Subsurface stormwater retention with pervious concrete pavement on UPRM campus master plan

Abstract

Pervious concrete pavement constitutes an efficient Best Management Practice (BMP) stormwater management solution, since it serves to manage surface runoff quantitative and qualitative characteristics at its earliest stages. Since flash flooding occurs very often on campus of the University of Puerto Rico at Mayagüez (UPRM) under a normal rain event, the use of pervious concrete, results in the conservation and protection of water resources by leading to the reduction of flooding events downstream, non-point source pollutant transport, and on-site ponding. In order to implement the pervious concrete BMP system, a sustainability assessment was performed to identify possible sites in need of this practice, equipped with a subsurface water retention structure, hydrologic design, estimation of construction costs and resulting reduction of stormwater runoff volume. The sustainability assessment was done with a Multi-criteria Decision Analysis (MCDA) in conjunction with the Analytic Hierarchy Process (AHP) approach. The AHP approach, evaluated three sustainability categories, which are social, economic and environmental. Each one was ranked based on a particular and specific criteria, which was developed considering the input collected from a group of ten experts who were asked to fill a questionnaire comparing the different criteria under each sustainability category. These experts input was served to establish the ranking values for the criteria, resulting in the selection of social sustainability as the one with the highest value. Additionally, from the on site assessment of the campus, seven critical areas identified and the Mangual/Terrace and Faculty Building were identified as the ones in the most need of a PC system with overall ranked values of 4.1 and 4.0, respectively. Once the areas were identified, a study was made to attain an optimized mortar mixture incorporating glass and fly ash as partial replacement of cement. Since the main focus of the project is to incorporate sustainability in all aspects as possible, and given the lack of glass recycling and high quantities of fly ash that end up at landfills in P.R., the incorporation of both as construction materials was studied. X-ray diffraction (XRD) and a hydrometer test were also performed to analyze the chemical composition of the glass and the particle size distribution respectively. XRD revealed an amorphous pattern on the glass powder while the hydrometer test results showed that the cumulative measure for 50% of particles size was 8 μm. The optimization of the mixture was done using Response Surface Methodology (RSM) to get the highest possible compressive strength value with a targeted spread percentage of 110%. At 28 days of curing, the optimum values for a maximum compressive strength of 83 MPa and 110 spread percentage were 7.25% glass-to-binder ratio (G/B) and 14.30% fly ash-to-binder ratio (FA/B). After obtaining an optimized mix mortar containing glass powder and fly ash, it was incorporated to pervious concrete (PC). Because permeability and compressive strength are both important mechanical properties for PC and are inversely proportional to each other, a good balance between them is essential to attain the ideal design of PC. The measured values for compressive strength and permeability fell within the typical values specified by the National Ready Mix Concrete Association (NRMCA) and the American Concrete Institute (ACI). Since all the areas to be analyzed have different characteristics, for the implementation of the PC, the designs must be developed specifically for the selected area. Correspondingly, a hydrological study was carried out for the different areas in need of a pervious concrete system. The study was done using the National Resources Conservation Service (NRCS) method with a rainfall recurrence of 2 years and duration of 24 hours. Results of the analysis allowed evaluating the excess of runoff before and after the implementation of a PC system. A soil study was also performed on the Mangual/Terrace area to evaluate the soil properties specific to the site. The result from both studies allowed for the creation of a PC design that takes into consideration the site-specific characteristics. Furthermore, the design served not only as a stormwater subsurface storage structure but it also encompassed the safety of the students through a bicycle lane that would enhance the students’ daily commute.

