Pervious concrete: Lab-scale optimization and field application

Abstract

Pervious concrete pavements mimic the way the natural land surfaces filter and clean the water that falls on them, allowing a gradual discharge of water into the stormwater outlet, decreasing the necessity of detention/retention ponds, permitting groundwater recharge, reducing pollutants from runoff, and improving water quality. These geomimetic attributes of pervious concrete pavements are known to enhance roadway safety and population’s quality of life. For these reasons, the design of the pervious concrete mixture, as well as the design of Pervious Concrete Area 1, was developed, proposed, and constructed. The area was monitored for hydrologic properties and water quality parameters to ensure environmental sustainability via stormwater runoff control. Furthermore, Pervious Concrete Area 1 functioned as a bicycle parking area to enhance the student’s livability on campus. An optimization of a pervious concrete mixture with conventional concrete materials as main ingredients was performed. To reduce the environmental burdens of solid waste management, coal fly ash was utilized as an ingredient in pervious concrete production. The optimization of the mixture was done using Response Surface Methodology in order to find a mix design having the highest compressive strength while achieving the target permeability. The optimum variable settings were found at 21.4% fly-ash-to-binder and 36% water-to-binder, with compressive strength and permeability responses at 15 MPa and 4.5 mm/s, respectively. The values were within range for the National Ready Mix Concrete Association and American Concrete Institure specifications for pervious concrete pavement. The performance of pervious concrete pavement as if it were implemented at field was assessed by a lab-scale experiment. Two systems, integrating two Best Management Practices each, were developed for the control of urban stormwater runoff and water quality enhancement. It was demonstrated that the integrated approach of two combined green infrastructures: pervious concrete pavement followed with bioretention basin, is an effective urban stormwater management for a greater runoff reduction and water quality enhancement. Because weather parameters have an influence upon the pervious concrete mixture during placement, the addition of chemical admixtures was necessary. The effects of chemical admixtures on the optimized pervious concrete mixture were analyzed and the appropriate dosages of admixtures for field implementation were chosen. A ratio of 1.3 wt.% of binder was fixed for a concrete color admixture while the dosages of water reducing admixture and hydration controlling admixture were chosen taking into consideration the Material Safety Data Sheets recommendations as well as the weather parameters, visual inspection, hand squeeze test and inverted slope cone test. It was found that the minimum admixture addition suggested by their respective Material Safety Data Sheets produced a negative effect on the response results. However, it should be noted that the mixture designed was based on field implementation for a sunny day, not for casting in cylinders. Based on a hydrological study performed in the area under study, the design of Pervious Concrete Area 1 was done, with volume reduction of stormwater runoff flowing downstream and water quality enhancement as the main objectives. A characterization of the pervious concrete mixture, infiltration rate tests and appropriate maintenance to Pervious Concrete Area 1 were performed. Hydrologic characteristics of stomwater events and runoff were monitored, as well as the physio-chemical parameters. It was confirmed that pervious concrete pavements systems are capable of a complete phosphorous removal and an extensive inactivation of fecal coliforms.

Los pavimentos de hormigón permeable imitan la forma en la cual la superficie natural de la tierra filtra y mejora la calidad del agua que cae sobre ella, permitiendo una descarga de agua gradual en la salida de las aguas pluviales, disminuyendo así la necesidad de las charcas de retención, permitiendo la recarga de aguas subterráneas, reduciendo la cantidad de contaminantes en el agua de escorrentía y mejorando la calidad del agua. Estos atributos gemomiméticos del PCP son conocidos por su capacidad de mejorar la seguridad vial y la calidad de vida de la población. Por éstas razones, el diseño de las mezclas de hormigón permeable, al igual que el diseño de “Pervious Concrete Area 1”, fue desarrollado, propuesto y construido. Las propiedades hidrológicas y los parámetros de calidad del agua fueron monitoreados para asegurar sustentabilidad ambiental con respecto al control de escorrentía de aguas pluviales. Además, “Pervious Concrete Area 1” cumple su función como estacionamiento de bicicletas para mejorar la calidad de vida del estudiantado. Se realizó una optimización de una mezcla de PC con los materiales de hormigón convencional como ingredientes principales. Para reducir las cargas ambientales debido al manejo de desperdicios sólidos, las cenizas volantes de carbón se incorporaron a la mezcla de hormigón permeable. La optimización de la mezcla se realizó utilizando la Metodología de Superficie de Respuesta para así encontrar el diseño de mezcla que alcanzará la máxima resistencia en compresión y que al mismo tiempo cumpliera con la permeabilidad previamente determinada como objetivo. Las variables óptimas se encontraron en 21.4% cenizas-volantes-aaglutinante y 36% agua-a-aglutinante, con respuestas de resistencia en compresión y permeabilidad de 15 MPa y 4.5 mm/s, respectivamente. Los valores obtenidos están bajo el rango de valores especificados por la “National Ready Mix Concrete Association” y el “American Concrete Institute” para los pavimentos de hormigón permeable. El rendimiento del pavimento de hormigón permeable como si fuese implementado en el campo, fue evaluado en un experimento a escala de laboratorio. Dos sistemas que integraban 2 mejores prácticas de manejo cada uno, se desarrollaron para el control de escorrentía de aguas pluviales y el mejoramiento de la calidad de agua. Se demostró que el integrar y combinar 2 sistemas de estructuras verdes, pavimentos de hormigón permeable seguido de una cuenca de bioretención, es un sistema de manejo de aguas de pluviales eficaz para la reducción de escorrentías y mejora de calidad de agua. Debido a que los parámetros del clima tienen influencia en la mezcla de hormigón permeable durante el tiro, la adición de aditivos químicos fue necesaria. Los efectos de los aditivos químicos en la mezcla optimizada de hormigón permeable fueron analizados y se escogió la dosificación requerida para la implementación en el campo. Se fijó una relación de 1.3 wt.% de los materiales aglutinantes para un aditivo de color para el concreto mientras que la dosificación de los aditivos para reducción de agua y control de hidratación fueron escogidos teniendo en cuenta las recomendaciones del “Material Safety Data Sheets”, los parámetros del clima, inspección visual, “hand squeeze test” y la prueba de cono invertido. Se encontró que la adición mínima sugerida de aditivos por los respectivos “Material Safety Data Sheets produjo efectos negativos en los valores de las respuestas. Sin embargo, cabe señalar que la mezcla fue diseñada para la implementación en el campo durante un día soleado, mas no para ser moldeada en cilindros. El diseño de “Pervious Concrete Area 1” se realizó basado en el estudio hidrológico realizado en el área bajo estudio, con reducción de escorrentía de aguas pluviales moviéndose aguas abajo y la mejora de calidad de agua como objetivos principales. Se realizó una caracterización de la mezcla de hormigón permeable, así como pruebas de tasa de infiltración y el mantenimiento requerido a “Pervious Concrete Area 1”. Las características hidrológicas de los eventos de lluvia y escorrentía fueron monitoreadas, así como los parámetros físico-químicos. Se confirmó que los sistemas de pavimento de hormigón permeable son capaces de remover el fósforo completamente mientras alcanzan una inactivación extensa de coliformes fecales.