Ingeniería

Predicción de la permeabilidad en el concreto permeable

El uso del concreto permeable está en aumento debido a sus grandes ventajas ambientales. Conozcamos un poco más de este material.

(1era parte)

Entre las ventajas que tiene el concreto permeable están: su capacidad para reducir el ruido producto de la interacción neumático-pavimento; el moderado escurrimiento que presente, producto de las aguas pluviales, así como la limitación de los contaminantes que afectan las aguas subterráneas. Sin embargo, la principal característica que hace del concreto permeable un material sustentable con respecto a sus particularidades de absorción de ruidos y conducción de agua, es su estructura de poros abiertos (principalmente la conexión entre los poros y el gran tamaño de estos); misma que es concebida por medio de dosificaciones de mezclas de concreto que incluyen granulometrías de agregados gruesos bien graduadas, y una mínima proporción de agregados finos. La caracterización de esta estructura de poros se torna entonces muy importante, en la evaluación y predicción del desempeño del concreto permeable.

Porosidad y desempeño

En la actualidad, la dosificación de la mezcla de concreto permeable está centrada principalmente en la obten-ción de un determinado volumen de poros. Es común relacionar el desem-peño del concreto permeable con su porosidad porque es una magnitud relativamente fácil de medir gracias a la ayuda de los pequeños poros incluidos en el material.

La Fig. 1 muestra la relación entre porosidad y permeabilidad en concretos permeables, según estudios previamente realizados. Puede observarse una tendencia general de incremento de la per-meabilidad con el aumento de la porosidad. Al diseñar el material con determinados requerimientos específicos de desempeño, tal como la permeabilidad, es importante el entendimiento de las características de la estructura de poros. También es necesario comprender cómo los parámetros de diseño de los materiales afectan a la estructura de poros. En este artículo queda resumido el estado del conocimiento actual y los avances que en los últimos tiempos se han tenido, en torno a la relación entre el desempeño y la estructura de poros en los concretos permeables.

A pesar de que la porosidad es sin duda una de las características más importantes de la estructura de poros en el concreto permeable, se trata de una propiedad independiente del material; es decir, que la porosidad no depende de los elementos componentes. De acuerdo a lo anterior, podemos generar la siguiente pregunta: ¿La porosidad por sí sola, es capaz de determinar la caracterización del desempeño del material? La Fig. 2 muestra el comportamiento de la permeabilidad y del coeficiente de absorción acústico (índice relacionado con la capacidad del material de absorber energía acústica) en función del ta-maño del agregado de tres mezclas diferentes de concreto permeable, con valores similares de porosidad (cerca del 20%).

Estas mezclas fueron cuidadosamente proporcionadas con agregados gruesos graduados según:

• El porcentaje que pasa el ta-miz Nº 4 (4,75 mm) y retenido en tamiz número 8 (2,36 mm).
• El porcentaje que pasa el tamiz 3/8 pulgadas (9,5 mm) y retenido en el tamiz número 4 (4,75 mm).
• El porcentaje que pasa el tamiz 1/2 pulgada (12,7 mm) y retenido en tamiz de 3/8 pulgadas (9.5 mm).

La permeabilidad se midió utilizando un permeámetro (Ref. 1 y 9). La incidencia normal en los coeficientes de absorción acústica quedó determinada en cilindros de concreto permeable con un tubo de impedancia, de acuerdo con la Norma ASTM E1050, con una frecuencia de 1600 Hz. Algunos detalles acerca de las mediciones del coeficiente de absorción acústico pueden ser revisados en las referencias bibliográficas 9 y 10.

Para un mismo nivel de porosi-dad, a un aumento en el tamaño del agregado desde el número 8 hasta 3/8 de pulgadas, se le asocia un aumento de la permeabilidad en un factor de dos, así como una reducción a la mitad, en el coefi-ciente de absorción acústico. Esto muestra que las características de la estructura de los poros, además de influir en la porosidad también influyen en el desempeño del mate-rial. Debido a que la permeabilidad se incrementa con el aumento del tamaño, tanto de los agregados, como de los poros (por lo general hay una relación lineal entre el ta-maño de los agregados y el tamaño de los poros (Ref. 11)), el tamaño de los poros puede ser considerado una característica importante de la estructura de estos. Además, la circulación del agua o de las ondas de sonido a través del material, requieren que el sistema de poros esté interconectado; por lo tanto, la conectividad es otra caracterís-tica significativa de la estructura de poros. Ambas propiedades se discuten en secciones posteriores.

Tamaño de poros y conectividad

Uno de los retos más importantes en la caracterización de materiales porosos es la obtención de las características relevantes en la estructura de poros tridimensionales (3D), a partir de las imágenes en dos dimensiones (2D). Los métodos geométrico–estadísticos, también llamado Estereología, se aplican generalmente para este fin. Algunos procedimientos de adquisición de imágenes y de análisis en general, pueden ser revisados en las referencias 9 y 13.

La Fig. 3 muestra imágenes pla-nas representativas de secciones de concreto permeable a partir de muestras realizadas con los tres tamaños de agregados descritos anteriormente.

Las complejidades del espacio de los poros en los concretos permeables se hacen evidentes al observar estas imágenes en donde, a pesar de que las porosidades son similares, los tamaños de poro, sus distribuciones, y probablemente sus conectividades, son realmente diferentes. En estas imágenes planas, en el espécimen elaborado con el agregado más grande, se observa que existe una menor cantidad de poros; siendo en este caso éstos más grandes. Además, para un espécimen dado de concreto permeable, hay varios tamaños de poros en las imágenes en 2D del material; lo que complica la selección de un tamaño "característico" de poros, que sea representativo de la mezcla de concreto permeable, y que podría ser utilizado en la estimación de las propiedades de desempeño. A continuación, se discuten brevemen-te, algunos métodos para elegir el tamaño de poro característico.

Diferentes métodos para obtener el tamaño característico de los poros

Si se utiliza un número estadística-mente significativo de imágenes planas aleatorias, a partir de una determinada mezcla de concreto permeable, entonces la fracción del área de los poros puede ser utilizada como un estimador incesgado de la porosidad (volu-métrica). Basado en el análisis de una imagen en el plano (2D), se puede obtener una representación directa de los tamaños del poro ca-racterístico mediante el uso de un histograma de área. En este caso, el tamaño de los poros que corresponde al 50% de la distribución de frecuencia acumulada, puede ser considerado, como el diámetro de poro característico (Ref. 13). Este es un método particularmente simple de estimación del tamaño de poro característico.

Imágenes planas, similares a la presentada en la Fig. 3, pueden ser sometidas a ciertas transformaciones para obtener una descripción cuantitativa de alguna característica de interés, como es el caso del tamaño de los poros. Uno de estos métodos, consiste en el uso de una función de correlación de dos puntos (TPC) (Ref. 13 y 15), que se obtiene al azar definiendo segmentos de longitud l con una orientación específica al interior de la imagen y contando la fracción de veces que ambos puntos finales del segmento caen en la fase de interés (Ref. 16). Las características de la función de TPC junto con la porosidad pueden estar relacionadas con un tamaño de poro representativo dTPC.

Otro método que implica la transformación de las imágenes para determinar la distribución de tamaño de poro es una función de apertura granulométrica. En este método se consideran elementos estructurantes (SEs) de diferentes tamaños para "abrir" la fase de los poros.

La Fig. 4 (a) muestra una imagen original y las imágenes ob-tenidas en la "apertura" usando SEs de dos tamaños diferentes. La distribución del tamaño es obtenida con el trazado de la fracción de área del espacio poroso que queda después de la apertura por SEs de tamaños gradualmente crecientes, tal y como se muestra en la Fig. 4 (b).

Para pastas de cemento nor-males, se define un tamaño de poro crítico (dcrítico), asociado con el punto de inflexión en la curva de distribución de tamaño de poro. De manera similar, el primer pico de la derivada de la curva de distribución granulométrica de apertura (Fig. 4) puede ser considerado como el radio crítico de los poros en el concreto permeable (rcrítico), que corresponde al poro más pequeño que conforma la vía de interconexión en el material. Debido a que este tamaño queda relacionado con el umbral de percolación, podría ser utilizado para determinar la permeabilidad de los concretos permeables. Los cambios en la estructura de los poros durante la etapa de servicio, tales como la obstrucción, pueden reducir el tamaño crítico de los poros, lo que reduce la recirculación de agua.

Una comparación entre los tamaños de poros obtenidos mediante los métodos antes mencionados a partir de algunas muestras de concreto permeable, en donde se usaron mezclas elaboradas con un tamaño único de agregado (Ref. 9, 10 y 13), se muestra en la Fig. 5. Los diámetros de los poros que corresponde al 50% de la distribución de frecuencias acumuladas (d50) se trazan en el eje “x”, y el tamaño de los poros correspondientes obtenidos a partir de la granulometría y de las funciones del TPC, se trazan en el eje “y”.

Independientemente del número limitado de muestras estudiadas, se puede apreciar una correlación razonablemente buena 1:1, entre el tamaño de los poros determinados por medio de los tres métodos analizados. La TPC y la granulometría ofrecen caracterizaciones de los tamaños de poros sobre la base de la morfología matemática (cuantificaciones sobre la base de cambios en las imágenes, cuando se someten a ciertas transformaciones), mientras que la d50 es una magnitud estadística basada en idealizar las estructuras observadas en los círculos de la imagen en dos dimensiones. En general, mientras que las técnicas avanzadas de caracterización, tales como TPC o granulometría se prefieren para estimar el tamaño de los poros, las relaciones de la Fig. 5 muestran que en ausencia de estas técnicas, d50 también podría ser utilizado como un tamaño de poro característico en el concreto permeable.

TEXTO: Narayanan Neithalath., Dale P. Bentz y Milani S. Sumanasooriya.

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