PavimentosPavimentos porososporosos: : experienciasexperiencias de de investigacióninvestigación

en la PUJen la PUJPorAndrés Torres (IC, MSc, PhD)Profesor AsociadoDirector Grupo HidrocienciasDirector Maestría en HidrosistemasFacultad de IngenieríaPontificia Universidad Javeriana

- eficiencia hidráulica

- eficiencia de retención de contaminantes

- estudio de envejecimiento

- modelación del comportamiento

- aspectos financieros

- síntesis de resultados (guía de diseño)

TA A LA RED DE ALCANTARILLADO

Ruiz y Rojas, 2009

Ruiz y Rojas, 2009

C

Ruiz y Rojas, 2009

PRODUCTOCANTIDAD DENSIDAD CANTIDAD

PORCENTAJES(Kg) (G/cm3) (M3)

CEMENTO 500.00 3.01 0.17 16.59%

AGREGADO DE 1/2" A 3/8" 835.72 2.54 0.33 32.86%

AGREGADO DE 3/8" A #4 568.17 2.54 0.22 22.34%

AGREGADO DE #8 A FONDO 90.35 2.54 0.04 3.55%

AGUA 175.00 1.00 0.18 17.48%

PLÁSTICO 2.35 - - -

RELACIÓN AGUA/CEMENTO 0.35 - - -

TOTAL KG 2351.50 TOTAL M3 1.00 100.00%

REYES – TORRES (2002)

MATERIALSPROPORTIONS

lb/yd³

Cementitious materials 450 to 700

Aggregate 2000 to 2500

Water (by mass) 0.27 to 0.34

Aggregate:cement 4 to 4.5:1

Fine:coarse aggregate 0

CONCRETE ANSWERS (2009)

NATIONAL READY MIXED CONCRETE

ASSOCIATION

Alvarado et al., 2010

Modelo de Simulación de Lluvias sobre Calzadas Porosas

Fuente: Lozano, Niño, 2003

Fuente: Lozano, Niño, 2003

Caudal Vs. Tiempo

y = -0.1137x2 + 1.0891x + 2.6813R2 = 0.787

y = -0.1372x2 + 1.2297x + 3.1785R2 = 0.8077

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

0 2 4 6 8 10 12

Tiempo (min)

Cau

dal

(lts

/min

)

Salida

Lluvia

Polinómica (Salida)

Polinómica (Lluvia)

Fuente: Lozano, Niño, 2003

Volumen Vs. Tiempo

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 2 4 6 8 10 12

Tiempo (m in)

Vo

lum

en

(lts

)

Salida

Lluvia

Fuente: Lozano, Niño, 2003

Intensidad = 120 mm/h

Qe (l/min) Qs (l/min) "C" Reducción

6.1 4.62 0.76

5.62 4.62 0.82

6.25 4.62 0.74

6.55 4.4 0.67

6.4 5 0.78

7.33 5.2 0.71

8.63 5.6 0.65

0.73Promedio "C" reducción

Coeficientes de reducción

Intensidad = 50 mm/h

Qe (l/min) Qs (l/min) "C" Reducción

2.05 1.2 0.59

1.4 0.98 0.7

1.14 0.75 0.66

1.36 1 0.74

1.1 0.79 0.72

1.39 0.96 0.69

0.68Promedio "C" reducción

Fuente: Lozano, Niño, 2003

intensidad pico de 160 mm/h (zona no.2 según IRH-EAAB, 1995):

reservorio en acero inoxidable de 1m X 1m X 10 cm, 49 orificios (diám: 1.3 mm)

MONTAJE EXPERIMENTAL EN LABORATORIO

Torres et al., 2009

Placa de concreto poroso:losa de 1 m X 1 m X 20 cmpendiente: 1 %

MONTAJE EXPERIMENTAL EN LABORATORIO

Torres et al., 2009

Mezcla utilizada:base (Niño Rivera y Villamil, 2003)

MONTAJE EXPERIMENTAL EN LABORATORIO

Torres et al., 2009

MONTAJE EXPERIMENTAL EN LABORATORIO

A la salida:T, pH, ST y DQO (x2)

Torres et al., 2009

ENTRADA

SALIDA

Torres et al., 2009

1 2 3 40

50

100

150

200

250

300

350

400

ensayo no.

T (

NT

U)

in

out

1 2 3 40

102030405060708090

100110120130

ensayo no.

Efic

ienc

ia (

%)

∆T: 15 % - 45 %Torres et al., 2009

1 2 3 40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

ensayo no.

pH (

und)

in

out

Torres et al., 2009

1 2 3 40

100

200

300

400

500

600

700

800

900

ensayo no.

ST

(m

g/L)

in

out

1 2 3 40

102030405060708090

100

ensayo no.

Efic

ienc

ia (

%)

∆ST: 54 % - 78 %Torres et al., 2009

1 2 3 40

25

50

75

100

125

150

175

200

ensayo no.

DQ

O (

mg/

L)

in

out

1 2 3 40

20406080

100120140160180

ensayo no.

Efic

ienc

ia (

%)

∆DQO: 24 % - 66 %Torres et al., 2009

u (eventos 2 y 3):458 % a 394 % para T,29 % a 14 % para pH,37 % a 8 % para ST501 % a 102 % para DQO

u (eventos 1 y 4) :48 % a 30 % para Turbiedad,10 % a 13 % para pH,15 % a 34 % para ST22 % a 28 % para DQO.

1 2 3 40

50

100

150

200

250

300

350

400

ensayo no.T

(N

TU

)

in

out

Torres et al., 2009

diferencias entre entrada y salida son significativas?

prueba t (valores p < 0.05):- T: eventos 1 y 4- pH: todos los eventos- ST: evento 1- DQO: evento 1

remoción de DQO tiende a aumentar a medida que pH entrada aumenta (Beltrán, 2003; Basiri Parsa et al., 2009; Silva et al., 2009): coeficiente de correlación de Spearman rs = 0.8

Torres et al., 2009

Aumento de pH a la salida: normal… el pH agua de lavado del concreto > 12 (Gowda et al., 2008)

1 2 3 40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

ensayo no.

pH (

und)

in

out

Torres et al., 2009

=> pH > 9.5 a 10 (Moody, 2006; Tucker y D’Abramo, 2008): - limita supervivencia de peces,- inhibe crecimiento de plantas- cambia composición química del suelo

1 2 3 40

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

ensayo no.

pH (

und)

in

out

Torres et al., 2009

- investigación inicial sobre las propiedades filtrantes de las capas de concreto porosas utilizadas como base de pavimentos.

- reducción de contaminación del agua de escorrentía urbana.T: 26 % a 45 % (incertidumbres entre 30 % y 48 %),ST: 78 % (incertidumbres alrededor de 15 %)DQO: 48 % (incertidumbres alrededor de 22 %)

- pH aumenta de 2 a 4 unidades:Entrada: 7 a 9 undSalida: 11 a 12 und=> inconvenientes si se desea verter directamente en el medio

natural

Torres et al., 2009

Pavimento en utilización:cómo es su comportamiento a medida que se utiliza?envejecimiento y colmatación?

Estudios para evaluar:(i) envejecimiento de los pavimentos:

disminución de eficiencias de retenciónposible colmatación de la estructura;

(ii) efectos del mantenimiento sobre la retención de contaminantes y su vida útil

(iii) beneficios económicos: costos iniciales y de operación

Torres et al., 2009

MATERIALES Y MÉTODOS

(i) sitio experimental

(ii) experimentación en campo

(iii) ensayos de laboratorio

Gómez y Rodríguez, 2010

MATERIALES Y MÉTODOS

i. Sitio Experimental:

- toma de muestras agua de escorrentía:

Avenida carrera 7 entre calles 45 y 39

8 sumideros c/40 m Área recolección 1200m2

Dispositivos de recolección (3)

Gómez y Rodríguez, 2010

Sitio Experimental

Gómez y Rodríguez, 2010

MATERIALES Y MÉTODOS

ii. Experimentación en campo (dispositivos de recolección):

- Se acoplan a la boca del sumidero

- Depositan el agua en recipientes plásticos

Gómez y Rodríguez, 2010

MATERIALES Y MÉTODOS

iii. Ensayos de Laboratorio:Necesarios para evaluar el desempeño del pavimento poroso

� Montaje Experimental (modelo)

-Modelo capa de concreto rígido poroso

-Diseño propuesto por Reyes y Torres (2002)

Gómez y Rodríguez, 2010

MATERIALES Y MÉTODOS

� Pruebas Hidráulicas

-Recipientes de 20 L c/2 L-18 litros en 3 segundos-Caudales de salida (L/s)

� Pruebas de calidad de aguas

-Concentración Demanda Química de Oxigeno (DQO)-Concentraciones Sólidos Suspendidos Totales (SST)

Gómez y Rodríguez, 2010

Pruebas en Laboratorio

Gómez y Rodríguez, 2010

TIEMPO DE SIMULACIÓN

Masa depositada en un lapso de tiempo en la zona de estudio

� Precipitación anual de 780,8 mm= 0,7808 m3/m2 (IDEAM)

� Concentración tipo evento lluvioso 452 mg/L de SST

� Masa total anual 353 g/m2 en la zona

Gómez y Rodríguez, 2010

Desarrollo experimental

• Pruebas iniciales:-Modelo pavimento + agua potable

• Pruebas intermedias:-Agua de escorrentía-Pruebas hidráulicas y de retención de contaminantes

• Pruebas finales:-Lavado-Capacidades hidráulicas y de retención de contaminantes-Evolución de las capacidades

Gómez y Rodríguez, 2010

Parámetros de comparación

• Cmodificado= QSmax/QEmax.

• K = T(K)s - T(K)e

Gómez y Rodríguez, 2010

Resultados pruebas iniciales

• Reyes y Torres (2002) � tasa de infiltración 3,12 x 10-4 m/s

• Modelo de pavimento � tasa de infiltración 6,72 x10-4 m/s

• Comportamiento uniforme con las tres pruebas iniciales- Cmodificado Promedio= 0,035 (incertidumbre 6%)-K Promedio=78 s (incertidumbre 14%)

Gómez y Rodríguez, 2010

Hidrograma entrada y salida (pruebas iniciales)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00

Q (

l/s)

Tiempo (s)

Prueba 1

Prueba 2

Prueba 3

:::

6,00

::::

Gómez y Rodríguez, 2010

Resultados pruebas intermedias

398 mg/L SST 615 mg/L

323 mg/L DQO 333 mg/L

RE

TE

NID

O

Prueba 1 Prueba 2

482 mg/L SST 2273 mg/L

336 mg/L DQO 541 mg/L

PAVIMENTO

38%DQO

73% SST

17% SST

4%DQO

•Prueba 1-Masa vertida: 18,3 g -Tiempo simulado: 2,5 meses.-Cmodificado : 0,024-K: 115 s

•Prueba 2-Masa vertida: 41 g-Tiempo simulado: 6 meses.-Cmodificado : 0,001-K: 640 s

Gómez y Rodríguez, 2010

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 100 200 300 400 500 600

Q (

l/s)

Tiempo (s)

Evolución Capacidad hidráulica

Iniciales 1

Iniciales 2

Iniciales 3

Prueba no.1 (intermedias)

Prueba no.2 (intermedias)

6,00

:::

::::

Gómez y Rodríguez, 2010

Resultados pruebas finales

LAVADO

Gómez y Rodríguez, 2010

Resultados pruebas finales

16 mg/L SST 127 mg/L

74 mg/L DQO 58 mg/L

RE

TE

NID

O

Prueba 1 Prueba 2

SST 191 mg/L

DQO 91 mg/L

PAVIMENTO

36%DQO

33% SST

•Prueba 1-Cmodificado : 0,010K: 18 s-30% Recuperación

•Prueba 2-Cmodificado : 0,009-K: 237 s

Gómez y Rodríguez, 2010

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Q (

l/s)

Tiempo (s)

Hidrograma 1

Hidrograma 2

Hidrograma 3

Lavado

Escorrentía después de lavado

:

:

6,00

:

Comparación nuevo contra lavado

Gómez y Rodríguez, 2010

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0,040

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

C m

od

ific

ad

o

Tiempo (mes)

Evolución Cmodificado

Lavado

Lineal (Evolución Cmodificado)

Pruebas iniciales

Pruebas

intermedias

Pruebas

intermedias

Prueba

final

2,5 meses

Evolución del parámetro Cmodificado con respecto al tiempo.

Análisis temporal para los diferentes usos del suelo

• Evolución Cmodificado a lo largo del tiempo desimulación hasta colmatación.

• Masas depositadas anualmente por metrocuadrado para los diferentes usos del suelo.

Uso del suelo

Vertimiento en SST

(g/m2/año)

Comercial 112,5

Parqueadero 45

Residencial 47,3

Industrial 96,8

Construcción 675

Tomado de US EPA, 1999 Gómez y Rodríguez, 2010

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0,040

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

Cm

od

ific

ad

o

Tiempo (mes)

Comercial

Parqueadero

Residencial

Industrial

Construcción

Kra. 7 (Bogotá)

Recuperación Lavado

Cmodificado Vs. Tiempo, para los diferentes usos de suelo urbano

Gómez y Rodríguez, 2010

Eficiencia de retención de contaminantes

Balance de masas

• Masa total vertida � 68 g de SST y 26 g deDQO

• Masa total salida � 30 g de SST y 22 g de DQO

• Se determinó para las condiciones establecidas:55% de retención para SST15% de retención para DQO.

Gómez y Rodríguez, 2010

PROPUESTA DE DISEÑO

• MODELO PROPUESTO:

Alvarado et al., 2010

PROPUESTA DE DISEÑO

• MODELO PROPUESTO:ESPESOR POROSO = 0.1 mLARGO POROSO = 80 mANCHO POROSO= 7 mÁREA POROSO = 560 m2ÁREA POROSO = 0.056 HaÁREA CUENCA = 12800 m2ÁREA CUENCA = 1.28 HaC MEDIO BOGOTÁ = 0.88POROSIDAD N = 0.18DURACIÓN DE LA LLUVIA = 15 MinDURACIÓN DE LA LLUVIA = 900 STASA MEDIA DE INFILTRACIÓN = 0.000312 m/s

Cuenca Poroso

(Q e - Q s) / Q eQ (m3/s) Q (l/s) V=Q*t (m3) VP=VC*n (m3) V - VP (m3)

hSalida =hP-eP (m)

i Salida (m/s) Q Salida (l/s)

0.014 13.5 12.2 10.08 2.1 3.77E-03 4.19E-06 2.1 85%

0.016 16.4 14.8 10.08 4.7 8.44E-03 9.37E-06 4.6 72%

0.019 18.6 16.8 10.08 6.7 1.19E-02 1.33E-05 6.5 65%

0.023 22.9 20.6 10.08 10.6 1.89E-02 2.10E-05 10.3 55%

0.118 118.5 106.6 10.08 96.6 1.72E-01 1.92E-04 94.5 20%

0.287 287.0 258.3 10.08 248.2 4.43E-01 4.92E-04 242.9 15%

3.139 3138.6 2824.7 10.08 2814.7 5.03E+00 5.58E-03 2754.3 12%

17.736 17736.1 15962.5 10.08 15952.4 2.85E+01 3.17E-02 15610.4 12%

Alvarado et al., 2010

EVALUACIÓN ECONÓMICA

Alvarado et al., 2010

EVALUACIÓN ECONÓMICA

Zonas de utilidad del uso de Pavimentos porosos en Bogotá para áreas inferiores a 10 Hectáreas. Azul = Pérdida, Rojo = Utilidad

Alvarado et al., 2010

EVALUACIÓN ECONÓMICA

Alvarado et al., 2010