷𝑎2𝐷𝑝2

(28)

95

Donde:






5.4. Cálculo del coeficiente de absorción acústica máxima

5.4.1. Determinación de Da y La

Con las variables previamente definidas, en la ecuación 16 la única incógnita por

encontrar son La y Da. La estrategia desarrollada para resolver las ecuaciones se muestra

a continuación.

Tabla 48. Cálculo de La y Da para el HUSO 8 y HUSO 67

96


En la Tabla 48 se muestran las tabulaciones de las variables mostradas en la

ecuación (1). Para resolver esto se asumió valores de la longitud de poro (Lp) con

el objetivo que todas las variables sean conocidas. Pero al realizar esta suposición

la ecuación no muestra un valor real; por lo que, se realizó una gráfica

relacionando el Lp y Dp/Da hasta encontrar una tendencia asintótica, y cuando

esto sucede se habrá calculado el valor real.

A continuación, se muestra la gráfica de valores para el agregado HUSO 8 y

HUSO 67:

Dp Da Lp La ∅ Dp/Da

5.14 3.4911 4.626 20 25% 1.4723

5.14 3.4709 4.626 19 25% 1.4809

5.14 3.4483 4.626 18 25% 1.4906

5.14 3.4228 4.626 17 25% 1.5017

5.14 3.3940 4.626 16 25% 1.5144

5.14 3.3610 4.626 15 25% 1.5293

5.14 3.3229 4.626 14 25% 1.5468

5.14 3.2784 4.626 13 25% 1.5678

5.14 3.2257 4.626 12 25% 1.5934

5.14 3.1623 4.626 11 25% 1.6254

5.14 3.0845 4.626 10 25% 1.6664

5.14 2.9866 4.626 9 25% 1.7210

5.14 2.8596 4.626 8 25% 1.7975

5.14 2.6875 4.626 7 25% 1.9126

5.14 2.4391 4.626 6 25% 2.1073

5.14 2.0413 4.626 5 25% 2.5180

5.14 1.9291 4.626 4.8 25% 2.6644

5.14 1.7992 4.626 4.6 25% 2.8568

5.14 1.6458 4.626 4.4 25% 3.1230

5.14 1.4595 4.626 4.2 25% 3.5218

5.14 1.2221 4.626 4 25% 4.2059

5.14 0.8888 4.626 3.8 25% 5.7830

Dp Da Lp La ∅ Dp/Da

6.55 4.3128 5.895 20 25% 1.5187

6.55 4.2789 5.895 19 25% 1.5308

6.55 4.2409 5.895 18 25% 1.5445

6.55 4.1981 5.895 17 25% 1.5602

6.55 4.1494 5.895 16 25% 1.5786

6.55 4.0934 5.895 15 25% 1.6001

6.55 4.0285 5.895 14 25% 1.6259

6.55 3.9524 5.895 13 25% 1.6572

6.55 3.8616 5.895 12 25% 1.6962

6.55 3.7515 5.895 11 25% 1.7460

6.55 3.6149 5.895 10 25% 1.8119

6.55 3.4407 5.895 9 25% 1.9037

6.55 3.2096 5.895 8 25% 2.0407

6.55 2.8854 5.895 7 25% 2.2700

6.55 2.8037 5.895 6.8 25% 2.3362

6.55 2.7144 5.895 6.6 25% 2.4131

6.55 2.6161 5.895 6.4 25% 2.5037

6.55 2.5072 5.895 6.2 25% 2.6125

6.55 2.3856 5.895 6 25% 2.7456

6.55 2.2484 5.895 5.8 25% 2.9132

6.55 2.0914 5.895 5.6 25% 3.1318

6.55 1.9085 5.895 5.4 25% 3.4321

6.55 1.6894 5.895 5.2 25% 3.8771

6.55 1.4153 5.895 5 25% 4.6281

6.55 1.0397 5.895 4.8 25% 6.3000

97



En la Figura 63 y 64 se muestran las curvas asintóticas para cada tipo de agregado,

los cuales fueron usados para calcular el valor real de la longitud de poro (La).

5.4.2. Relación entre Ks y el coeficiente de absorción acústica

Luego de realizar el cálculo de todas las variables de la ecuación 16, se procede a calcular

el “ks” usando ecuación 28:

98

Tabla 49. Cálculo del factor de estructura para el HUSO 8 y HUSO 67 respectivamente


En la Tabla 49 se muestran los cálculos del factor estructura (Ks) para cada tamaño

de agregado, obteniéndose 3.23 y 5.19 para el HUSO 8 y HUSO 67

respectivamente.

Existe una relación inversamente proporcional entre el factor de estructura y el coeficiente

máximo de absorción acústica, graficada a continuación:

Figura 65. Relación entre la máxima absorción acústica y el ks. Adaptado de «Development and

characterization of acoustically efficient cementitious materials», por Neithalath, 2004.

De esta manera en la Figura 65, se puede verificar que existe un comportamiento

inversamente proporcional entre las dos variables mostradas. Es decir, que a

medida que el factor de estructura aumenta el coeficiente de absorción máximo

disminuye y genera una tendencia lineal.

Longitud de apertura La 4.2 mm

eleccion de Dp/Da - 3.52

Diametro de apertura Da 1.46 mm

Diametro de poros Dp 5.14 mm

Longitud de poro Lp 4.626 mm

Factor de Estructura Ks 3.23

DATOS DE ENTRADA

Longitud de apertura La 5 mm

eleccion de Dp/Da - 4.63

Diametro de apertura Da 1.415 mm

Diametro de poros Dp 6.55 mm

Longitud de poro Lp 5.895 mm

Factor de Estructura Ks 5.19

DATOS DE ENTRADA

99

Finalmente, para calcular el coeficiente de absorción acústica se utiliza esta grafica

propuesta por Neithalath, donde se relaciona el “ks” y “α”. De acuerdo con los cálculos,

en la Tabla 50 se tienen valores de ks de 3.23 y 5.19 para el agregado de HUSO 8 y HUSO

67 respectivamente. De este modo, en base a los valores del factor estructura se tiene un

coeficiente de absorción acústica máxima de 0.79 para el HUSO 8 y 0.63 para el HUSO

67.

Tabla 50. Coeficiente de absorción acústica para el HUSO 8 y HUSO 67

HUSO 8 HUSO 67

Coeficiente de absorción

acústica máxima (α) 0.79 0.63


La interpretación que se le puede dar a este comportamiento está fundamentada con el ks.

Sabemos que el factor de estructura (Ks) está definida por la relación entra la porosidad

total (ϕ) y el volumen de los poros principales (ϕ poros principales). Entonces si se aplica

un fluido en la estructura porosa, el desplazamiento del aire será a través del medio poroso

principal del material. De este modo, se puede interpretar que, si el volumen de poros

principales aumenta, el factor de estructura disminuye, lo cual representa un aumento en

la “porosidad acústica” (ϕ/ks). Esto significa que la máxima absorción acústica

aumentará.

100

CAPÍTULO VI: ANÁLISIS ECONÓMICO COMPARATIVO

El principal objetivo de realizar una comparación económica es seleccionar una

alternativa con una mejor rentabilidad, la cual permita ahorrar costos en un plazo

establecido. De este modo, se debe considerar un enfoque integral, donde se incluya los

costos de inversión durante el ciclo de vida del pavimento.

En el presente capítulo se pretende comparar los precios de construcción de un pavimento

flexible y rígido para condiciones hipotéticas similares de tránsito y suelo de fundación.

A efectos de realizar una comparación objetiva, por cada diseño del paquete estructural

del pavimento se planea variar el CBR y la ESAL (Ejes equivalentes simples).

Por un lado, los valores de CBR que se planea variar son 6%, 10% y 20% considerando

una condición de la subrasante como pobre, regular y buena respectivamente. Por otro

lado, se considerará valores de ejes equivales de 1 000 000, 5 000 0000 y 10 000 000 que

representan volúmenes de transito bajo e intermedio.

6.1. Consideraciones para el cálculo del diseño de pavimentos

El diseño de pavimentos flexibles será elaborado en base al manual AASHTO-Guide for

Desing of Pavement Structures y el manual del MTC-Ministerio de Transportes y

comunicaciones.

6.1.1. Diseño de pavimento flexible

Para determinar las capas del pavimento flexible se utilizará la ecuación 29 propuesta por

el Ministerio de Transportes y Comunicaciones (MTC). Esta fórmula nos permitirá

determinar el número estructural (SN) y partir de ello los espesores de capas.

log10𝑊18 = 𝑍𝑅 × 𝑆0 + 9.36 × log10(𝑆𝑁 + 1) − 0.20 +

log10 (∆𝑃𝑆𝐼

4.2 − 1.5)

0.40 +1094

(𝑆𝑁 + 1)5.19

+ 2.32 × log10𝑀𝑅 − 8.07

(29)

Para el desarrollo de la ecuación 29 en la tabla 51 se define las variables y el valor que se

considerará para el cálculo del número estructural. De esta manera, se tiene el siguiente

cuadro resumen:

101

Tabla 51. Parámetros constantes y variables requeridos para el cálculo del SN

DESCRIPCIÓN VALOR UND

PARAMETROS CONSTANTES

Error estándar combinado SO 0.45 -

Número de etapa N° 1

PARAMETROS VARIABLES

Tráfico ESAL W82 1.00x106 -

Índice de serviciabilidad inicial Pi 3.8 -

Índice de serviciabilidad final Pf 2 -

Variación de índice de serviciabilidad ∆PSI 1.8 -

Nivel de confiabilidad R 80% -

Desviación estándar normal ZR -0.842 -

Tipo de tráfico TP TP4


Índice de serviciabilidad inicial Pi 4 -

Índice de serviciabilidad final Pf 2.5 -






Índice de serviciabilidad inicial Pi 4 -

Índice de serviciabilidad final Pf 2.5 -


102




CBR de la Subrasante CBR 6% -

Módulo de resilencia MR 8042.81 Psi






El Tabla 51 se muestran una serie de parámetros constantes y variables. Estos

últimos son dependientes del tráfico ESAL y del CBR, por lo que varían cuando

se aumentan los valores.

6.1.1.1. Cálculo de espesores en base al número estructural (SN)

A partir del SN obtenido después de haber procesado de la ecuación de diseño AASHTO

se calcularán el espesor efectivo de cada una de las capas que constituirán el pavimento.

Es decir, se obtendrá el valor de la capa de rodadura (D1), de base (D2) y de subbase

(D3).

Aplicando coeficientes estructurales y de drenaje la ecuación 30 nos permitirá calcular

los espesores de las capas del pavimento partir de reemplazar el valor de numero

estructural calculado con la ecuación 29.

𝑆𝑁 = 𝑎1𝐷1 + 𝑎2𝐷2𝑚2 + 𝑎3𝐷3𝑚3 (30)

Donde:

a1, a2, a3: Coeficientes estructurales de las capas: Superficial, base y subbase

respectivamente.

D1, D2, D3: Espesores (cm) de las capas: Superficial, base y subbase respectivamente.

103

m1, m2: Coeficientes de drenaje para las capas: Superficial, base y subbase

respectivamente.

Según el manual de AASHTO y similarmente el del MTC, la ecuación tiene diversas

soluciones. En otras palabras, existirá diversas combinaciones de espesores que cumplan

con lo solicitado. El profesional responsable tendrá que seleccionar la mejor alternativa,

evaluando los temas de servicio, funcionalidad y su comportamiento estructural en

relación al tránsito que soportará durante su periodo de diseño. (MTC, 2014)

Los valores de los coeficientes considerados estructurales (ai) para el diseño

fueron tomados del MTC, los cuales se resumen en la siguiente tabla:

Tabla 52. Coeficientes Estructurales según las componentes del pavimento


La Ecuación SN de la formula mostrada para el cálculo del SN también requiere

de valores de los coeficientes de drenaje (mi). Este valor de coeficiente permite

considerar la influencia de la escorrentía en la estructura del pavimento.

El coeficiente de drenaje según el manual del MTC está representado por dos variables,

las cuales se presentan a continuación:

La calidad del drenaje.

Exposición a la saturación, que es el porcentaje de tiempo durante el año

en que un pavimento está expuesto a niveles de humedad que se aproximan

a la saturación

COMPONENTE DEL PAVIMENTO COEFICIENTEVALOR DE COEFICIENTE

ESTRUCTURAL

Carpeta Asfáltica en Caliente, módulo

2,965 MPa (430,000 PSI) a 20 °C (68

oF)

a1 0.170

Base Granular CBR 80%, compactada al

100% de la MDSa2 0.052

Sub Base Granular CBR 40%,

compactada al 100% de la MDSa3 0.047

BASE

CAPA ASFÁLTICA

SUBBASE

104

Para el diseño se consideró los siguientes valores de coeficiente de drenaje:

Tabla 53. Coeficientes de drenaje según las componentes del pavimento (ai)


En la Tabla 53, Se muestra el valor de los coeficientes de drenaje, para los cuales se

consideró una calidad de drenaje bueno y con un porcentaje de tiempo expuesto a niveles

de humedad mayor al 25%.

Finalmente, con esto valores se procedió a calcular los espesores considerando los

parámetros variables de ESAL Y CBR, en los puntos posteriores se mostrarán los valores

de las dimensiones de las capas con sus respectivos análisis económicos.

6.1.2. Diseño de Pavimento Rígido de Concreto Convencional

Para calcular el espesor de la losa de concreto convencional se usará la formula descrita

en el MTC , la cual se muestra en la ecuación 31:

log10𝑊82 = 𝑍𝑟 × 𝑆0 + 7.35 × log10(𝐷 + 25.4) − 10.39 +log10 (

∆𝑃𝑆𝐼4.2 − 1.5

)

1 +1.25 × 1019

(𝐷 + 25.4)8.46

+ (4.22 − 0.32𝑃𝑡) ×× log10

(

𝑀𝑟𝐶𝑑𝑥(0.09𝐷0.75 − 1.132)

1.51 × (0.09𝐷0.75 −7.38

(𝐸𝑐𝑘)0.25)

)

(31)

Para el desarrollo de la ecuación 31 en la tabla 54 se definen las variables y los valores

de cada parámetro para el calcular el espesor de la losa de concreto (D). De esta manera,

se tienen los siguientes parámetros que varían en función al ESAL y CBR.

Tabla 54. Parámetros constantes y variables usados en la ecuación de concreto convencional

DESCRIPCIÓN VALOR UND

PARAMETROS CONSTANTES

Error estándar combinado SO 0.35 -

COMPONENTE DEL PAVIMENTOCOEFICIENTES DEL

DRENAJE mi

Base (m2) 1

Subbase (m3) 1

105

Módulo de ruptura del concreto MR 4.02 Mpa/m

Módulo de elasticidad del concreto EC 24801.00 Mpa/m

Coeficiente de drenaje CD 1.00 -

Coeficiente de transferencia de carga J 3.20 -

CBR de la Subbase CBR 40% -

Espesor de la Subbase 20 cm

PARAMETROS VARIABLES


Índice de serviciabilidad ∆PSI 2.10 -

Índice de serviciabilidad Final PF 2.00 -














Módulo de reacción combinado KC 55.00 -

106






6.1.3. Diseño de Pavimento Rígido de Concreto Poroso

Con la finalidad de homogenizar las condiciones de diseño para el cálculo de capas del

pavimento poroso, se optó por considerar la misma ecuación y los mismos parámetros del

pavimento rígido de concreto convencional.

De este modo, los espesores determinados en el numeral 6.1.2 serán los mismos para el

espesor de pavimento poroso.

6.2. Consideraciones para el cálculo económico

El modelo de costeo que se presenta esta en soles (moneda nacional) con precios de

mercado para los materiales y los componentes de las partidas para la construcción de un

pavimento.

Tabla 55. Consideraciones de la vía para el diseño del pavimento rígido y flexible

Condiciones de vía

N° de carriles 2

Sentido de vía 2

Ancho de carril 3.60 m


6.3. Alternativas de diseño

6.3.1.1. ESAL= 1 000 000

CBR= 6%

107

PAVIMENTO FLEXIBLE

Tabla 56. ACU de Pavimento Flexible con 6% y 1 000 000 de ESAL

Con las fórmulas mostradas anteriormente se puede calcular los espesores de la estructura

de pavimentos. En la Tabla 56 se muestra un análisis de costos unitarios para un

pavimento flexible con 6% de CBR y 1 000 000 de ESAL. En este análisis se consideró

todos los componentes que engloban la construcción de un pavimento:

Movimiento de tierra

Las capas granulares

Carpeta asfáltica.

De este modo se obtuvo un precio unitario de S/399.93 para 1ml de pavimento.

El detalle de los cálculos, análisis de precios unitarios y cálculo de espesores, para CBR

de 10%, 20% y ESAL de 5 000 000 y 10 000 000 se muestran en los ANEXOS N° 23 al

58.

108

6.4. Análisis de resultados

6.4.1. Espesores de pavimento

A partir de los diferentes cálculos mostrados en el numeral 5.3, se realizó el resumen de

sus espesores de pavimento flexible, rígido y poroso para diferentes CBR y transito

ESAL, los cuales se muestran en la Tabla 57:

Tabla 57. Resumen de espesores de pavimento flexible, rígido y poroso


Figura 66. Espesores de carpeta de asfáltica por tipo de CBR en función al tránsito vehicular (ESAL), por

elaboración propia

CBR ESAL FLEXIBLE RIGIDO POROSO

1.00E+06 10.00 17.00 17.00

5.00E+06 14.00 24.00 24.00

1.00E+07 16.00 27.00 27.00

1.00E+06 9.00 17.00 17.00

5.00E+06 12.50 23.50 23.50

1.00E+07 13.00 26.50 26.50

1.00E+06 7.00 16.00 16.00

5.00E+06 9.00 23.00 23.00

1.00E+07 10.00 26.00 26.00

6%

10%

20%

ESPESORES

109

Figura 67. Espesores de carpeta de asfáltica por tipo de CBR en función al tránsito vehicular (ESAL), por

elaboración propia

En las Figuras 66 y 67 se muestran los resúmenes del cálculo de espesores de

pavimentos donde se indica una relación inversamente proporcional entre la

resistencia del terreno (CBR) y el espesor de la carpeta de rodadura, pero una

relación directa con el tránsito ESAL. Es decir, mientras mejor es el CBR de la

subrasante, menores serán los espesores de asfalto del pavimento flexible.

Figura 68. Espesores de carpeta de concreto por tipo de CBR en función al tránsito vehicular (ESAL),

por elaboración propia

Figura 69. Espesores de carpeta de concreto por tipo de CBR en función al tránsito vehicular (ESAL),

por elaboración propia

110

En las Figuras 68 y 69 se muestran los resúmenes del cálculo de espesores de

pavimentos. Por un lado, se indica una relación inversamente proporcional entre la

resistencia del terreno (CBR) y el espesor de la carpeta de rodadura. De este modo,

para un CBR de 6% y un ESAL de 5 millones, se tiene un espesor de 24 cm. No

obstante, con un valor de CBR de 20% y las mismas condiciones de ESAL, se tiene

un valor 23 cm.

Por otro lado, se aprecia una relación directamente proporcional entre el tránsito

ESAL y la carpeta de rodadura. Por ejemplo, con un CBR de 6% y un ESAL de 1

000 000, se obtiene un espesor de 17 cm. Sin embargo, para las mismas condiciones

de CBR y un ESAL de 10 000 000 se tiene un valor de 27 cm de carpeta de rodadura.

Asimismo, resulta evidente que el concreto es menos susceptible a la variación de

CBR en comparación al asfalto. Esto se da porque el manual de AASTHO 93 tiene

factores que afectan a los espesores de asfalto cuando están expuestas a resistencias

de terreno (CBR) relativamente bajas.

Finalmente, es importante recalcar que para realizar la comparación entre

pavimento rígido convencional y pavimento rígido de concreto poroso se

considerarán espesores iguales.

111

6.4.2. Resultados de la comparación de costos

Luego de realizar el cálculo de costos de pavimento por metro lineal se procede a comparar el pavimento asfáltico, concreto convencional y concreto

poroso. Para este análisis se realizó el análisis de costo unitario (ACU) de cada partida los cuales se muestran en los ANEXOS N°50 al 60.

Para comparar las variables se considerará las siguientes iteraciones con la intención de vincular todos los parámetros considerados en el análisis.

Iteraciones de relación de precios Interacciones de diferencias de precios

𝑅1 =𝑃. 𝐹𝐿𝐸𝑋𝐼𝐵𝐿𝐸

𝑃. 𝑅Í𝐺𝐼𝐷𝑂

𝐷1 = 𝑃. 𝐹𝐿𝐸𝑋𝐼𝐵𝐿𝐸 − 𝑃. 𝑅Í𝐺𝐼𝐷𝑂

𝑅2 =𝑃. 𝐹𝐿𝐸𝑋𝐼𝐵𝐿𝐸

𝑃. 𝑃𝑂𝑅𝑂𝑆𝑂

𝐷2 = 𝑃. 𝐹𝐿𝐸𝑋𝐼𝐵𝐿𝐸 − 𝑃. 𝑃𝑂𝑅𝑂𝑆𝑂

𝑅3 =𝑃. 𝑅Í𝐺𝐼𝐷𝑂

𝑃. 𝑃𝑂𝑅𝑂𝑆𝑂

𝐷3 = 𝑃. 𝑅Í𝐺𝐼𝐷𝑂 − 𝑃. 𝑃𝑂𝑅𝑂𝑆𝑂

Tabla 58. Precio de pavimento asfáltico, de concreto y poroso para diferentes escenarios


CBR ESAL FLEXIBLE RIGIDO POROSO FLEXIBLE RIGIDO POROSO FLEX / RIGI FLEX / PORO RIGI / PORO FLEX - RIGI FLEX - PORO RIGI - PORO

1.00E+06 10.00 17.00 17.00 S/399.93 S/365.56 S/362.23 109.40% 110.41% 100.92% S/34.37 S/37.70 S/3.33

5.00E+06 14.00 24.00 24.00 S/511.00 S/478.22 S/464.38 106.85% 110.04% 102.98% S/32.78 S/46.63 S/13.85

1.00E+07 16.00 27.00 27.00 S/574.47 S/554.58 S/536.22 103.59% 107.13% 103.42% S/19.89 S/38.25 S/18.36

1.00E+06 9.00 17.00 17.00 S/376.13 S/365.56 S/362.23 102.89% 103.84% 100.92% S/10.57 S/13.90 S/3.33

5.00E+06 12.50 23.50 23.50 S/475.30 S/470.18 S/457.08 101.09% 103.99% 102.87% S/5.13 S/18.22 S/13.10

1.00E+07 13.00 26.50 26.50 S/503.07 S/546.53 S/528.93 92.05% 95.11% 103.33% -S/43.46 -S/25.86 S/17.60

1.00E+06 7.00 16.00 16.00 S/328.53 S/349.46 S/347.64 94.01% 94.50% 100.53% -S/20.93 -S/19.11 S/1.83

5.00E+06 9.00 23.00 23.00 S/392.00 S/462.13 S/449.78 84.82% 87.15% 102.74% -S/70.13 -S/57.79 S/12.35

1.00E+07 10.00 26.00 26.00 S/431.66 S/538.48 S/521.63 80.16% 82.75% 103.23% -S/106.82 -S/89.97 S/16.85

DIFERENCIA DE PRECIOS

6%

10%

20%

RELACIÓN DE PRECIOSESPESORES PRECIO

112

6.4.2.1. Comparativa de precios entre un pavimento flexible y de

concreto convencional

Figura 70. Diferencia de precio del pavimento flexible y pavimento de concreto por tipo de CBR en

función al tránsito vehicular (ESAL), por elaboración propia

Figura 71. Diferencia de precio del pavimento flexible y pavimento de concreto por tipo de CBR en

función al tránsito vehicular (ESAL), por elaboración propia

En la Figura 70 y 71 se explica la variación de precios entre el pavimento asfaltico

y de concreto convencional. A partir de ello, se observa que para subrasante de baja

capacidad portante es más económico construir un pavimento de concreto

convencional. Sin embargo, resulta menor el costo construir un pavimento con

carpeta asfáltica cuando las condiciones de terreno presentar mejor capacidad

portante. Por ejemplo, para un ESAL de 1 000 000 y CBR de 6 % el pavimento de

concreto convencional muestra un ahorro de S/ 34.37 respecto al pavimento

asfáltico que a su vez representa 9.40%. De otro modo, para las mismas condiciones

de ESAL y un CBR de 20% el pavimento asfáltico presenta un ahorro de S/ 20.93

113

en comparación al pavimento con concreto convencional, lo cual representa un

5.99%.

De lo explicado en líneas anteriores, se aprecia que existe un

comportamiento claramente definido para un CBR 6% y 20%. No obstante,

para un CBR de 10% no sucede lo mismo, puesto que hasta un ESAL de 5

000 000 resulta conveniente construir un pavimento rígido, pero partir de

este ESAL en adelante los precios de implementar este pavimento resultan

mayores a un pavimento asfáltico.

6.4.2.2. Comparativa de precios entre un pavimento flexible y

concreto poroso

Figura 72. Diferencia de precio del pavimento flexible y pavimento de concreto poroso por tipo de CBR

en función al tránsito vehicular (ESAL), por elaboración propia

Figura 73. Diferencia de precio del pavimento flexible y pavimento de concreto poroso por tipo de CBR

en función al tránsito vehicular (ESAL), por elaboración propia

En las Figuras 72 y 73 se explica la variación de precios entre el pavimento asfaltico

y de concreto poroso. En estas gráficas se aprecia un comportamiento similar a lo

114

comparado en el ítem 1.1.2.1., pero con mayores ahorros para el concreto poroso

para ciertas condiciones de ESAL. Por ejemplo, para un ESAL de 1 000 000 y CBR

de 6 % el pavimento de concreto poroso muestra un ahorro de S/ 37.70 respecto al

pavimento asfáltico que a su vez representa 10.41%. De otro modo, para las mismas

condiciones de ESAL y un CBR de 20% el pavimento asfáltico presenta un ahorro

de S/ 19.11 en comparación al pavimento con concreto poroso, lo cual representa

un 5.50%.

De lo explicado en líneas anteriores, se aprecia que existe un comportamiento

claramente definido para un CBR 6% y 20%. No obstante, para un CBR de 10% no

sucede lo mismo, puesto que hasta un ESAL de 7 000 000 resulta conveniente

construir un pavimento rígido poroso, pero partir de este ESAL en adelante los

precios de implementar este pavimento resultan mayores a un pavimento asfáltico.

6.4.2.3. Comparativa de precios entre un pavimento concreto

convencional y concreto poroso

Figura 74. Diferencia de precio del pavimento de concreto convencional y concreto poroso por tipo de

CBR en función al tránsito vehicular (ESAL), por elaboración propia

115

Figura 75. Relación de precios del pavimento de concreto convencional y concreto poroso por tipo de

CBR en función al tránsito vehicular (ESAL), por elaboración propia

En las Figuras 74 y 75 se explica la variación de precios entre el pavimento de

concreto convencional y de concreto poroso. De este modo, se observa que para

cualquier condición de CBR y/o ESAL existe un ahorro del concreto poroso

respecto al convencional. Asimismo, se aprecia que mientras aumenta el CBR esta

diferencia de costos son menores. Por ejemplo, para un ESAL de 10 000 000 y CBR

de 6 % el pavimento de concreto convencional muestra un sobrecosto de S/ 18.36

respecto al pavimento de concreto poroso que a su vez representa 3.42%. Sin

embargo, para un CBR de 20% y con las mismas condiciones de ESAL, se tiene un

sobrecosto menor que equivale a S/ 16.85 lo cual representa un 3.23%. Así, se

demuestra lo afirmado en las líneas iniciales.

116

CAPÍTULO VII: CONCLUSIONES

En los capítulos anteriores se realizó el análisis del concreto poroso con fibra de

polipropileno en base a ensayos y cálculos matemáticos con el fin de cumplir con los

objetivos planteados en la investigación. En el presente acápite se pretende presentar las

conclusiones resultantes de la evaluación y experimentación realizada, con el fin de

validar la hipótesis planteada y que lo obtenido garantice la viabilidad del proyecto para

su futura aplicación. De esta manera, se tiene lo siguiente:

Objetivo general: Elaborar un concreto poroso con fibra de polipropileno como

alternativa para reducir la contaminación sonora causada por la interacción del

neumático y la calzada aplicado en la avenida San Luis, distrito de San Borja.

Es posible mitigar la contaminación sonora a través del concreto poroso con fibras de

polipropileno, debido a su estructura porosa y la interconexión que existe entre los

agregados por la presencia de las fibras. Esto permite que la energía acústica generada

por las vibraciones entre el neumático y la calzada de un pavimento se disipe con mayor

efectividad. Asimismo, se demostró que el concreto poroso presenta un buen

comportamiento acústico en un rango de frecuencia de 800 – 3000 Hz (Valor teórico).

Objetivo específico N° 1: Determinar el Módulo de Fineza de los agregados, el Tamaño

Máximo Nominal de la piedra chancada y curva granulométrica para ambos agregados.

Así, verificar que estos cumplan con las especificaciones técnicas de la norma ASTM C-

33 y pueda ser usado en el diseño de mezcla propuesto.

La caracterización física del agregado HUSO 67 y HUSO 8, se encontraban

dentro de los rangos de Curva de distribución granulométrica, logrando que este

cumpla con las especificaciones dada por la ASTMC-136 y tenga un módulo de

fineza de 6.65 y 5.88 para cada HUSO respectivamente.

En base al ensayo de granulometría normalizado por la ASTM C-136, se obtuvo

el módulo de fineza (MF) del agregado fino, el cual tiene un valor de 2.80 y se

encuentra dentro del rango de 2.30 - 3.10 especificado por la norma.

117

El tamaño máximo nominal del agregado HUSO 67 es de 3/4” y del HUSO 8

es de 3/8” y ambos cumplen con los límites máximos permisibles determinados

en la curva granulométrica que especifica la norma para cada tamiz.

Objetivo específico N° 2: Realizar el diseño de un concreto poroso con adición de fibras

de polipropileno, en base a las dosificaciones indicadas por el ACI 522R-10, empleando

porcentajes de vacíos entre 15 – 25%, relación agua cemento (a/c) entre 0.24 – 0.40,

piedra confitillo de HUSO 8, piedra HUSO 67 y arena en 5%.

Se encontró que la dosificación óptima fue el diseño G2-D12, el cual presenta

una relación agua cemento de 0.36, agregado de HUSO 8, con 20% de vacíos,

163.73 kg de agua, 410.20 kg de cemento, 68.23 kg de arena, 1293.60 kg de

piedra y finalmente 1.60 kg de fibra (SikaCem-Fiber). El diseño con estas

proporciones permitió lograr resistencias a compresión simple de 296.37

kg/cm2 y tracción diametral de 53.64 kg/cm2. De este modo, se verifica que el

CPF puede soportar los esfuerzos producidos por las repeticiones de las cargas

de tránsito urbano.

Se verificó que para relaciones agua – cemento entre 0.24 y 0.32, no se alcanzan

los parámetros de resistencia establecidos por el manual de diseño de pavimento

del Ministerio de Transportes y Comunicaciones. De igual manera, para una

relación agua cemento de 0.38 a 0.40 no se obtienen valores de resistencia

adecuados para el diseño de un pavimento rígido (valores mayores o iguales que

280kg/cm2).

Se verificó que el porcentaje de arena no debe exceder el 10% del total de

volumen de agregados, ya que disminuye el contenido de vacíos y esto afecta a

su propiedad acústica del concreto poroso. Esto se determinó en base a los

diversos diseños de mezclas realizados en la investigación.

Objetivo específico N° 3: Evaluar las propiedades en estado fresco (ASTM C1688) y

endurecido (ASTM C1754 y ACI 522R) del concreto poroso con fibras de polipropileno

para garantizar la vida útil y buen desempeño de un pavimento rígido.

118

La medida del asentamiento (Slump) del concreto poroso fue menor a 1/2” para

15 de los 16 diseños, excepto para la mezcla “G2 – D10” que presenta una

relación agua cemento (a/c) de 0.30. Este último diseño presento problemas de

consistencia producto de la adición del aditivo. De esta manera, se deduce que

para relaciones a/c mayores a 0.30 resulta ineficaz la inclusión de aditivo

superplastificante, ya que genera problemas de segregación y presentan

mayores contenidos de pasta en la mezcla causando una obstrucción de los

vacíos y afectando directamente en la porosidad del concreto.

Se encontró que la resistencia optima fue de 296.37 kg/cm2 para una relación

a/c de 0.36 con agregado HUSO 8; este valor es considerado el pico o umbral

ya que para menores o mayores relaciones de a/c la resistencia disminuye. Esto

se determinó a partir de las gráficas que relacionan el a/c y la resistencia a la

compresión, la cual muestra una curva con forma cóncava hacia abajo.

Asimismo, en base a los ensayos realizados en laboratorio se demostró que la

fibra 1 (SikaCem-Fiber), presentó un mejor comportamiento mecánico, en

comparación con la fibra 2 (BarChip 54). Del mismo modo, con el grupo de

diseño N°2 que presentan agregados HUSO 8 se lograron resistencia a

compresión mayores que el grupo N°1 que presentan agregados HUSO 67.

A partir de los ensayos de resistencia a la tracción diametral se elaboró una

gráfica de tendencia lineal, llegando a la conclusión que esta representa un 18%

aproximadamente de la resistencia a la compresión.

Objetivo específico N° 4: Determinar el coeficiente de absorción acústica del concreto

poroso adicionado con fibra de polipropileno mediante un modelo matemático

microestructural propuesto por Neithalath y verificar que el parámetro sea cercano al

valor de la unidad.

Se obtuvo un área de poros de 12.4545 cm2 y 15.1733 cm2 para los agregados

de HUSO 8 Y HUSO 67 respectivamente, calculados mediante un análisis de

imágenes ráster en MATLAB.

119

De acuerdo con el modelo matemático microestructural de Neithalath El factor

de estructura (Ks) fue de 3.23 y 5.19 para agregados de HUSO 8 y HUSO 67

respectivamente. Asimismo, se obtuvo el coeficiente de absorción acústica

máxima para el CPF con agregados HUSO 8 y HUSO 67, los cuales son de 0.79

y 0.63 según corresponde. De esta manera, se verificó que existe un

comportamiento inversamente proporcional entre el factor de estructura y

coeficiente máximo de absorción acústica, presentando una tendencia lineal con

pendiente negativa.

Los agregados HUSO 8 y HUSO 67 presentan diámetros de poros de 5mm y

7mm respectivamente. Asimismo, considerando que la longitud de poros (Lp)

es el 90% del diámetro de poros (Dp) se obtuvo valores de 4.626mm y 5.895mm

para cada agregado. De este modo, se verificó que mientras mayor es el

diámetro de poros, menor será el coeficiente de absorción acústica, debido a la

falta de interconectividad entre los agregados. Esto genera que la energía

acústica no pueda disiparse con efectividad por la baja perdida de fricción. Por

ello, es que el agregado de HUSO 8 es más absorbente en comparación al HUSO

67.

Objetivo específico N° 5: Evaluar el costo beneficio de la aplicación de este concreto

especial mediante un análisis económico para determinar la viabilidad en la aplicación

del concreto poroso con adición de fibras de polipropileno en vías urbanas de Lima.

Para pavimentos rígidos y flexibles se determinó una relación inversamente

proporcional entre la resistencia del terreno (CBR) y el espesor de la carpeta de

rodadura, pero una relación directa con el tránsito ESAL. Asimismo, la

variación del CBR afecta en menor proporción a los espesores de un pavimento

rígido en comparación a los espesores de un pavimento flexible. Esto se da

porque el manual de AASTHO 93 tiene factores que afectan significativamente

a los espesores de asfalto cuando están expuestas a resistencias de terreno

(CBR) relativamente bajas.

Cuando se tienen suelos de porcentajes bajos de CBR el costo de

implementación de un concreto convencional es 3.42 % más que el pavimento

120

de concreto poroso para condiciones de alto tránsito. Sin embargo, cuando se

tienen suelos con excelentes condiciones (CBR altos) el precio de aplicación de

un concreto convencional es de 3.23 % más que el concreto poroso.

Cuando se tienen suelos con porcentajes bajos de CBR la implementación de

un pavimento flexible es de S/40.0 por metro lineal o 10.0% más costoso que el

concreto poroso para cualquier condición de ESAL. Sin embargo, cuando se

tienen suelos con excelentes condiciones (CBR altos) el precio de aplicación de

un pavimento flexible es más económico en S/ 56.0 o 12% que el concreto

poroso.

121

CAPITULO VIII: RECOMENDACIONES

Objetivo específico N° 1: Determinar el Módulo de Fineza de los agregados, el Tamaño

Máximo Nominal de la piedra chancada y curva granulométrica para ambos agregados.

Así, verificar que estos cumplan con las especificaciones técnicas de la norma ASTM C-

33 y pueda ser usado en el diseño de mezcla propuesto.

No incluir más del 10% de arena, ya que disminuye el contenido de vacíos y esto

afecta a su propiedad acústica del concreto poroso. Además, se verifico que existe

una relación directamente proporcional entre la cantidad de arena y la resistencia

mecánica del concreto poroso.

Se deben realizar diseños de mezclas con HUSOS distintos a los empleados en

este estudio. Así, verificar el efecto en el desempeño del diseño y en sus

propiedades en estado fresco, endurecido y características acústicas.

Se deben realizar diseños de mezcla con la combinación de tamaños de agregados

y evaluar el efecto que estas tienen en la absorción acústica.

Objetivo específico N° 2: Realizar el diseño de un concreto poroso con adición de fibras

de polipropileno, en base a las dosificaciones indicadas por el ACI 522R-10, empleando

porcentajes de vacíos entre 15 – 25%, relación agua cemento (a/c) entre 0.24 – 0.40,

piedra confitillo de HUSO 8, piedra HUSO 67 y arena en 5%.

No incluir más de 3kg/m3 de fibra de polipropileno, debido a que resulta

perjudicial para las propiedades mecánicas y acústicas del concreto poroso.

Utilizar cabeceo con azufre o capping para el ensayo a compresión simple, puesto

que la distribución de la fuerza aplicada en los testigos no es uniforme con la

utilización de Pads de Neopreno, provocando fallas locales.

No exceder la energía de compactación con el Proctor modificado durante la

elaboración de probetas normalizadas. Debido a que, los poros disminuyen su

volumen afectando directamente la absorción acústica.

122

Objetivo específico N° 3: Evaluar las propiedades en estado fresco (ASTM C1688) y

endurecido (ASTM C1754 y ACI 522R) del concreto poroso con fibras de polipropileno

para garantizar la vida útil y buen desempeño de un pavimento rígido.

Realizar más iteraciones de relación a/c para validar con mayor precisión la curva

parabólica (Cóncava hacia abajo) propuesta en esta investigación.

Analizar los efectos de hielo – deshielo en el concreto poroso con fibras de

polipropileno, para ser implementado en zonas de baja temperatura en el Perú.

Profundizar los fenómenos de ensuciamiento mediante materiales finos como la

arcilla o la arena fina para evaluar el grado de obstrucción en los poros del

concreto. De modo que se calcule la durabilidad de este tipo de concreto.

Objetivo específico N° 4: Determinar el coeficiente de absorción acústica del concreto

poroso adicionado con fibra de polipropileno mediante un modelo matemático

microestructural propuesto por Neithalath y verificar que el parámetro sea cercano al

valor de la unidad.

Verificar y comprobar la absorción acústica con otros modelos matemáticos.

Realizar el cálculo de absorción acústica con equipos de laboratorio como el “tubo

de impedancia”.

Construir y analizar un paño de pavimento de concreto poroso a escala real para

evaluar el efecto del paso cíclico de los neumáticos y medir los parámetros de

ruido mediante sonómetros. Debido a que, la evaluación acústica en este estudio

solo se verificó mediante modelos matemáticos microestructurales.

Objetivo específico N° 5: Evaluar el costo beneficio de la aplicación de este concreto

especial mediante un análisis económico para determinar la viabilidad en la aplicación

del concreto poroso con adición de fibras de polipropileno en vías urbanas de Lima.

Para un análisis económico más exacto y real se debe considerar los efectos de

mantenimiento y ciclo de vida del pavimento.

Implementar una norma para el diseño, construcción y mantenimiento del

pavimento de concreto poroso.

Comprobar el análisis económico para mayores cantidades de ejes equivalente

(ESAL) y condición de terreno de fundación (CBR).

123

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Para finalizar con esta investigación hemos incluido un apartado en el que se recopilan

todas aquellas bibliografías revisadas a lo largo de la elaboración de la tesis. La

disposición en la que podemos encontrar la bibliografía obedece a dos criterios

fundamentales:

Por un lado, para facilitar la labor de búsqueda de las referencias bibliográficas que se

citan en la tesis, se ha distribuido en consonancia con los principales capítulos que

integran el estudio.

Por otro lado, se ha dispuesto que todas las referencias bibliográficas sigan un orden

alfabético correspondiente al primer apellido del autor.

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128

ANEXOS

Como parte complementaria pero prescindible de la investigación, se colocan los anexos.

En este apartado se presentan aquellos puntos que por su extensión no fueron colocados

en el cuerpo de la investigación, pero resultan importantes para complementar la

información presentada.

ANEXO Nº 1: Requisitos de gradación del agregado grueso HUSO 67

Fuente: (NTP 400.037, 2014)

129

ANEXO Nº 2: Requisitos de gradación del agregado grueso HUSO 8

Fuente: (NTP 400.037, 2014)

ANEXO Nº 3: Requisitos de gradación del agregado fino

Fuente: (NTP 400.037, 2014)

130

ANEXO Nº 4: Ficha técnica de MasterRheobuild 1202

131

Fuente: (BASF, 2019)

132

ANEXO Nº 5: Ficha técnica de SikaCem - Fiber

133

Fuente: (Sika, 2019)

134

ANEXO Nº 6: Ficha técnica de BarChip 54

135

Fuente: (Barchip, 2019)

136

ANEXO Nº 7: Resistencia a compresión a los 7,14 y 28 días para las mezclas "G1-D9" y "G2-D9"

137

ANEXO Nº 8: Resistencias a compresión a los 7,14 y 28 días para las mezclas "G1-D2" y "G2-D10"

138


139


140


141


142


143


144

ANEXO Nº 15: Resistencias a tracción diametral a los 28 días para las mezclas "G1-D1" y "G2-D9"


145



146



147



148

ANEXO Nº 23: Análisis de costo unitario de la partida: Corte a nivel de subrasante C/maquinaria

ANEXO Nº 24: Análisis de costo unitario de la partida: Eliminación de material excedente C/equipo

ANEXO Nº 25: Análisis de costo unitario de la partida: Nivelación y compactación de la subrasante

149

ANEXO Nº 26: Análisis de costo unitario de la partida: Subbase granular C/EQ pesado

ANEXO Nº 27: Análisis de costo unitario de la partida: Encofrado y desencofrado de borde

150

ANEXO Nº 28: Análisis de costo unitario de la partida: Carpeta de concreto poroso f’c 280 kg/cm2

ANEXO Nº 29: Análisis de costo unitario de la partida: Carpeta de concreto f’c 280 kg/cm2

151

ANEXO Nº 30: Análisis de costo unitario de la partida: Alisado y acabado

ANEXO Nº 31: Análisis de costo unitario de la partida: Corte de juntas con disco

152

ANEXO Nº 32: Análisis de costo unitario de la partida: Sellado de juntas con material elastoméricos

ESAL= 1 000 000

CBR= 6%

PAVIMENTO RÍGIDO DE CONCRETO CONVENCIONAL

ANEXO Nº 33: ACU de Pavimento de concreto con 6% y 1 000 000 de ESAL.

153

PAVIMENTO RÍGIDO DE CONCRETO POROSO

ANEXO Nº 34: ACU de Pavimento Poroso con 6% y 1 000 000 de ESAL.

154

CBR= 10%

PAVIMENTO FLEXIBLE

ANEXO Nº 35: ACU de Pavimento Flexible con 10% y 1 000 000 de ESAL.

155


ANEXO Nº 36: ACU de Pavimento de Concreto con 10% y 1 000 000 de ESAL

156


ANEXO Nº 37: ACU de Pavimento Poroso con 10% y 1 000 000 de ESAL

CBR= 20%

PAVIMENTO FLEXIBLE

ANEXO Nº 38: ACU de Pavimento Flexible con 20% y 1 000 000 de ESAL

157



158



ESAL= 5 000 000

CBR= 6%

PAVIMENTO FLEXIBLE


159



160



161

CBR= 10%

PAVIMENTO FLEXIBLE




162



163

CBR= 20%

PAVIMENTO FLEXIBLE




164



165

ESAL = 10 000 000

CBR= 6%

PAVIMENTO FLEXIBLE




166



167

CBR= 10%

PAVIMENTO FLEXIBLE




168



169

CBR= 20%

PAVIMENTO FLEXIBLE




170



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