El pavimento de concreto permeable constituye una solución eficiente de las Mejores Prácticas de Manejo (BMP por sus siglas en inglés) para el manejo de agua de escorrentía, ya que sirve para gestionar las características cuantitativas y cualitativas de la escorrentía superficial en sus primeras etapas. Dado a que los eventos de inundaciones repentinas ocurren muy a menudo en la Universidad de Puerto Rico en Mayagüez (UPRM), el uso de concreto permeable resulta en la conservación y protección de los recursos hídricos ya que ayuda a reducir las inundaciones aguas abajo, el transporte de contaminantes no puntuales y el estancamiento. Se realizó una evaluación de sustentabilidad para identificar posibles sitios en necesidad de la implementación de un sistema de concreto permeable. Este sistema está equipado con una estructura de retención de agua subterránea, diseño hidrológico, estimación de costos de construcción y el resultado en la reducción del volumen de escorrentía de aguas pluviales. La evaluación de sustentabilidad se realizó con un Análisis de Decisión Multi-criterio (MCDA por sus siglas en inglés) junto con el enfoque del Proceso Analítico de Jerarquía (AHP por sus siglas en inglés). El enfoque AHP evaluó tres categorías de sustentabilidad que son la social, económica y ambiental. Cada una, clasificada según un criterio particular y específico, se desarrolló teniendo en cuenta la información recopilada de un grupo de diez expertos a los que se les pidió que completaran un cuestionario que comparara los diferentes criterios de cada categoría de sustentabilidad. La aportación de estos expertos, sirvió para establecer los rangos de valores de los criterios, lo que resultó en la selección de la sustentabilidad social como la de mayor valor. Además, a partir de la evaluación de campo del recinto, se identificaron siete áreas críticas, de las cuales Mangual/Terrace y el Edificio de Facultad, resultaron como las más necesitadas de un sistema de concreto permeable con valores de 4.1 y 4.0, respectivamente. Una vez identificadas las áreas, se realizó un estudio para obtener una mezcla de mortero óptima que incorpore vidrio y cenizas volantes como reemplazo parcial del cemento. Dado que el objetivo principal del proyecto es incorporar la sustentabilidad en todos los aspectos posibles, y dada la falta de reciclaje de vidrio y altas cantidades de cenizas volantes que terminan en vertederos en P.R., se estudió la incorporación de ambos como materiales de construcción. Se realizaron las pruebas de difracción de rayos X (XRD por sus siglas en inglés) y una prueba de hidrómetro para analizar la composición química del vidrio y la distribución del tamaño de partícula, respectivamente. El XRD reveló un patrón amorfo en el vidrio, mientras que los resultados de la prueba del hidrómetro mostraron que la medida acumulativa del 50% del tamaño de las partículas fue de 8 μm. La optimización de la mezcla se realizó utilizando la metodología de superficie de respuesta (RSM por sus siglas en inglés) para obtener el valor de resistencia a la compresión más alto posible con un porcentaje de dispersión del 110%. A los 28 días de curado, los valores óptimos para una resistencia máxima a una compresión de 83 MPa y 110% de dispersión fueron de 7.25% de vidrio a proporción de aglutinante (G/B) y 14.30% de ceniza volante a proporción de aglutinante (FA/B). Después de obtener un mortero de mezcla optimizado que contenía polvo de vidrio y cenizas volantes, se incorporó la misma al concreto permeable (PC por sus siglas en inglés). Debido a que la permeabilidad y la resistencia a la compresión son propiedades mecánicas importantes para el PC y son inversamente proporcionales entre sí, un buen equilibrio entre ellas es esencial para lograr el diseño ideal. Los valores medidos para la resistencia a la compresión y la permeabilidad cayeron dentro de los valores típicos especificados por la National Ready Mix Concrete Association (NRMCA) y el American Concrete Institute (ACI). Dado que todas las áreas a analizar tienen diferentes características, para la implementación del PC, los diseños deben desarrollarse específicamente para el área seleccionada. En consecuencia, se llevó a cabo un estudio hidrológico para las diferentes áreas que necesitan un sistema de concreto permeable. El estudio se realizó utilizando el método del Servicio Nacional de Conservación de Recursos (NRCS por sus siglas en inglés), con una recurrencia de precipitación de 2 años y una duración de 24 horas. Los resultados del análisis permitieron evaluar el exceso de escorrentía antes y después de la implementación de un sistema de PC. También se realizó un estudio de suelo en el área de Mangual/Terrace para evaluar las propiedades del suelo específicas del sitio. El resultado de ambos estudios, permitió la creación de un diseño de PC que tome en cuenta las características específicas del sitio. Además, el diseño sirvió no solo como una estructura de almacenamiento subterránea de aguas pluviales sino que también abarca la seguridad de los estudiantes a través de un carril para bicicletas que mejorará el viaje diario de los estudiantes.