CONCRETO FOTOCATALÍTICO PERMEABLE CON ADITIVO TIO2, ENFOCADO EN MEJORAR SUS PROPIEDADES EN LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN Y PERMEABILIDAD – APLICADO PARA EL DISEÑO DE UN PAVIMENTO ESPECIAL

El presente Trabajo de Investigación estuvo centrado en el desarrollo de un pavimento permeable fotocatalítico incorporando a la mezcla Dióxido de Titanio (TiO₂) como aditivo para conformar la losa de concreto. El proyecto buscó, además de optimizar la mezcla, diseñar un sistema de drenaje eficiente tratando de evitar futuras fallas estructurales. Para ello; se evaluaron tanto la permeabilidad como la resistencia a la compresión del concreto, y su capacidad para eliminar contaminantes mediante la acción fotocatalítica. Además, se analizó la influencia del aditivo (TiO₂) en la resistencia mecánica y permeabilidad obtenidas en el pavimento a los 7, 14 y 28 días, con el fin de cuantificar las mejoras de la durabilidad y desempeño de la estructura frente a cargas y filtraciones.

PALABRAS CLAVES: Concreto Permeable, Dióxido de Titanio – TiO2, Resistencia a la compresión, Permeabilidad, fotocatalítico.

INTRODUCCIÓN – PROBLEMÁTICA

Es de conocimiento que los pavimentos permeables presentan problemas comunes, como la obstrucción de poros por sedimentos (limos y arcillas), lo que reduce su eficacia y puede causar colapsos estructurales al poco tiempo de entrar en uso. Además, debemos tomar en cuenta que existe una relación inversa entre permeabilidad y resistencia, limitando ello su uso a zonas de bajo tránsito. También se debe mencionar que son frecuentemente vulnerables a inundaciones y suelos inestables. Por ello, esta investigación analiza el uso del Dióxido de Titanio (TiO₂) como aditivo para mejorar su resistencia mecánica, su permeabilidad y la capacidad portante CBR del suelo y por ende de toda la estructura del pavimento, lo que debe de ir acompañado de un sistema de drenaje adecuado y eficiente.

OBJETIVO PRINCIPAL A RESOLVER

El objetivo de la investigación se enfocó en Diseñar una mezcla de concreto portland fotocatalítico permeable con la inclusión del aditivo de TiO2, el cual pueda ser aplicado para el desarrollo de un diseño de Pavimento; así mismo, se han realizado las pruebas correspondientes a su permeabilidad y resistencia a la compresión del concreto que conforma la Losa y superficie de rodadura; además de considerar la implementación de un adecuado diseño del drenaje, logrando observar y comprobar la utilidad y eficacia de esta investigación; esto para ser aplicado en zonas que suelen enfrentar distintos Problemas Pluviales, principalmente las afectadas por el Fenómeno del niño.

PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS

Cálculo de la dosificación de la mezcla con diferentes porcentajes de TiO2, utilizando 3%, 6% y 10%.

Para calcular la cantidad exacta de TiO2 en cada porcentaje de mezcla, se efectuó un análisis proporcional en base al contenido de Cemento que contiene la mezcla y la cantidad de Agregado Grueso utilizado para su elaboración.

Diseño de 3%

A/C	0.35
TiO2 %	3% ——- 0.52 Kg
Cemento	16.55128 Kg
Agregado Grueso KG (3/8)	76.79492 Kg
Agua Kg	5.79294 Kg
TOTAL, DE MEZCLA	100 KG

Diseño de 6%

A/C	0.35
TiO2 %	6% ——- 1.02 Kg
Cemento	16.03938 Kg
Agregado Grueso KG (3/8)	76.79492 Kg
Agua Kg	5.61398 Kg
TOTAL, DE MEZCLA	100 KG

Diseño de 10%

A/C	0.35
TiO2 %	10% ——- 1.7 Kg
Cemento	15.3565 Kg
Agregado Grueso KG (3/8)	76.79492 Kg
Agua Kg	5.373488 Kg
TOTAL, DE MEZCLA	100 KG

Preparación y ensayo de las probetas con las diferentes dosificaciones 3%, 6% y 10%.

Materiales pétreos, químicos y distribuidos para la elaboración de la mezcla:

Preparación de la Mezcla de concreto y se observa la textura que muestran las probetas:

Evaluación de los resultados mediante ensayos físicos realizados y estimación con otros porcentajes del aditivo TiO2 con el método geométrico.

Se efectuó una evaluación en laboratorio con tres (03) mezclas de concreto permeable con diferentes porcentajes de aditivo de TiO2: 3 %, 6 % y 9 %. Con estos resultados obtenidos, se aplicó el método geométrico.

