Caracterización de la permeabilidad, propiedades mecánicas y rendimiento hidráulico del hormigón de porosidad mejorada con materiales de las canteras de la Provincia de El Oro

Abstract

[Resumen] Esta investigación aborda la necesidad de soluciones sostenibles para la gestión de aguas pluviales en entornos urbanos, centrándose en el desarrollo y caracterización de hormigón poroso (HP) utilizando áridos locales de la Provincia de El Oro, Ecuador. El objetivo principal fue optimizar las propiedades mecánicas e hidráulicas del HP para su aplicación en Sistemas Urbanos de Drenaje Sostenible (SUDS), mitigando inundaciones causadas por precipitaciones intensas en zonas urbanas como Machala. El estudio integró metodologías experimentales y normativas (ACI 522R-10, ASTM) para diseñar mezclas de HP con áridos triturados y cantos rodados, variando relaciones agua-cemento (0.28–0.41), porcentajes de vacíos (15–25%) y tamaños de áridos (2.36– 19 mm). Se elaboraron 27 dosificaciones, fabricando probetas cilíndricas (150×300 mm) sometidas a ensayos de resistencia a compresión (ASTM C39), permeabilidad (carga constante, ASTM D2434) y porosidad (método de saturación al vacío). Adicionalmente, se implementó un caso de estudio en Machala, evaluando la eficacia del HP en SUDS mediante modelización hidrológica y análisis económico-ambiental. Los resultados demostraron correlaciones significativas entre parámetros clave: la resistencia a compresión (3.5–12.5 MPa) disminuyó inversamente con la porosidad (15– 35%) y aumentó con densidades superiores a 1800 kg/m³. Los áridos triturados (9.5–19 mm) mostraron mayor resistencia (12.5 MPa a 28 días) debido a su morfología angular y distribución granulométrica controlada, mientras que los cantos rodados (9.5–19 mm) exhibieron permeabilidades más altas (0.15–0.21 cm/s) por su estructura de poros interconectados. La relación agua-cemento óptima (0.35–0.38) equilibra trabajabilidad y resistencia, mientras que compactaciones moderadas (70 kPa) preservaron la conectividad de vacíos. El caso de estudio en Machala evidenció una reducción del 45% en escorrentía superficial tras implementar pavimentos permeables y jardines de lluvia con HP, validando su eficacia en condiciones reales. Los análisis económicos destacaron beneficios ambientales, como la recarga de acuíferos y reducción de costos asociados a inundaciones, con una relación costo-beneficio favorable (1:2.3) a 20 años. Las conclusiones subrayan la viabilidad técnica y ambiental del HP fabricado con áridos locales, destacando su potencial para infraestructuras resilientes. Las contribuciones clave incluyen: (1) protocolos de dosificación adaptados a materiales regionales, (2) modelos empíricos que relacionan porosidad-permeabilidad-resistencia, y (3) directrices para integrar SUDS en contextos urbanos tropicales. Futuras investigaciones deberán explorar la durabilidad a largo plazo, el uso de aditivos ecológicos y la escalabilidad en proyectos de mayor envergadura, alineándose con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) en gestión hídrica y urbanización inclusiva.[Resumo] Esta investigación aborda a necesidade de solucións sostibles para a xestión de augas pluviais en contornas urbanas, centrándose no desenvolvemento e caracterización de formigón poroso (FP) utilizando áridos locais da Provincia do Oro, Ecuador. O obxectivo principal foi optimizar as propiedades mecánicas e hidráulicas do FP para a súa aplicación en Sistemas Urbanos de Drenaxe Sostible (SUDS), mitigando inundacións causadas por precipitacións intensas en zonas urbanas como Machala. O estudo integrou metodoloxías experimentais e normativas (ACI 522R-10, ASTM) para deseñar mesturas de FP con áridos triturados e cantos rodados, variando relacións auga-cemento (0.28–0.41), porcentaxes de baleiros (15–25%) e tamaños de áridos (2.36–19 mm). Elaboráronse 27 dosaxes, fabricando probetas cilíndricas (150×300 mm) sometidas a ensaios de resistencia a compresión (ASTM C39), permeabilidade (carga constante, ASTM D2434) e porosidade (método de saturación ao baleiro). Adicionalmente, implementouse un caso de estudo en Machala, avaliando a eficacia do FP en SUDS mediante modelización hidrolóxica e análise económica-ambiental. Os resultados demostraron correlacións significativas entre parámetros crave: a resistencia a compresión (3.5–12.5 MPa) diminuíu inversamente coa porosidade (15–35%) e aumentou con densidades superiores a 1800 kg/m³. Os áridos triturados (9.5–19 mm) mostraron maior resistencia (12.5 MPa a 28 días) debido á súa morfoloxía angular e distribución granulométrica controlada, mentres que os cantos rodados (9.5–19 mm) exhibiron permeabilidades máis altas (0.15– 0.21 cm/s) pola súa estrutura de poros interconectados. A relación auga-cemento óptima (0.35–0.38) equilibra trabajabilidad e resistencia, mentres que compactaciones moderadas (70 kPa) preservaron a conectividade de baleiros. O caso de estudo en Machala evidenciou unha redución do 45% en escorrentía superficial tras implementar pavimentos permeables e xardíns de choiva con FP, validando a súa eficacia en condicións reais. As análises económicas destacaron beneficios ambientais, como a recarga de acuíferos e redución de custos asociados a inundacións, cunha relación custobeneficio favorable (1:2.3) a 20 anos. As conclusións subliñan a viabilidade técnica e ambiental do FP fabricado con áridos locais, destacando o seu potencial para infraestruturas resilientes. As contribucións crave inclúen: (1) protocolos de dosaxe adaptados a materiais rexionais, (2) modelos empíricos que relacionan porosidadepermeabilidade- resistencia, e (3) directrices para integrar SUDS en contextos urbanos tropicais. Futuras investigacións deberán explorar a durabilidade a longo prazo, o uso de aditivos ecolóxicos e a escalabilidade en proxectos de maior envergadura, aliñándose cos Obxectivos de Desenvolvemento Sostible (ODS) en xestión hídrica e urbanización inclusiva.[Abstract]This research addresses the need for sustainable solutions for stormwater management in urban environments, focusing on the development and characterization of pervious concrete (PC) using local aggregates from El Oro Province, Ecuador. The primary objective was to optimize the mechanical and hydraulic properties of PC for application in Sustainable Urban Drainage Systems (SUDS), mitigating flooding caused by heavy rainfall in urban areas such as Machala. The study integrated experimental and normative methodologies (ACI 522R-10, ASTM) to design PC mixes using crushed aggregates and rounded gravel, varying water-cement ratios (0.28–0.41), void percentages (15–25%), and aggregate sizes (2.36–19 mm). Twenty-seven mix designs were developed, producing cylindrical specimens (150×300 mm) subjected to compressive strength tests (ASTM C39), permeability tests (constant head, ASTM D2434), and porosity tests (vacuum saturation method). Additionally, a case study in Machala was implemented, evaluating the efficacy of PC in SUDS through hydrological modelling and economic-environmental analyses. Results revealed significant correlations between key parameters: compressive strength (3.5–12.5 MPa) decreased inversely with porosity (15–35%) and increased with densities above 1800 kg/m³. Crushed aggregates (9.5–19 mm) exhibited higher strength (12.5 MPa at 28 days) due to their angular morphology and controlled gradation, while rounded gravel (9.5–19 mm) demonstrated higher permeability (0.15–0.21 cm/s) owing to interconnected pore structures. The optimal water-cement ratio (0.35–0.38) balanced workability and strength, while moderate compaction (70 kPa) preserved void connectivity. The Machala case study demonstrated a 45% reduction in surface runoff following the implementation of permeable pavements and rain gardens with PC, validating its efficacy under real-world conditions. Economic analyses highlighted environmental benefits, such as aquifer recharge and reduced flood-related costs, with a favourable cost-benefit ratio (1:2.3) over 20 years. Conclusions underscore the technical and environmental viability of PC produced with local aggregates, emphasizing its potential for resilient infrastructure. Key contributions include: (1) mix design protocols tailored to regional materials, (2) empirical models linking porosity-permeability-strength, and (3) guidelines for integrating SUDS in tropical urban contexts. Future research should explore long-term durability, eco-friendly additives, and scalability in larger projects, aligning with Sustainable Development Goals (SDGs) in water management and inclusive urbanization.