Debido a lo extenso y variabilidad de los resultados, a continuación, se presentan únicamente los datos correspondientes a los estudios de permeabilidad, resistencia a la compresión y de turbidez de la mezcla de concreto que fuera catalogada como la óptima o más eficaz: Siendo la que contenía un 6 % del aditivo TiO2.

Sobre los resultados obtenidos para la Resistencia a la Compresión:

• Se determinó que un Concreto Permeable al 0% de TiO2: se obtuvo 20.853 Mpa
• Así mismo; para un Concreto Permeable al 6% de TiO2: se obtuvo 25.610 Mpa
• Lograndose una mejora del 22.81%

En cuanto a los resultados para la Permeabilidad:

Esta mejora fue cuantificada o medida en base a la Propiedad Fotocatalítica (Eliminación de la Turbidez) Disminución de Turbidez del agua (Turbidez inicial de 160 NTU):

• Para el Concreto Permeable al 0% de TiO2: No disminuyó nada significativamente la Turbidez NTU (0%)
• Para el Concreto Permeable al 6% de TiO2: Se alcanzó una disminución de la turbidez de 8.13 NTU (95%)
• Lográndose una mejora del 95%

LIMITES ATTERBERG/PLASTICIDAD, PRUEBA DE CBR Y ENSAYO GRANULOMÉTRICO PARA LA BASE Y SUBRASANTE DONDE SE TRABAJARÁ EL PAVIMENTO

Pruebas de Granulometría y Límites Atterberg realizados:

Como resultado de las Pruebas efectuadas en laboratorio, se obtuvieron los siguientes resultados:

Análisis Granulométrico de suelo por tamizado – Subrasante

Análisis Granulométrico del Suelo por tamizado – Base Granular

Resultados del Proctor Modificado y del CBR

De acuerdo al tipo de Suelo por utilizar o trabajar, en principio se observó su Granulometría, el cual se ubicó en una clasificación del Tipo de Suelo A-1 y en un rango del Tipo A-1-a; que nos indica que el Suelo muestra características físico- mecánicas de Excelente, conformado por gravas y arenas bien graduadas.

Resultados del Proctor Modificado y del CBR

De acuerdo a las Pruebas efectuadas en laboratorio, se obtuvieron los siguientes resultados:

Laboratorio	Prueba	Resultado	Resultado Final (Parámetro de Seguridad)
Laboratorio Lázaro	CBR	Subrasante/Suelo de Fundación: 24.0% Base Granular: 46.7%	Subrasante/Suelo de Fundación: 19% Base Granular: 40%
Laboratorio de Suelos y Asfalto de la Ricardo Palma	CBR	Subrasante/Suelo de Fundación: 19.50% Base Granular: 46%	Subrasante/Suelo de Fundación: 19% Base Granular: 40%

Cálculo del Espesor de la Losa del Pavimento mediante la Metodología AASTHO y PCA y cálculo del Espesor de las demás capas del Pavimento.

Para el cálculo del espesor de la losa del pavimento se aplicaron dos (02) metodologías: AASHTO y PCA, obteniendo por la aplicación de estos diseños el mismo valor para el espesor de la Losa.

Con ello y para una interpretación más ilustrativa y concisa, se presenta el valor obtenido con la metodología PCA.

Se considera que el diseño está OK (Es adecuado = cumple con los requerimientos de Carga) siendo que el valor referido al consumo de fatiga y de la erosión deben de queda por debajo y lo más alejado del 100% (aunque menores valores impliquen mayor costo).

Determinándose, para el presente caso, un espesor de la Losa del Pavimento de 25 cm.

Seguidamente, pasamos a describir la capa de Subrasante; la cual según el Manual de Carreteras – Suelos geología, geotecnia y pavimentos – Sección Suelos y Pavimentos del MTC 2014 – Pág. 89 – 91, tenemos los siguientes datos de referencia:

1. Se considerarán como materiales aptos para las capas de la Subrasante suelos con CBR ≥ 6%.
2. Cuando la capa de Subrasante sea arcillosa o limosa y, al humedecerse, partículas de estos materiales puedan penetrar en las capas granulares del pavimento contaminándolas, deberá proyectarse una capa de material anticontaminante de 10 cm. de espesor como mínimo o un geotextil, según lo justifique el Ingeniero Responsable.
3. La superficie de la Subrasante debe quedar encima del nivel de la Napa freática como mínimo a 0.60 m cuando se trate de una Subrasante extraordinaria y muy buena; a 0.80 m cuando se trate de una Subrasante buena y regular; a 1.00 m cuando se trate de una Subrasante Insuficiente y, a 1.20 m cuando se trate de una Subrasante inadecuada. En caso necesario, se colocarán subdrenes o capas anticontaminantes y/o drenantes o se elevará la rasante hasta el nivel necesario.
4. La Subrasante no es parte inherente al pavimento, pero que de acuerdo al CBR que posea hay que tratarla de manera adecuada; así mismo, si su CBR es bueno o regular bastará con escarificar la zona del suelo natural o la subrasante a una profundidad de 10 a 15 cm, si el CBR es malo habrá que reemplazar ese suelo en una profundidad de 30 a 50 cm aproximadamente, y si el suelo es aún muy malo, el tratamiento involucra profundidades aún más altas, un ejemplo de ello sería en el caso de tener un suelo pantanoso, lo que llamado turba (suelo orgánico) o con el nivel freático muy cercano a la superficie, aquí sobre el suelo natural hay que poner un suelo de mejor calidad hasta una profundidad máxima de 1.20m, se considera 1.20m siendo que esta es la profundidad hasta donde actúa el módulo de presiones en un Bulbo de Presiones.

De acuerdo con lo antes señalado, se obtuvieron los siguientes resultados:

Por ende, la estructura del pavimento se resume en lo siguiente:
Espesor de Losa: 25 cm Espesor de la Base o Subbase: 15 cm Espesor de la Subrasante: 15 cm
Distancia a la que se encuentra el Basamento Rígido con respecto a la Subrasante: 150 cm
Distancia a la que se debe encontrarse el nivel de la napa frática respecto a la Superficie de la Subrasante para que NO afecte la capacidad portante del Suelo: 80 cm (mínimamente)
Espesor de las capas de Arena Anticontaminante: 10 cm
Geotextil: 1 encima de la Base y 1 encima de la Subrasante

DISEÑO DEL PAVIMENTO MOSTRADO A ESCALA, REPLICANDO LAS CONDICIONES REALES A LAS QUE SERÁ SOMETIDO Y SIGUIENDO LOS PARAMETROS EXPRESADOS ANTERIORMENTE PARA SU ELABORACIÓN

Para conformar este modelo; se confeccionó una estructura con armazón de Madera, que muestra el Corte de Perfil del pavimento y cada una de las capas que lo conforman, observándose toda la estructura del pavimento con suficiente detalle:

CONCLUSIONES

Teniendo la estructura terminada, se procedió con verter aguas residuales sobre la estructura del Pavimento; para entre otros, observar su Propiedad Fotocatalítica en su función de “limpiar” el agua.

Se logró la Disminución de la Turbidez del Agua con 160 de NTU al discurrir por el Pavimento (después de 21 días de fraguado):

• Inicio de Turbidez: 160 NTU
• Final de Turbidez: 11.2 NTU
• Disminución del Porcentaje de Turbidez: 93%

Las conclusiones más importantes, que se lograron cumplir como objetivos de la presente investigación, son los siguientes:

Mejoras en la Losa del Concreto:

1. Resistencia a la Compresión:
   • Concreto Permeable al 0% de TiO2: 20.853 Mpa
   • Concreto Permeable al 6% de TiO2: 25.610 Mpa
   • Se logró una mejora del 22.81%
2. Permeabilidad:
   • Esta mejoría se midió en base a la Propiedad Fotocatalítica (Eliminación de la Turbidez)
3. Disminución de Turbidez del agua (Turbidez inicial de 160 NTU):
   • Concreto Permeable al 0% de TiO2: No disminuyo nada sustancial de la Turbidez NTU (0%)
   • Concreto Permeable al 6% de TiO2: Disminuyo la turbidez a 8.13 NTU (95%)
   • Se logró una mejora del 95%

Las mejoras en el Pavimento:

1. Mejora del Drenaje: La adición de TiO2 en el Concreto Permeable, ofrece el obtener un mejor sistema de Filtración; siendo que este será capaz de eliminar o disminuir el efecto nocivo de los Sólidos gracias a su Propiedad Fotocatalítica, lo cual mejora la Capacidad Portante del suelo y por ende de la Estructura total del Pavimento (mejora, más no aumenta o controla su efecto), evita el empozamiento de las aguas producto de las inundaciones, logrando que los pequeños sólidos y/o partículas en suspensión, no se acumulen en los poros o intersticios de la losa y/o de las demás capas del Pavimento, evitando que los distintos sólidos puedan afectar a la Estructura y además ofreciendo prolongar el tiempo para su Mantenimiento.
2. Mejoras Generales en el Pavimento: Se ha comprobado que este Diseño mejora sustancialmente la capacidad Portante de la estructura, mejora la Resistencia a la compresión de la Losa, se obtiene una mayor eficiencia en cuanto a la Permeabilidad, se logra una mejor distribución de cargas en la Losa, logrando que pueda soportar mayor volumen de Tránsito; así como también poseer una mayor resistencia ante los efectos de la erosión (esto por el acabado final que muestra la superficie, del aumento de la Capacidad Portante y otros vinculados al acabado final de la Losa); además que por tener la Propiedad Fotocatalítica, se logra la disminución de la Turbidez del agua y la eliminación, reducción y/o la oxidación de pequeños sólidos capaces de dañar la estructura, evitando en zonas de laderas posibles deslizamientos ya que, los Limos y Arcillas lograran solo pasar en un porcentaje mínimo hacia a la Base Granular (mejorando indirectamente la capacidad portante de las distintas capas del pavimento ante la ocurrencia de estos fenómenos – Mejorando el comportamiento del Suelo, más no necesariamente aumentando), además de aplazar o prolongando el tiempo en el que el Pavimento tendría que requerir un Mantenimiento rutinario, por lo mismo que evitara que los distintos sólidos vayan afectando u obstruyendo la estructura o componentes estructurales, además coopera con la limpieza del ecosistema, siendo que al eliminar pequeños sólidos que suelen ser agentes contaminantes (inundaciones o huaicos donde el agua arrastra distintos desperdicios de manipuleo humano y estos muchas veces pueden ser la causa de enfermedades, como los desperdicios tóxicos provenientes de las fábricas industriales; se debe de considerar además, que este tipo de concreto ayuda a mejorar la salubridad de la zona donde se emplee ya que, al eliminar contaminantes sólidos o gaseosos que podrían causar enfermedades que podrían ocasionar daños físicos como mentales, de esta manera el estado de la salud pública en la zona de influencia, se estaría mejorando considerablemente al disminuir el porcentaje de afectados en contraer alguna enfermedad ocasionada por estos fenómenos climatológicos.
3. Disminución de Turbidez del agua pasando por toda la estructura del Pavimento (Turbidez inicial de 160 NTU): Se observó una mejora sustancial del 93% en comparación con un Concreto Permeable sin la adición del TiO2 de acuerdo a los siguientes datos obtenidos en el laboratorio:
   • Concreto Permeable al 0% de TiO2: Se concluye que no disminuye Nada sustancial la Turbidez, dado que de las Pruebas realizadas en las Probetas disminuyó en un 0% la turbidez.
   • Concreto Permeable 6% de TiO2: Disminuyo la turbidez a 11.2 NTU (93%)

Al producirse la disminución de la Turbidez del agua hasta la última capa del Pavimento; significa que, el agua captada podría ser reutilizada para distintos propósitos, en zonas principalmente en donde este elemento es escaso, para usarlas en el riego de áreas verdes u otros usos beneficiosos que pudiera brindar, para ello se tendrá que encauzar de manera conveniente y adecuada el agua que llegue a los drenes hacia un pozo colector, para ahí ser tratada y reutilizarla para los distintos propósitos que la comunidad requiera; lo mencionado es de mucha relevancia en zonas donde el agua es escasa, un ejemplo sería en zonas como la Ciudad de Piura, que está asentada prácticamente en un desierto y el hecho de poder reutilizar el agua, puede brindar muchos beneficios a los habitantes de esta zona.

Nota: Se sabe que los concretos Fotocatalíticos pueden eliminar gases contaminantes del ambiente, logrando crear un ecosistema más saludable, esto puede ayudar a disminuir el porcentaje de Contaminación de la Zona donde se emplee, disminuyendo enfermedades y otros (360 en Concreto, 2024). Un caso para poder aplicarlo como una Propuesta técnica factible, económica y efectiva podría ser en las Zonas afectadas por el Fenómeno del Niño, siendo que por las bondades de este Aditivo (TiO2) ofrece, se evitaran o mitigaran los efectos muy nocivos para la salud que se presentan por los empozamientos del agua producto de las inundaciones que este fenómeno frecuentemente ocasionan (se debe señalar que no se realizó la prueba de eliminación de Gases Contaminantes por cuanto no era el objetivo principal de este trabajo de investigación).

ANEXOS

Para la realización de este Trabajo de Investigación se contó con la participación, el apoyo y colaboración de las siguientes instituciones:

• Laboratorio de Mecánica de Suelos y Asfalto de la Escuela de Ingeniería Civil de la Universidad Ricardo Palma; realizando las Pruebas, Análisis y emitiendo los certificados correspondientes:

• Laboratorios Lázaro Ingeniería y Geotecnia S.A.C entidad especializada en la realización de Pruebas, Análisis de Mecánica de Suelos y Estudios Geotécnicos en general:

• Certificado ISO – Certificando de Registro que se siguieron todos los parámetros de la Norma ISO 9001:2005 al elaborar conjuntamente las pruebas a los Suelos estudiados: