Autoridades:
Dr. Fernando Sempérteguí Ontaneda, PHD
Rector de la Universidad Central del Ecuador
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Revista Ingenio:
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Este número 2 estuvo bajo coordinación editorial de Ing. César Morales Mejía, MSc
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Foto Portada:
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Impresión:
Editorial Universitaria
Universidad Central del Ecuador
Correo electrónico: vicedecanat.ng@uce.edu.ec
ISSN: 2588-0829
3
ÍNDICE
Materiales Cementantes Compuestos (CCM): estado del arte, situación actual
y aplicaciones en la ingeniería civil…………………………………………………………………...… 5
Carpio V.; Viera P.
Análisis de la eficiencia sanitaria de las obras hidráulicas construidas
para descontaminar la Quebrada Ortega por parte de la EPMAPS,
Quito…………………………………………………………………..… .................................................... 17
Enríquez C.; Torres P.
Diseño de un sistema de aprovechamiento de agua lluvia bajo criterios de
Eciencia hídrica en edicios. Caso de estudio: edicio de clases y
laboratorio de hidráulica de la Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
de la Universidad Central del Ecuador …………………………… ............................................................. 25
Valenzuela C.; Muñoz F.; Gomes R.
Uso de isotopos estables para el estudio de las fuentes de agua superciales en el ecuador
y sus implicaciones para la gestión de los recursos hídricos…………………………………………. ....38
Li m a P.
Análisis en ujo permanente de los factores que inciden en la disminución de la
capacidad hidráulica de la línea de conducción del sistema La Mica-Quito Sur.… ...................................46
Andrade J.; Escobar G.; Paredes D.
Hormigón estructural de baja densidad para edicaciones …………………………..… .........................58
Morales L.; Santamaría J.; Caicedo W.; Tipán F.
Estudio de factibilidad de tubos plásticos para ujo a gravedad fabricados con material
reciclado…………………………..… ............................................................................................................... 71
Ortiz E.; Madero G.; Lima P.
Normas para publicar en la revista Ingenio ………………………………………………………..… ....79
Materiales Cementantes Compuestos (ccm): estado del arte,
situación actual y aplicaciones en la Ingeniería Civil
Carpio López Víctor Andrés
1
, Viera Arroba Luisa Paulina
2
1,2
Universidad Central del Ecuador
vacarpio@uce.edu.ec, lviera@uce.edu.ec
Información del artículo
Recibido: julio 2018
Aceptado: sepiembre 2018
Resumen
El presente artículo trata acerca del desarrollo de los materiales cementantes compuestos (CCM), desde
el hormigón convencional hasta los más complejos como los compuestos con propiedades auto-repa-
rantes y auto-sensitivas. Además, se hace una descripción de los estudios más relevantes de este tema,
así como las propiedades que los CCM presentan y sus posibles aplicaciones en el desarrollo de nuevos
materiales para la ingeniería civil.
Abstract
e present paper it is about the development of cementitious composite materials (CCM), from conven-
tional concrete to more complex ones such as compounds with self-healing and self-sensing properties.
In addition, a description is given of the most relevant studies of this topic, as well as the properties that
the CCM present and their possible applications in the development of new materials for civil enginee-
ring.
5
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
6
1. Introducción
El estudio y uso de los compuesto cementantes
para la construcción, según fuentes históricas
data de hace 5600 años a. C., con la construcción
más antigua realizada con conglomerado que
corresponde al piso de una cabaña en Lepensky
Vir (Serbia) (IECA, s.f.). Posteriormente, civiliza-
ciones tales como las de Egipto, Grecia, y Creta
emplearon morteros en diversas construcciones.
Alrededor del año 82 d.C., se desarrolla el primer
hormigón, que es acreditado a los ingenieros ro-
manos (Hendrik, 2005). Las mezclas de cemento
Portland usadas en compuestos cementantes mo-
dernos fueron estudiadas inicialmente por Joseph
Aspdin en 1824 (Carpio, 2014b)
A nales de 1930 se empiezan a utilizar aditivos
químicos en el hormigón para modicar su visco-
sidad y uidez (Aïtcin, 1998), naciendo así lo que
se conoce como tecnología del hormigón, cuyo
campo de estudio desde aquel entonces y hasta
hoy en día no se enfoca en el entendimiento de las
interacciones a nivel atómico-molecular del ma-
terial sino mayormente en su comportamiento
mecánico (Sedahat, 2014) (Lu et al., 2016).
En el año de 1998 con el desarrollo de los Engi-
neered Cementitious Composites (ECC) (Li y
Kanda, 1998), se introducen nuevos materiales
en las mezclas del hormigón, por ejemplo, mi-
crobras, mejorando las capacidades de resis-
tencia mecánica del material, pero sin estudiarse
a fondo, todavía, la interacción entre todos los
materiales constituyentes del compuesto, como
la capacidad auto-sensitiva (Han et al., 2015) o
auto-raparante (Sierra et al., 2015). Con estudios
de este tipo se abre un campo más amplio que
es el de los materiales cementantes compuestos
(cementitious composite materials “CCM”, en
inglés) cuyos componentes y características son
analizados a nivel cuántico.
Cabe aclarar que hoy en día debido al desarrollo
de “hormigones exibles” (bendable concrete),
que emplean los criterios de los CCM para su
elaboración, algunos investigadores han optado
por emplear de manera equivalente al término
CCM el de Engineered Cementitious Composites
(ECC). (Khmurovska y Stemberk, 2018) (Yildi-
rim et al., 2018) (Yu, et al. 2018).
Los nuevos CCM constituyen un paso más allá
de la tecnología del hormigón tradicional, estos
se fundamentan en los más recientes avances de
la ciencia e ingeniería de materiales (materials
science and engineering “MSE”, en inglés). Los
materiales constituyentes de los CCM y del hor-
migón tradicional inciden de manera distinta en
el estudio de sus propiedades y desempeño fí-
sico-mecánico. Por lo que los CCM no pueden
ser catalogados usando los criterios tradicio-
nales del hormigón (Zhou, 2014) (Baera, 2015)
(Hazelwood, 2015).
2. La ciencia e ingeniería de materiales
(mse)
La MSE es un campo interdisciplinario que es-
tudia y manipula la composición y estructura
de los materiales a través de escalas de longitud
para controlar sus propiedades por medio de la
síntesis y el procesamiento (Askeland y Wright,
2017). Su objetivo nal es caracterizar o describir
a los materiales. La correlación de las distintas ra-
mas que componen a la MSE así como el área de
conocimiento especíco de cada una se lo puede
evidenciar mejor en la siguiente gura 1.
Figura 1. Correlación entre la ciencia y la ingeniería de los materi-
ales. Fuente: Smith y Hashemi, 2006.
Los principios de la MSE se encuentran represen-
tados en el tetraedro de la ciencia e ingeniería de
materiales (gura 2), donde el término “Propie-
dades” se reere a la constitución química de un
material; “Estructura” a la descripción del arreglo
de los átomos, es decir, cómo se observa el ma-
terial a diferentes niveles de detalle; el término
“Síntesis” concierne a la forma en que se fabrican
materiales a partir de sustancias químicas de es-
tado natural o hechas por el hombre y “Procesa-
miento” implica cómo se transforman materiales
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
7
en componentes útiles para provocar cambios en
las propiedades de otros materiales.
Figura 2. Tetraedro de la ciencia e ingeniería de los materiales.
Fuente: Doug Hateld
Nota: Adaptación al español de elaboración propia.
Dentro de la MSE existen diferentes formas de cla-
sicar a los materiales. La manera más común en
el caso de sólidos es agruparlos en tres categorías
básicas: metales, cerámicos y polímeros. Según lo
maniestan Callister y Rethwisch (2009), esto se
lo realiza considerando su composición química
y estructura atómica. Pero, además, se toma en
cuenta otro grupo concerniente a los materiales
compuestos, mismos que son el resultado de una
ingeniosa combinación de dos o más materiales
diferentes. Como ejemplo de lo expuesto, en la -
gura 3 se puede observar un gráco de valores de
rigidez, a temperatura ambiente, donde se corre-
lacionan las categorías anteriores y algunos de los
materiales que son contenidos en éstas.
Figura 3. Gráco de barras temperatura ambiente – valores de rigi-
dez (módulo de elasticidad). Fuente: Callister y Rethwisch, 2009.
Nota: Adaptación al español de elaboración propia.
3. La ciencia de los materiales en la
ingeniería civil
La relación entre la MSE y la ingeniería civil data
desde los inicios de la civilización humana, evo-
lucionando con el pasar del tiempo desde los
niveles más básicos del conocimiento empírico
hasta constituirse hoy como ramas de estudio téc-
nico-cientícas (Quora, 2015) (Gupta y Chander,
2017).
En la ingeniería civil, los materiales y la materia
en general (desde el contexto físico) juegan un rol
muy importante, ya que es a través de ellos que
los proyectos de infraestructura se hacen reali-
dad. Las estructuras y los materiales en su mayo-
ría son estudiados conforme los criterios y con-
ceptos de la mecánica del medio continuo misma
que estudia el comportamiento de los sólidos de-
formables, sólidos rígidos y uidos mediante la
aplicación de modelos matemáticos que aportan
una mejor comprensión sobre sus propiedades fí-
sico-mecánicas (Reedy, 2013).
Sin embargo, el constante avance en áreas apli-
cadas del conocimiento como es el caso de la
tecnología del hormigón, donde la profundidad
de algunos temas investigados ha sobrepasado
la competencia de la mecánica del medio conti-
nuo (continuum mechanics, en inglés), como se
evidencia al estudiar los modelos de sensibilidad
característica de hormigones auto-sensibles basa-
dos en polvo de nickel donde Han et al. (2015)
consideran los efectos cuánticos dentro del ma-
terial. Esto ha fomentado que la MSE incorpore
nuevas áreas de estudio con la nalidad de dar
solución a los diferentes problemas que se pre-
sentan actualmente en la ingeniería.
Una de estas áreas es la de los materiales com-
puestos, la cual estudia la interacción entre las
combinaciones o mezclas de dos o más materiales
a n de caracterizar no solo sus propiedades físi-
co-mecánicas y químicas sino además entender
su composición y estructuración desde niveles
atómicos a macroscópicos y con esto ver su apli-
cabilidad en las diferentes ramas de la ingeniería.
En la gura 4 se puede observar un esquema de
clasicación para varios tipos de materiales com-
puestos (Callister y Rethwisch, 2009).
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
8
Según la ciencia de ingenieria de los materiales
(MSE) todos los compuestos cementantes (sin
inclusión de bras) son estudiados dentro de los
materiales compuestos reforzados con grandes
partículas (Large Particle Reinforced Composi-
tes, en inglés) lo cual es correcto si se considera
que las interacciones partícula-matriz no son tra-
tadas a nivel atómico o molecular tal y como lo
mencionan Callister y Rethwisch (2009), es decir,
si el estudio se lo realiza desde un nivel nano -a
macro- estructural desde el punto de vista de la
mecánica del medio continuo.
Sin embargo, si a los hormigones y ECC se les
realiza diferentes adiciones químicas y minerales
como los materiales cementantes suplementarios
(supplementary cementitious materials “SCM”,
en inglés), aditivos químicos modicadores vis-
co-reológicos (HRWR, por sus siglas en inglés)
y adiciones de nanocompuestos, que modican
la composición química de la matriz así como la
inclusión en algunos casos “conjunta” de bras de
refuerzo, sería un error clasicarlos especíca-
mente dentro de alguna de las categorías mostra-
das en la gura 4.
Figura 4. Esquema de clasicación para varios tipos de materiales
compuestos. Fuente: Callister y Rethwisch, 2009.
Nota: Adaptación al español de elaboración propia.
La tecnología del hormigón desde la conceptua-
lización de investigadores como Aïtcin (1998),
Neville y Brooks (2010), Li (2011b) y Xincheng
(2017) estudia única y exclusivamente al hor-
migón desde su composición a nivel molecular,
meso-/macroscópico hasta su interacción con el
ambiente. También comprende los estudios so-
bre su elaboración, proceso de producción, usos,
comportamiento físico-mecánico y clasicación
de los diferentes tipos de hormigones creados.
Pero, hoy en día debido a la profundidad a la que
ha llegado la investigación de este material suma-
do al extenso listado de tipos de hormigón que
siguen en desarrollo; se pone en tela de duda si
se debe continuar llamando hormigón a un ma-
terial compuesto que ha alcanzado un alto grado
de complejidad, y más aún, si debe continuarse
nombrando a la rama que lo estudia como tecno-
logía del hormigón.
Es así que en la actualidad investigadores como
Baera (2015) y Hazelwood (2015) hablan ya de
materiales cementantes compuestos (CCM) en
vez de hormigones especiales o de algún otro tipo.
4. Los materiales cementantes
compuestos (ccm)
El estudio de los CCM se deriva de un campo
más amplio que son los materiales compuestos
de matriz cerámica (Ceramic Matrix Composites
”CMC”, en inglés) (Olivares et al., 2003) (Aske-
land y Wright, 2017) desarrollados generalmen-
te a base de cemento Portland. Los materiales
constituyentes de los CCM por lo general, son:
agua, cemento, agregado no, agregado grueso,
adiciones minerales, adiciones químicas, nano-
compuestos o nanomateriales y bras (Bang et
al., 2015).
Actualmente, los criterios sobre tecnología del
hormigón que eran estudiados hace más de me-
dio siglo han evolucionado de tal manera que,
como fue mencionado anteriormente, es com-
plicado establecer a ciencia cierta las categorías
en las que se deben ubicar a los diferentes com-
puestos cementantes desarrollados, tal como es el
caso de los hormigones de ultra-alto desempeño
(UHPC, por sus siglas en inglés) reforzados con
nanocompuestos (Badak et al., 2014) (Sedahat et
al., 2014) (Zhou, 2014) (Lu et al., 2016) (Lu y Ou-
yang, 2017) o el de los diferentes tipos de hormi-
gón con inclusiones de materiales y compuestos
que le aportan propiedades como la auto-repara-
ción (Hazelwood, 2015).
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
9
A diferencia de compuestos cementantes como
el hormigón, los CCM presentan propiedades
mecánicas mucho mayores que lo convencional
para materiales de características anisotrópicas,
por ejemplo, su exibilidad y ductilidad son su-
periores, tal que, a pesar de llegar a deformarse
considerablemente, pueden volver a su estado
original sin evidenciar pérdidas sustanciales en
sus capacidades resistivas a esfuerzos de com-
presión, tracción, corte e inclusive impacto. Esta
capacidad y adaptabilidad de recuperación de la
energía de deformación de un material es cono-
cida de manera ingenieril como “resiliencia” (Fi-
sher, 2006).
Muchas de estas cualidades han sido estudiadas
por Baera et al. (2015), quien además menciona
que:
“Los compuestos a base de cemento han proba-
do, con el pasar del tiempo, ciertas habilidades de
auto-reparar los daños (suras y especialmente
microsuras) que ocurren dentro de su estruc-
tura. Dependiendo del nivel de daño y del tipo
de compuesto en que ocurre, la auto-reparación
puede variar desde el cierre de una sura o repa-
ración de una sura al estado de parcial o incluso
completo de recuperación de las propiedades físi-
co-mecánicas del material” (p. 12).
Respecto a CCM ligeros y ultraligeros, su estudio
a nivel mundial ha quedado relegado en parte
al área del hormigón donde se han desarrollado
mezclas ligeras (LWC, por sus siglas en inglés)
(Esmaeili, 2012) y de alto desempeño reforzado
con bras (HPLWFRC, por sus siglas en inglés)
(Carpio, 2014a) (Hamad, 2017) empleando agre-
gados de baja densidad como arcilla expandida,
esquistos y pizarras, pero cuya accesibilidad para
la industria de la construcción es limitada (Short
y Kinniburgh, 1963). Debido a esto, el empleo de
granulado de poliestireno expandido (EPS) como
alternativa para la fabricación de LWC ha sido es-
tudiado en diferentes trabajos como los de Limu-
ta y Zhunio (2015), Mulla y Shelake (2016), Ca-
rrera y Cevallos (2016), donde se muestra que el
uso de EPS abre una nueva alternativa para la ela-
boración de materiales ligeros a base de cemento.
La tendencia actual de obtener CCM ligeros y ul-
traligeros ha fomentado el uso de SCM, lo que se
evidencia en las investigaciones de Yeginobali et
al. (1998), Sajedi y Shagh (2012), Carpio (2014a)
y Hamad (2017). En algunos de estos trabajos se
realizan inclusiones de bras de refuerzo metáli-
cas, sintéticas, naturales o recicladas para mejorar
aún más el desempeño mecánico del material, tal
y como lo muestran Sadrmomtazi et al. (2014) en
su estudio.
Por otro lado, dentro de los CCM, los ECC con-
forme lo maniestan Li (2008), Li y Kanda (1998),
son una variante a los hormigones de alto des-
empeño reforzados con bras (HPFRC, por sus
siglas en inglés) cuya diferencia principal radica
en el comportamiento que este presenta ante la
acción de una carga. El comportamiento del ECC
una vez se presenta la primera grieta es de una
“deformación con endurecimiento” (strain-har-
dens, en inglés) a diferencia de un FRC (hormigón
reforzado con bras, en español) que después de
la primera grieta muestra un “suavizado por ten-
sión” (tension-soens, en inglés), esto puede ser
apreciado de mejor manera en la gura 5. Al igual
que los hormigones, a los ECC se los ha intentado
categorizar en familias de acuerdo a sus resisten-
cias a tensión y ductilidades, determinándose así
las siguientes: ECC Auto-compactante (Self-con-
solidating ECC, en inglés), ECC de Alta resisten-
cia inicial (High early strength ECC “HES-ECC”,
en inglés), ECC Ligero (Light-weight ECC “LW-
ECC”, en inglés), ECC Verde o Ecológico (Green
ECC “G-ECC”, en inglés) y ECC Auto-reparador
(Self-healing ECC “SH-ECC”, en inglés).
Figura 5. Relación esfuerzo-deformación en tensión uniaxial del
hormigón, FRC, y HPFRCC. Fuente: Li, 2008.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
10
Si se observa detenidamente las categorías de los
ECC indicadas por Li (2008), en relación con los
conceptos de la tecnología del hormigón estos
también podrían ser catalogados como UHPC
conforme las deniciones mostradas desde las in-
vestigaciones de Collepardi et al. (1997) pasando
por Fehling et al. (2008) hasta Graybeal (2013).
En la gura 6, se presenta una alternativa para la
clasicación de los hormigones, ECC y compues-
tos cementantes en general dentro de una ma-
cro-área de estudio conocida como los materiales
cementantes compuestos (CCM), convirtiéndose
así en la rama de los CMC que abarca desde los
conceptos más elementales de la Tecnología del
Hormigón en la Física Clásica hasta las aproxi-
maciones a nivel de la Física de la Materia Con-
densada.
En la tabla 1, se presentan valores característicos
de algunas propiedades mecánicas relevantes de
los CCM; dichos valores mostrados correspon-
den a los más críticos obtenidos en diversas in-
vestigaciones, ofreciendo así una base compara-
ble de la capacidad físico-mecánica que presentan
las diferentes categorías de CCM mostradas en la
gura 6.
Figura 6. Propuesta para la clasicación de los materiales cementantes compuestos.
Fuente: Elaboración propia
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
11
Tabla 1. Valores Característicos de algunas propiedades mecánicas de los diferentes materiales cementantes compuestos.
Fuente: Elaboración propia
5. Propiedades de los materiales
cementantes compuestos
En los CCM al ser su matriz constituyente más
común, la pasta de cemento Portland, sus propie-
dades presentan similitud con las evidenciadas en
mezclas de hormigón o compuestos cementantes
como los morteros, tal como se reporta en algu-
nas investigaciones: Fehling et al. (2008), Zhou
(2014), Baera et al. (2015), entre otros; por lo cual
se pueden establecer dos estados principales del
material: el Estado Primario o conocido también
como “Fase Líquida” y el Estado Secundario o
“Fase Sólida”. En cada uno de dichos estados el
material presenta comportamientos reológicos
diferentes por lo cual es necesario denirlas para
tener una comprensión mayor sobre sus caracte-
rísticas.
A. Estado Primario (Fase líquida).
Este estado es el inicial del CCM y es caracteriza-
do por presentarse como una masa líquida y que
según los materiales constituyentes del que esté
elaborado el CCM dependerá su grado de uidez
y viscosidad que a su vez son los parámetros reo-
lógicos predominantes para este estado. Esta masa
líquida es obtenida después de ingresar todos los
materiales con los que se fabrica el CCM en una
máquina mezcladora por un lapso de tiempo de-
terminado. Entre las propiedades más relevantes
que se pueden evaluar en consideración con lo
expresado en el Manual de la Asociación del Ce-
mento Portland (PCA, por sus siglas en inglés) de
Kostmatka et al. (2004) para el caso de mezclas de
hormigón, se tiene: consistencia, trabajabilidad,
homogeneidad, exhudación, fraguado.
B. Estado Secundario (Fase sólida).
Luego de transcurrido el proceso de fraguado del
CCM, este adquiere un estado sólido y macizo,
por eso suele decirse en el caso del hormigón que
éste presenta una apariencia similar a la de una
“roca articial”. En este estado el CCM muestra
propiedades físicas, químicas y mecánicas muy
diferentes al estado primario.
En el caso de los CCM las principales propiedades
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
12
mecánicas que pueden estudiarse son: densidad,
ductilidad, dureza, elasticidad, rigidez, tensión
mecánica, viscoelasticidad.
6. Aplicaciones de los materiales
cementantes compuestos
Aun cuando en la actualidad el desarrollo de los
CCM se encuentra en fase experimental, se han
realizado diversas aplicaciones a nivel construc-
tivo para evaluar su comportamiento en el me-
diano y largo plazo. Una de estas aplicaciones
estudiada por Rokugo et al. (2005) analiza el
comportamiento del ECC empleado como mate-
rial de reparación en un muro a gravedad para
contención de tierra que fue severamente dañado
con agrietamientos por una reacción Alkali-Sílice
(ASR, por sus siglas en inglés). En dicho estudio
se realizó el análisis entre un mortero de cemento
portland convencional y un ECC, y los resultados
obtenidos demostraron que luego de un mes de
aplicar los métodos de reparación, el mortero se
vio nuevamente afectado por la ASR tal que, lue-
go de 2 años se había producido una grieta con
un ancho de 300 μm, mientras que el ECC luego
del mismo periodo de tiempo apenas presentó un
agrietamiento de 120 μm.
7. Conclusiones
Las continuas modicaciones y desarrollo de
nuevos hormigones cada vez con composiciones
más complejas, diculta su caracterización y cla-
sicación dentro de alguna de las categorías que
la tecnología del hormigón tradicional ha estable-
cido. Por consiguiente, los CCM se perlan como
una nueva rama de estudio capaz de abarcar la
conceptualización tradicionalista de los hormi-
gones y los nuevos desarrollos en las mezclas a
base de cemento portland.
La interacción entre los niveles de nano-, micro-,
meso- y macro- estructuración que hoy en día se
estudia en los CCM permite obtener una com-
prensión mayor sobre su comportamiento me-
cánico. Características como la durabilidad del
material, conductividad, resiliencia, entre otras,
que antes eran estimadas mediante exhaustivas
pruebas experimentales en laboratorio hoy se las
podría estudiar de manera directa con la ayuda
de análisis computacionales mediante modela-
ción multifísica, logrando de esta manera una
optimización de recursos y tiempo.
Las interacciones químicas que tienen lugar en
la matriz cementante de los CCM como conse-
cuencia de las diferentes adiciones químicas y
minerales, hoy son estudiadas a profundidad con
los conocimientos incorporados por la MSE, sin
embargo, han sido consideradas durante décadas
por la tecnología del hormigón como un pará-
metro empírico validado únicamente por las di-
ferentes pruebas de laboratorio sin llegar a una
comprensión total sobre su rol fundamental.
El empleo de los CCM en el campo de la cons-
trucción, hoy en día se encuentra en una fase de
estudio experimental a nivel de factibilidad con
excelentes resultados, por lo que a futuro se per-
la como una alternativa sustentable y sostenible
frente al hormigón tradicional como hoy se lo co-
noce.
El estudio de los CCM permite encontrar mate-
riales que respondan a necesidades particulares
de forma más eciente.
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17
Análisis de la eciencia sanitaria de las obras hidráulicas
construidas para descontaminar la quebrada Ortega por
parte de la EPMAPS, Quito
Enríquez, Carlos
1
; Torres, Paulina
1
1
Universidad Central del Ecuador, Facultad de Ingeniería Ciencias Físicas y Matemática, Carrera de Ingeniería Civil,
Quito, Ecuador
cgenriquez@uce.edu.ec
2
Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y Saneamiento, Quito, Ecuador
paulina.torres@aguaquito.gob.ec
Información del artículo
Recibido: julio 2018
Aceptado: septiembre 2018
Resumen
El presente estudio se basa en analizar la eciencia sanitaria de las obras hidráulicas construidas para
descontaminar la quebrada Ortega por parte de la EPMAPS. Se realiza el estudio hidráulico e hidro-
lógico del sector de la quebrada Ortega, mediante el cual se denió las épocas lluviosa y seca. Para la
denición de los parámetros físico-químicos y microbiológicos, se toma como referente la legislación
ambiental vigente ecuatoriana, indicada en el Acuerdo Ministerial No. 097-A, Anexo 1 del libro VI, tabla
2 y tabla 2-a, Registro Ocial 387, del 4 de junio de 2015, además de los registros históricos de la que-
brada Ortega de los años 2012, 2013, 2014. Adicionalmente se realiza el estudio de macroinvertebrados
acuáticos, como indicadores de la calidad ecológica de las aguas de la quebrada Ortega y sus auentes, a
través del índice BMWP. Se analizaron 3 zonas de la quebrada Ortega para denir su comportamiento,
estas fueron las partes alta, media y baja de la misma y sus implicaciones ambientales.
Palabras clave: quebrada Ortega, macroinvertebrados acuáticos, calidad del agua.
Abstract
e current study focuses on analyzing the sanitary eciency of the hydraulic works constructed to
decontaminate the Ortega ravine by the EPMAPS. e rainy and dry seasons where dened based on
hydraulic and hydrologic studies performed on the ravine. In order to characterize the physiochemical
and microbiological parameters, multiple factors were taken into account such as the current Ecuado-
rian environmental legislation (Ministerial agreement No 097-A, Annex 1 from book VI, tables 2 and
2-a, Ocial Record 387, June 4, 2015), and the historic records of the ravine of 2012, 2013, and 2014.
Moreover, the study of aquatic macroinvertebrates was carried out through the BMWP index to charac-
terize the water quality running through the Ortega ravine and its tributaries. ree zones of the Ortega
ravine were analyzed to dene their behavior, they were the upper middle and lower part of it and their
environmental implications
Keywords: Ortega ravine, aquatic macroinvertebrates, water quality
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
18
1. Introducción
El estudio pretende denir el estado actual de la
quebrada Ortega, a través de la contrastación del
antes y el después de la construcción de colecto-
res, interceptores y emisarios. Se analiza la recu-
peración o no de la calidad ambiental, y se com-
prueba si las inversiones en estas obras mejoran
la calidad de vida de la población beneciaria.
A través de este estudio se complementa el análi-
sis realizado por parte del Departamento de Tra-
tamiento de Aguas Residuales (DTAR) a la Línea
Base de Calidad del Agua en la Quebrada Ortega,
en lo que concierne con la denición de periodos
de lluvia y periodos secos, que permitan conocer
los meses de mayor y menor dilución de contami-
nantes en este cuerpo de agua.
Por último, el estudio permite la esquematización
de las áreas de aportación de caudales de aguas
residuales y pluviales, que convergen hacia el sitio
donde se construyó la planta de tratamiento de
aguas residuales (PTAR) Quitumbe.
Esta investigación se realizó durante periodos de
lluvia (enero, febrero y marzo) y seco (mayo, ju-
nio y julio) en el año 2017, mediante el muestreo
y análisis del agua de la quebrada Ortega y sus
dos principales aportantes, la quebrada Monjas y
la quebrada San José; así como también la cuan-
ticación de macroinvertebrados acuáticos en es-
taciones de monitoreo, para denir la recupera-
ción de este cuerpo de agua, complementándose
con un estudio hidráulico e hidrológico a dicha
área de estudio, que consistió en denir caudales,
condiciones de escorrentía, drenaje, inundacio-
nes y la aplicación de encuestas para el análisis
de la percepción de la comunidad respecto a las
obras de saneamiento construidas en el sector.
En esta investigación se obtuvieron resultados de
los parámetros físicos, químicos, microbiológi-
cos, biológicos, hidráulicos e hidrológicos en cada
estación de monitoreo, para mediante el análisis
en comparación con la legislación ambiental vi-
gente y los datos históricos de monitoreo a este
cuerpo de agua por parte de la Empresa Pública
Metropolitana de Agua Potable y Saneamiento
de Quito, determinar si existe el restablecimiento
de la calidad del agua y generar una metodología
para el control ambiental de cursos urbanos.
2. Metodología
No existen estudios que expliquen si las obras
hidráulicas han contribuido a la mejora de las
condiciones ambientales de la quebrada Ortega y
por ende de la población aledaña.
Por lo que en esta investigación se determina un
proceso metodológico basado en el monitoreo e
interpretación de parámetros físicos, químicos
y biológicos, que permitan mantener un control
de descargas ilícitas, de operación de los sistemas
depuradores y de todas aquellas obras que fueron
construidas con el objetivo de ayudar en la des-
contaminación de los ríos de Quito.
a. Denición del área de estudio
La EPMAPS, a través de la Gerencia de Op-
eraciones y el Departamento de Tratamiento
de Aguas Residuales, ejecutó en el año 2014, el
“Proyecto piloto para el levantamiento de la línea
base de calidad de agua en el área aportante a la
PTAR proyectada en el sector de Quitumbe”, con
el objetivo principal de levantar una línea base
de los cursos hídricos urbanos, a través del mon-
itoreo y muestreo, identicando las descargas
críticas provenientes de industrias y comercios, a
n de prevenir y controlar el ingreso al sistema
de alcantarillado de contaminantes tóxicos, que
puedan interferir en los procesos biológicos de la
PTAR Quitumbe.
Con este antecedente, se adoptó la misma área de
inuencia para el análisis físico, biótico y socio
económico; esta área se denió considerando los
siguientes criterios técnicos:
De acuerdo a Barahona (2014), la denición de
los puntos de monitoreo, se basó en gran par-
te en la información obtenida del Plan de San-
eamiento Ambiental (PSA) y el Departamento
de Alcantarillado, especialmente el mapa de las
áreas de aporte a los cuerpos hídricos del sur de
Quito y el mapa de la microcuenca aportante a
la PTAR Quitumbe.
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
19
Figura 1. Cuenca aportante PTAR Quitumbe.
Fuente: EPMAPS, Dpto. de Alcantarillado, 2014.
También se consideró el ujo del sistema de al-
cantarillado del sector, para así analizar las áreas
de aporte respectivas y con esto, limitar la zona a
solo las áreas que aportan con agua hacia la que-
brada Ortega.
b. Estaciones de monitoreo
Este estudio consideró abarcar la inuencia de
la contaminación antropogénica sobre la calidad
biológica del agua en la quebrada Ortega y sus
auentes, dentro del área aportante a la PTAR
Quitumbe, que servirá en la recuperación de este
curso hídrico.
La toma de decisión sobre los puntos de muest-
reo se realizó de acuerdo a las siguientes consid-
eraciones:
1. Identicación de la microcuenca aportante a
la PTAR Quitumbe de la EPMAPS.
2. Identicación de quebradas circundantes.
3. Altura (msnm).
4. Accesibilidad a los puntos de muestreo.
5. Estaciones meteorológicas.
6. Climatología.
7. Caudal aportante.
8. Índices ecológicos
Se tomó cuatro puntos de estudio dentro de la
quebrada Ortega, la cual está conformada por
dos aportantes; así:
- Quebrada Monjas punto 1
- Quebrada Monjas punto 2
- Quebrada San José
- Quebrada Ortega
c. Estaciones pluviométricas
Se identicó mediante los mapas respectivos, tan-
to las estaciones del INAMHI, así como de la EP-
MAPS que se encuentran cerca de nuestra zona
de estudio, teniendo las siguientes:
- Chillogallo Buenaventura
- Atacazo
- El Troje
- Izobamba
d. Denición de parámetros físicos, químicos y mi-
crobiológicos.
La selección de los parámetros por monitorear
responde a los objetivos especícos perseguidos
por las entidades ambientales responsables de
control, según el uso potencial y actual del curso
hídrico.
Teniendo como base el uso especíco del agua
y el nivel de seguimiento que se desee realizar a
la fuente. Los parámetros por monitorear tam-
bién pueden seleccionarse a partir de los re-
sultados de campañas preliminares que tengan
como objetivo identicar los principales com-
ponentes de la contaminación.
En este estudio se realizaron 43 ensayos en el Lab-
oratorio de Control de Calidad del Agua L3C de la
EPMAPS, en función de lo descrito previamente.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
20
e. Muestreo de macroinvertebrados
1. Identicación de microhábitats
Una vez escogido el tramo, se realizó un recorri-
do rápido a lo largo del mismo para identicar los
microhábitats potenciales para ser muestreados.
En principio los microhábitats están denidos
por áreas del lecho del río, compuestas por deter-
minados tipos de sustratos, ya sean inorgánicos u
orgánicos. Algunos de los más frecuentes son los
siguientes:
Sustratos minerales: bloques, piedras, cantos,
grava, arena, arcilla, limo.
Sustratos orgánicos: hojarasca, macrótas,
briótos, algas lamentosas, raíces expuestas, ra-
mas y troncos.
Así mismo, se identicaron cuáles de estos mi-
crohábitats son marginales o dominantes. Con-
siderando microhábitats marginales a aquellos
cuya representatividad sea menor al 10% en el
tramo
2. Colecta de muestras
El muestreo de macroinvertebrados se realizó con
una red de marco cuadrado (Square frame net)
de 500 micras de ojo de malla (tamaño de red de
25 cm de lado) y con la técnica de patada, que
consiste en remover arena, materia orgánica y
piedras que pueda suspenderse con facilidad pre-
sente en el lecho del cuerpo de agua, con la nali-
dad de obtener el mayor número de especímenes
(macroinvertebrados). Se consideraron un total
de 8 réplicas (cada una de aproximadamente 1
m
2
de área), las cuales se distribuyeron según la
representatividad de los microhábitats en el tra-
mo escogido.
Una vez escogido el microhábitat, el muestreador
se colocó en dirección opuesta a la corriente y
pateó el fondo del río removiendo el sustrato de
modo que los macroinvertebrados adheridos se
suelten y sean transportados por la corriente ha-
cia el fondo de la red.
Este procedimiento se realizó cubriendo toda
el área de muestreo denida sin exceder los dos
minutos por microhábitat.
3. Procesamiento de muestras en el campo
Una vez obtenidas las ocho unidades muestral-
es, éstas se integraron en una sola muestra que
se depositó en una bandeja para proceder a ex-
cluir los sustratos minerales u orgánicos grandes
(cantos, hojarasca grande, ramas, entre otros) te-
niendo precaución de lavarlos previamente para
desprender los macroinvertebrados que pudieron
estar sobre los mismos.
Cuando se obtuvo toda la muestra limpia, la mis-
ma se depositó en un frasco hermético de plásti-
co de 300 mL tratando de que quede la menor
cantidad posible de agua, ya que se conservó con
alcohol al 96%.
4.Procesamiento de muestras en el laboratorio
Una vez en el laboratorio, la muestra se lavó con
agua y se pasó por dos tamices con el objetivo de
dividir la muestra en dos tamaños de sustrato:
grueso y no. Uno de los tamices correspondió a
un colador de cocina y el segundo a otro cernidor
con una apertura igual al de la red usada en el
muestreo (es decir 500 micras). Cada una de estas
partes se extendió y homogeneizó en una bandeja
para fraccionarlos en sub-partes.
Se empezó a revisar la octava parte correspondi-
ente al sustrato grueso, distribuyéndola en varias
placas Petri, en cantidad suciente para que sea
adecuado observar a través del estereoscopio y se
separó, identicó y contó los macroinvertebrados
a nivel de familia con ayuda de pinzas de punta
na.
3. Resultados y discusión
En la quebrada Ortega, objeto de este estudio, se
realizaron varias mediciones, el caudal del curso
hídrico, denición de los periodos de sequía y
pluviosidad; así como la presencia o no de ciertos
órdenes y familias de macroinvertebrados como
indicadores de la calidad del agua.
Por lo expuesto, la tabla 1 contiene un resumen
de resultados del análisis hidráulico de la micro-
cuenca de la quebrada Ortega:
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
21
Tabla 1. Resultados hidráulicos microcuenca quebrada Ortega.
El área de la microcuenca es de 14.166 km
2
, por
lo que se la trataría como un sector de la cuenca
del Machángara, de acuerdo a Barros (1990). La
longitud del cauce principal es de 10.15 km, se
ha categorizado como de curso corto. El sector de
la quebrada Ortega tiene un desnivel altitudinal
de 1090 m, lo que quiere decir que la variabilidad
ecológica y climática no es alta. El factor de forma
Kf obtenido es de 0.14, este valor determina que
tiene una forma muy poco achatada. El coeci-
ente de compacidad Kc es de 2.63, lo que quiere
decir que de acuerdo a Aguirre (1987), tiene una
baja tendencia a crecidas, con una forma oval ob-
longa a rectangular. La quebrada Ortega como
cauce principal y de acuerdo a Heras (1986),
tiene un terreno accidentado medio, la densidad
de drenaje del sector de la quebrada Ortega es de
regular drenaje de acuerdo a Henaos (1988).
Para determinar la cantidad de agua que ha caído
en los meses en los que se realizó el estudio, se
realizó la estadística de los datos de las estaciones
meteorológicas, considerando que de las 4 esta-
ciones escogidas, solo una pertenece a la red de
estaciones del INAMHI. También se realizó una
comparación con lo ocurrido entre los años 2000
al 2011, lo que permitió tener una idea más clara
sobre la denición de los periodos de lluvia y sec-
os en la microcuenca Ortega; así:
Tabla 2. Precipitaciones en estaciones 2000 - 2011
Tabla 3. Precipitaciones en estaciones 2016
Como se puede constatar en las tablas 2 y 3, se ob-
serva que los meses escogidos para hacer el mues-
treo, coincide con los periodos de lluvia (enero,
febrero y marzo) y secos (mayo, junio y julio).
Identicación de macroinvertebrados. Cuanti-
cación y cualicación de macroinvertebrados
acuáticos
Los macroinvertebrados en la quebrada Ortega
y sus auentes, de acuerdo a las estaciones de
muestreo descritas previamente, estuvieron rep-
resentadas por 15 órdenes y 32 familias, como se
indica en la tabla 5. Siendo la familia de los Lep-
tociridae, Orden Tricoptera el más representativo.
En el Estudio de Impacto Ambiental, Construc-
ción y Operación-Mantenimiento de la Planta
de Recuperación de Agua en el sector Quitumbe
EPMAPS, pág. 182 (2013), se registró un total de
30 individuos distribuidos en seis géneros, seis
familias, cuatro órdenes y dos clases. Siendo el
género Clognia Cf. (familia de los Psychodidae) el
más representativo con un 43% del total de mac-
roinvertebrados registrados.
Tabla 4. Presencia en estaciones Orden Tricoptera, familia Lepto-
ciridae
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
22
Tabla 5. Órdenes y familias encontradas en los muestreos
Orden Familia
Acarina Hydrachnidae
Amphipoda Hyalellidae
Basommatophora Planorbidae
Coleóptero
Elmidae
Hydroptilidae
Dytiscidae
Scirtidae
Girinidae
Díptera
Ceratopogonidae
Chironomidae
Cyclorrapha muscidae
Dolichopodidae
Empididae
Lepidoptera
Limoniidae
Psychodidae
Simulidae
Tabanidae
Tipulidae
Entomobryomorpha Isotomidae
Ephemeroptera Baetidae
Glossiphoniiformes Glossiphoniidae
Gordioidea Gordiidae
Oligochaetae Haplotaxida
Hemíptera Notonectidaea
Plecóptero Perlidae
Tricoptera
Leptociridae
Odontoceridae
Helichopsychidae
Hydrobiosidae
Tricladida Planaridae
Unionoida Sphaeridae
La abundancia de especies de macroinvertebra-
dos depende de los aspectos físicos del entorno
de las quebradas, especialmente en lo concerni-
ente a la composición del lecho del curso hídrico,
ya que es el hábitat de estos organismos indica-
dores de la calidad ecológica del agua.
Tabla 6. Índice BMWP/Col
La calidad ecológica de la microcuenca de la que-
brada. Ortega, de acuerdo a los datos obtenidos
del muestreo, conteo y valoración de macroinver-
tebrados acuáticos, mediante el Índice BMWP/
Col, determina que en la mayoría de sus auentes
la calidad del agua tiene calicación dudosa, es
decir que sus aguas son moderadamente contam-
inadas.
Existen cambios en las comunidades acuáticas,
evidenciadas por la disminución de la diversi-
dad y cambios en la abundancia de las especies.
Esto debido al grado de contaminación por una
alteración en la cantidad de compuestos orgánic-
os contaminantes o condiciones físicas. El punto
crítico sería la quebrada Ortega el cual limita la
vida de los organismos acuáticos.
Análisis físico, químico y microbiológico
Los cuatro puntos muestreados presentan una
buena saturación de oxígeno, en las dos épocas
(lluviosa y seca), lo que contribuye a una eciente
recuperación de los cursos hídricos, en el aspecto
de su calidad ecológica, adicionalmente la tem-
peratura es un factor determinante que ayuda
a mantener la saturación de oxígeno en toda la
quebrada.
En todos los puntos muestreados, se obtuvieron
resultados que indican presencia de contam-
inación, los mismos que se ven reejados en el
incumplimiento de la normativa ambiental
vigente, que establece un límite < 20 mg /L de
DQO; esto se puede atribuir a actividades de tipo
antropogénico, lo que indica que es de vital im-
portancia la implementación de un programa de
vigilancia y monitoreo de esta microcuenca.
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
23
Analizando el parámetro aceites y grasas, se con-
cluye que se presenta a lo largo de la quebrada
Ortega y sus aportantes, con valores que incum-
plen la normativa ambiental vigente < 0.3 mg /L,
lo que impide la transferencia completa de oxíge-
no entre el cuerpo de agua y el ambiente; alteran-
do los procesos de auto depuración del curso
hídrico.
4. Conclusiones
la microcuenca Ortega, morfológicamente es de
forma oval a oblonga, muy poco achatada, por lo
que tiene una baja tendencia a las crecidas, el ter-
reno por el cual atraviesa es de tipo accidentado
medio con un buen drenaje.
La quebrada Ortega presenta una intensidad de
lluvia muy fuerte, pero de duraciones cortas es
decir que durante un día, solo se presenta la lluvia
en horas determinadas.
De acuerdo con los registros meteorológicos tan-
to del estudio en el año 2016, como del INAMHI
en el periodo del 2000 al 2011, se determina que
durante la época lluviosa se registra 119.3 mm de
precipitación media y durante la época seca 61.56
mm, los meses más secos son julio y agosto y los
más lluviosos son marzo y abril.
Los trabajos realizados por parte de la EPMAPS
en los años 2012, 2013 y 2014, son registros cor-
tos y limitados en cobertura espacial, los cuales
imposibilitan tener una lectura y análisis adecua-
do de los parámetros denidos para el control del
curso hídrico.
La percepción de la comunidad en lo concerni-
ente a las obras de saneamiento ambiental im-
plantadas en la zona de estudio por parte de la
EPMAPS, sugiere que en la mayoría de los casos
prima el desconocimiento de dichas actividades y
que se mantienen los problemas de generación de
malos olores y presencia de vectores en el sector.
La calidad ecológica de la microcuenca de la que-
brada Ortega, de acuerdo a los datos obtenidos del
muestreo, conteo y valoración de macroinverteb-
rados acuáticos, mediante el índice BMWP/Col,
determina que en la mayoría de sus auentes la
calidad del agua tiene calicación dudosa, es decir
que sus aguas son moderadamente contaminadas.
La abundancia de especies de macroinvertebra-
dos depende de los aspectos físicos del entorno
de las quebradas, especialmente en lo concerni-
ente a la composición del lecho del curso hídrico,
ya que es el hábitat de estos organismos indica-
dores de la calidad ecológica del agua, esto quedó
evidenciado en el muestreo del mes de julio de
2016 a la Estación Ortega, la misma que sufrió la
alteración antropogénica de sus márgenes y por
ende el cambio de los sustratos en el lecho del
cuerpo de agua, impidiendo realizar el muestreo,
ya que las comunidades de macroinvertebrados,
fueron afectadas en su totalidad.
Producto de las obras de saneamiento ambiental
construidas por parte de la EPMAPS, especial-
mente la intercepción de las aguas residuales de
tipo doméstico, que se descargaban a la quebrada
Ortega, se pudo vericar en función de los análi-
sis físicos, químicos, biológicos y microbiológicos
que su calidad del agua ha mejorado, ya que con
los datos históricos de los años 2012, 2013 y 2014
que se contaban del monitoreo a este curso hídri-
co, se puede concluir con los análisis de 2016, que
existe una disminución considerable de contam-
inantes orgánicos e inorgánicos en el cuerpo de
agua.
Se constató visualmente conexiones clandesti-
nas de aguas residuales hacia las márgenes de la
quebrada Ortega, especialmente en la zona de los
barrios poblados circundantes, lo que se reeja en
los resultados de decrecimientos en ciertos meses
de las poblaciones de macroinvertebrados, que lo
evidencia también los resultados de análisis físico
químico y microbiológico.
La información climática, hidrológica y de cal-
idad del agua, ha constituido un insumo im-
portante para el diseño de proyectos de aprove-
chamiento y control del agua, así también para
el ‘Programa de descontaminación de los ríos de
Quito’; sin embargo, la información disponible
por no ser continua en el tiempo y tampoco es-
pacialmente representativa, ha sido insuciente
para el desarrollo estratégico de planes y linea-
mientos que permitan establecer metas concretas
sobre saneamiento, recuperación y preservación
del recurso agua
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
24
De acuerdo a los datos hidrometeoreológicos ob-
tenidos en la microcuenca Ortega, se puede ver-
icar que los periodos de lluvia y secos son muy
variables, por lo que para planicar un muestreo,
es importante hacerlo considerando un margen
de tiempo de 5 días sin precipitaciones, para ga-
rantizar los datos obtenidos luego del muestreo
tanto de macroinvertebrados como de parámet-
ros físicos, químicos y microbiológicos, buscan-
do que estos sean homogéneos y no causen inter-
ferencia en el análisis de resultados.
Agradecimiento
a la Empresa Pública Metropolitana de Agua Po-
table y Saneamiento por permitirnos realizar la
parte experimental de nuestra investigación en su
Laboratorio Central de Control de la Calidad del
Agua.
Referencias
Aguirre, L. C. (1987).
[1] Abarca, M. (2007). El uso de macroinvertebra-
dos como bioindicadores de la calidad del agua.
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[2] Agroempresarial, S. (2011). Manual de proce-
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Control Ambiental.
[3] Aguirre, L. C. (1987). El hombre fósil de Ibeas y
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agua en el sector de Quitumbe. Quito: Calidad
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cuencas hidrográcas. Bogotá.
[9] Heras. Rafael (1986). Recursos hidráulicos: sín-
tesis, metodología y normas. Madrid.
[10] Roldán, Gabriel (2008). Fundamentos de lim-
nología neotropical. Medellín: Universidad de
Antioquia.
25
Diseño de un Sistema de Aprovechamiento de Agua Lluvia bajo
criterios de Eciencia Hídrica en Edicios. Caso de estudio: Edicio
de Clases y Laboratorio de Hidráulica de la Facultad de Ingeniería,
Ciencias Físicas y Matemática de la Universidad Central del
Ecuador
Valenzuela C.*; Muñoz F.**; Gomes R.***
*Universidad Central del Ecuador, Facultad de Ingeniería Ciencias Físicas y Matemática, Quito, Ecuador
Polytechnic Institute of Leiria, School of Technology and Management, Leiria, Portugal
e-mail: carvalenp88@hotmail.com
**Universidad Central del Ecuador, Facultad de Ingeniería Ciencias Físicas y Matemática, Quito, Ecuador
Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y Saneamiento de Quito (EPMAPS)
e-mail: fpmunoz@uce.edu.ec
***Polytechnic Institute of Leiria, School of Technology and Management, Leiria, Portugal
INESC - Institute for Systems Engineering and Computers at Coimbra, Portugal
e-mail: ricardo.gomes@ipleiria.pt
Información del artículo
Recibido: julio 2018
Aceptado: septiembre 2018
Resumen
El agua es uno de los recursos naturales indispensables para el desarrollo de la vida. Lamentablemente, la condición de recurso
renovable es muy cuestionada. Ecuador es uno de los países de América del Sur con mayor número de fuentes de agua dulce
superciales y subterráneas considerando su área continental. Sin embargo, existen factores inuyentes que afectan la dispo-
nibilidad del agua dulce como recurso natural y que ponen en riesgo el volumen de estas reservas. El crecimiento exponencial
de las poblaciones, el inclemente cambio climático, la falta de leyes y mecanismos de control para el uso responsable de agua
potable y en especial, la escasez de cultura sobre la aplicación de prácticas responsables para el uso de agua potable en edi-
cios, hace que este recurso se agote rápidamente. Las cifras estadísticas indican datos alarmantes de Ecuador con respecto a
los países de la región, ya que es el mayor consumidor de agua potable con dotaciones que superan los 237 litros/(habitante.
día). Esta realidad hace imprescindible que se reduzcan los consumos de agua potable en edicios para mejorar su eciencia
hídrica y convertirlos en proyectos autosustentables sin afectar la sensación de confort en los usuarios. El principal objetivo de
este trabajo es el de presentar los resultados obtenidos sobre al análisis de eciencia hídrica en edicios universitarios de Quito
a través de metodologías de cálculo internacionales como la sugerida por la “ANQIP - Associação Nacional para a Qualidade
nas Instalações Prediais”, de Portugal. Se concluye que, la instalación de un sistema de aprovechamiento de agua lluvia reducirá
considerablemente los consumos de agua potable en un edicio con bajo desempeño hidráulico. El presente estudio se da como
tema de investigación de Maestría en el Instituto Politécnico de Leiria y la Universidad Central del Ecuador.
Palabras clave: Agua de lluvia, Cambio climático, Eciencia Hídrica en edicios
Abstract
Water is one of the indispensable natural resources for the development of life. Unfortunately, the condition of renewable re-
source is very questioned. Ecuador is one of the countries in South America with the largest number of shallow and under-
ground freshwater sources considering its continental area. However, there are inuential factors that aect the availability of
fresh water as a natural resource and that put the volume of these reserves at risk. e exponential growth of populations, the
inclement climate change, the lack of laws and control mechanisms for the responsible use of drinking water and especially, the
lack of culture on the application of responsible practices for the use of potable water in buildings, causes this resource to be
exhausted quickly. e statistical gures indicate alarming data of Ecuador with respect to the countries of the region, since it
is the largest consumer of drinking water with endowments exceeding 237 (liters/inhabitant.day) is reality makes it essential
to reduce drinking water consumption in buildings to improve their water eciency and turn them into self-sustaining projects
without aecting the user’s sense of comfort. e main objective of this work is to present the results obtained on the analysis
of water eciency in university buildings in Quito through international calculation methodologies such as the one suggested
by the Portuguese Association for Quality in Building Services Installations (ANQIP). It is concluded that the installation of
a rainwater harvesting system will considerably reduce the consumption of drinking water in a building with low hydraulic
performance. e present study is given as a subject of Master’s research at the Polytechnic Institute of Leiria and the Central
University of Ecuador.
Keywords: Rainwater, Climate change, Water Eciency in Buildings
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
26
Introducción
El principal inconveniente que incrementa los
consumos de agua potable es precisamente la do-
tación que se asigna a cada ciudad. En el Ecuador,
la dotación promedio de agua potable es de 237
litros/(habitante.día), lo cual representa una de
las cifras más altas de la región. Si a este dato re-
ferencial se añade la falta de conciencia y cultura
de la sociedad por hacer un buen uso del recurso
natural, es lógico que los indicadores de desem-
peño reejen tal gasto volumétrico de agua pota-
ble durante cada año. [1] [2]
La gura 1, muestra el consumo promedio de
agua potable de los países que forman parte de la
región. El consumo exagerado de agua potable en
Ecuador, no se justica ni por el número de habi-
tantes en el país, ni tampoco por las condiciones
climáticas ya que no son extremas como en otros
países de la lista.
Figura 1. Consumo promedio de agua potable por países.
La investigación realizada muestra, a través de la
gura 2, el análisis de las tasas por metro cúbico
de agua potable en las capitales de los países de
América del Sur.
Como es evidente, Quito durante el 2017, tiene
una de las tarifas más bajas, por lo tanto, el con-
sumo de agua potable es extremadamente alto, ya
que no hay impacto económico sobre los usuari-
os.
El impacto del uso indiscriminado e incontrolado
de agua dulce en América del Sur también está
relacionado con la disponibilidad de recursos na-
turales y la falta de leyes que regulen el consumo
de agua potable. Por lo tanto, ha sido necesario
aumentar las tasas económicas en los países de la
región como una medida emergente para reducir
el consumo de agua potable en los sectores resi-
dencial e industrial. [3] [4]
Figura 2. Tarifas de agua potable en las capitales sudamericanas.
Materiales y métodos
el análisis de eciencia hídrica se ejecuta sobre
dos edicios. El Edicio de Clases tiene aprox-
imadamente 22 años y el Laboratorio de Hi-
dráulica tiene más de 40 año. Ninguno de estos
edicios tiene una certicación o evaluación de
la eciencia hídrica en este momento, su sumin-
istro de agua depende cien por ciento del sistema
público de agua de Quito.
La ocupación de estos edicios, especialmente
en el Edicio de Clases, es muy alta ya que es
en este lugar donde se imparten las clases de las
diferentes especialidades de lunes a viernes en
periodos de 12 horas. La metodología empleada
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
27
para evaluar la eciencia hídrica de ambos edi-
cios es la siguiente:
a) Caracterización arquitectónica: La importan-
cia de la caracterización arquitectónica está
relacionada con la identicación de puntos o
instalaciones sanitarias que deben ser consi-
deradas para mejorar el desempeño hídrico y
el confort de los usuarios.
b) Caracterización hidrosanitaria: permite
identicar todos los dispositivos sanitarios y
caracterizarlos en base a sus consumos. Para
el Laboratorio de Hidráulica se inspeccionan
3 dispositivos sanitarios (2 llaves de baño y 1
inodoro). En el caso del Edicio de Clases, se
obtienen los resultados que se detallan en la
tabla 1.
Tabla 1. Caracterización sanitaria del Edicio de Clases
Dispositivo Cantidad Categoría
Sanitarios 17 -
Llaves de baño 18 -
Llaves de cocina 4 -
Urinarios 10 C
c) Certicación y etiquetado: La certicación
emitida sobre eciencia hídrica, es la catego-
rización que se da a un edicio en base al re-
sultado calculado de sus consumos totales de
agua potable. Para ello, se toman en consid-
eración las dotaciones que por normas o regla-
mentos nacionales son establecidas para cada
ciudad. En este caso, se consideran las nor-
mas nacionales vigentes que establecen una
dotación promedio para edicios universitar-
ios de 40 a 60 litros por estudiante por día. [5]
Con base en el promedio de consumo de refer-
encia útil, dispositivos sanitarios y el mercado
ecuatoriano, se propone a través de una pro-
porción análoga del modelo de certificación
y etiquetado que la ANQIP sugiere para Por-
tugal, una certificación que se ajuste a los re-
querimientos de Quito basada en una dotación
referencial para edificios universitarios de
50 litros/(estudiante.día). Esta certificación
sugerida se resume con la tabla 2 [5] [6].
Tabla 2. Dotación de agua potable para edicios universitarios
Categoría
Consumo admisible establecido por la
NEC
litros/(estudiante.día)
A
++
0 < c ≤ 20
A
+
20 < c ≤ 25
A 25 < c ≤ 30
B 30 < c ≤ 35
C 40 < c ≤ 60
D 60 < c ≤ 70
E c > 70
El etiquetado sugerido según la certicación de
la eciencia hídrica de un edicio y sus dispositi-
vos sanitarios se basa en el volumen total de agua
potable que consume mensualmente, donde A
++
se considera el grado más alto de eciencia y E,
el más bajo. El sistema de etiquetado se propone
de acuerdo con las categorías establecidas en la
tabla 2.
La gura 3, detalla el rotulado que se diseña para
evaluar la eciencia hídrica de los edicios resi-
denciales y no residenciales en Ecuador.
Figura 3. Rotulado de eciencia hídrica para edicios
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
28
d) Patrón de uso interno del agua: se determina
cómo el agua es utilizada en los edicios, en
base a los dispositivos que forman parte de
las instalaciones sanitarias. Se descarta, por
ejemplo, la presencia de duchas o máquinas
de lavado.
e) Consumos unitarios de dispositivos: conside-
rando las normas vigentes en el país, se esta-
blecen cuáles son los consumos mínimos que
requiere cada dispositivo sanitario estándar
para categorizarlo en base a la certicación
propuesta.
f) Factores de uso: se determinan los factores de
uso para cada dispositivo sanitario evaluado,
los cuales son parámetros que establecen la
frecuencia con la cual se utiliza cada disposi-
tivo sanitario.
g) Determinación de consumos: para determi-
nar el volumen de cada dispositivo sanitario
en ambos edicios, se utilizan dos métodos.
El primero, hacer aforos volumétricos tradi-
cionales y el segundo, con la ayuda de un dis-
positivo electrónico patentado que permite
determinar el caudal en litros por minuto de
cada dispositivo sanitario. [7]
Resultados y discusión
Un total de 49 puntos de instalaciones y servi-
cios hidrosanitarios forman parte del Edicio de
Clases y 3 puntos del Laboratorio de Hidráuli-
ca, por lo que es esencial determinar su catego-
rización sobre eciencia hídrica. El consumo
promedio de agua es más alto en el Laboratorio
de Hidráulica, porque los dispositivos que se
instalan son muy antiguos y requieren mayores
volúmenes de agua para su funcionamiento.
La tabla 3 muestra la eciencia hídrica obtenida
del Edicio de Clases.
Tabla 3. Eciencia hídrica del Edicio de Clases
Dispositivo Unidades
Flujo (Promedio) Factor de Uso
Total litros/(persona/
día)
(A) (B) (C) = (A) X (B)
Inodoro litros 5.94 1.14 6.77
Llave de baño litros/min 4.03 2.24 9.03
Llave de cocina litros/min 6.17 0.60 3.70
Urinario litros 0.50 6.71 3.36
Consumo total calculado (litros/persona.día) Suma de Columna (C) = (1) 22.86
Factores de corrección
Multiplicativo (No hay lavadoras) 1.00
l/lavado
Adicional CWM (=0, no lavadoras) 0.00
l/(persona.día)
l/lavado
Adicional
DM
(=0, no lavadoras) 0.00
l/(persona.día)
Contribución por uso de agua lluvia l/(persona.día) 0.00
Contribución por reciclaje de aguas servidas l/(persona.día) 0.00
Contribución por uso de aguas subterráneas l/(persona.día) 0.00
CONSUMO DE AGUA TOTAL l/(persona.día) 22.86
USOS EXTERNOS l/(persona.día) 0.00
CONSUMO TOTAL l/(persona.día) 22.86
CATEGORÍA DE EFICIENCIA HÍDRICA DADA AL EDIFICIO A
+
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
29
La sorpresa es evidente. Como se muestra en la
tabla 3, el Edicio de Clases logra una categoría
muy aceptable de eciencia de agua en compara-
ción con la categoría del Laboratorio de Hidráuli-
ca cuyos resultados se detallan en la tabla 4 y que
realmente reejan una deciencia en el sistema
hidrosanitario existente. Esto es producido prin-
cipalmente por los dispositivos ecoecientes in-
stalados en el primer edicio a pesar del mayor
número de usuarios.
El consumo total de agua es de 22.86 litros/(per-
sona.día) para el Edicio de Clases de la Facul-
tad de Ingeniería. Comparando este valor con la
clasicación por consumo estándar para edicios
universitarios de la tabla 2, se asigna una cate-
goría equivalente a “A
+
”, ya que está dentro del
rango de 20 a 25 litros/(persona.día).
Por el contrario, la eciencia hídrica del Labora-
torio de Hidráulica está en un rango intermedio a
pesar de que solo tiene tres dispositivos sanitarios
y un mínimo de 10 personas trabajando en este
lugar, como lo demuestra la tabla 4.
En ambos casos, el sistema de recolección de agua
de lluvia es una alternativa muy importante para
mejorar estas categorías, especialmente el Labo-
ratorio de Hidráulica.
Tabla 4. Eciencia hídrica del Laboratorio de Hidráulica
Dispositivo Unidades
Flujo (Promedio) Factor de Uso
Total litros/(persona/
día)
(A) (B) (C) = (A) X (B)
Inodoro litros 8.44 2.64 22.28
Llave de baño litros/min 4.00 5.43 21.72
Consumo total calculado (litros/persona.día) Suma de Columna (C) = (1) 44.00
Factores de corrección
Multiplicativo (No hay lavadoras) 1.00
l/lavado
Adicional CWM (=0, no lavadoras) 0.00
l/(persona.día)
l/lavado
Adicional
DM
(=0, no lavadoras) 0.00
l/(persona.día)
Contribución por uso de aguas lluvia l/(persona.día) 0.00
Contribución por reciclaje de aguas servidas l/(persona.día) 0.00
Contribución por uso de aguas subterráneas l/(persona.día) 0.00
CONSUMO DE AGUA TOTAL l/(persona.día) 44.00
USOS EXTERNOS l/(persona.día) 0.00
CONSUMO TOTAL l/(persona.día) 44.00
CATEGORÍA DE EFICIENCIA HÍDRICA DADA AL EDIFICIO C
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
30
Dimensionamiento del sistema de aprovechamiento de agua lluvia
con el objetivo de dimensionar los componentes
del sistema de captación de agua de lluvia, es im-
portante determinar el consumo mensual de agua
en ambos edicios para identicar el volumen to-
tal que se requerirá para suministrar a través del
sistema de recolección de agua de lluvia los usos
no potables.
Consumo mensual de agua potable en el Edicio
de Clases:
Para calcular el consumo mensual, se toman en
cuenta 22 días debido a que los nes de semana
se descartan (sábado y domingo) porque no se
consideran como días en los que hay consumo
de agua en las instalaciones que forman parte del
caso de estudio. El promedio de usuarios en este
edicio es de 228 personas, entonces:
• Usos no potables (inodoros y urinarios) –
Volumen considerado para el Sistema de re-
colección de aguas pluviales:
Consumo mensual de agua potable en el Laborato-
rio de Hidráulica:
El promedio de usuarios en este edicio es de 10
personas, entonces:
• Usos no potables (inodoros y urinarios) –
Volumen considerado para el Sistema de re-
colección de aguas pluviales:
Por lo tanto, el volumen total de agua requerido
durante cada mes del año para satisfacer las necesi-
dades de los usuarios en consumo de agua no po-
table de los dos edicios en estudio es igual a:
Es decir, el sistema de aprovechamiento de aguas
lluvia deberá suministrar 56.00 m
3
cada mes para
dispositivos como urinarios, inodoros, o para
usos exteriores.
Supercie de recolección de aguas lluvia
La gura 4, muestra a la izquierda, la supercie
considerada para la recolección de agua lluvia del
Edicio de Clases que es de 970 m
2
y al lado dere-
cho la supercie de la cubierta del Laboratorio de
Hidráulica que es igual a 138 m
2
.
Figura 4. Cubiertas para recolección de aguas lluvia.
Sin embargo, y teniendo en cuenta el alto con-
sumo mensual calculado, se considera como una
solución adicional, la colección de agua que se
inltra en el área verde que se encuentra junto
al Edicio de Clases. La gura 5, indica el área
considerada como zona de inltración de agua de
lluvia (polígono amarillo) con una extensión de
4000 m
2
, sin embargo, se utilizan 1500 m
2
inicial-
mente.
Figura 5. Zonas verdes consideradas en el diseño
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
31
Con respecto al caso de estudio, la estación pluviométrica operativa más cercana es la de Iñaquito cuyo
código es el M0024 y que posee datos desde el año de 1975. Para el presente diseño se utilizan los datos
pluviométricos de los últimos 10 años y se obtiene a través de la tabla 16, el promedio de intensidad de
lluvias en milímetros, por mes. [8] [9] [10]
Tabla 5. Cálculo del sistema de aprovechamiento de aguas lluvia
Mes
Lluvia
mensual
promedio
Consumo
mensual
Volumen
que aporta
la lluvia
Diferencia
Diferencias
de cálculo
Volumen
adoptado de la
reserva
Volumen de agua en
el reservorio
(m
3
)
Suministro
(mm) (m
3
) (m
3
) (m
3
) (m
3
) (m
3
) Inicio Fin (m
3
)
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)
Ene 113.78 56.00 188.83 132.83 132.83
15.00
15.00 15.00 0.00
Feb 113.83 56.00 188.92 132.92 132.92 15.00 15.00 0.00
Mar 173.33 56.00 287.66 231.66 231.66 15.00 15.00 0.00
Abr 148.24 56.00 246.02 190.02 190.02 15.00 15.00 0.00
May 134.72 56.00 223.58 167.58 167.58 15.00 15.00 0.00
Jun 28.56 56.00 47.40 -8.60 0.00 15.00 6.40 0.00
Jul 11.90 56.00 19.75 -36.25 0.00 6.40 0.00 29.85
Ago 9.60 56.00 15.93 -40.07 0.00 0.00 0.00 40.07
Sep 46.93 56.00 77.88 21.88 21.88 15.00 15.00 0.00
Oct 119.35 56.00 198.07 142.07 142.07 15.00 15.00 0.00
Nov 70.88 56.00 117.62 61.62 61.62 15.00 15.00 0.00
Dic 47.68 56.00 79.12 23.12 23.12 15.00 15.00 0.00
Total 1018.79 672.00 69.92
Uso total de agua de lluvia [m
3
] (10) 647.08 88.40% (11)
Se considera un volumen de 15.00 m
3
para el
reservorio que, para los cálculos realizados, per-
mitirá utilizar el 88.40% del agua de lluvia. Se
garantiza que el volumen considerado para el
reservorio, puede tener agua para usos no pota-
bles en el Edicio de Clases y el Laboratorio de
Hidráulica en el mes de junio, donde la lluvia no
cubre la demanda de consumos mensuales de es-
tos edicios.
Diseño de los componentes del sistema
de aprovechamiento de aguas lluvia
El diseño propuesto, conserva algunos elementos
como las cubiertas de los edicios, que están en
buenas condiciones y son capaces de recoger el
agua de lluvia requerida de acuerdo con la metod-
ología de cálculo, tal como lo muestra la gura 6.
Figura 6. Zonas verdes consideradas en el diseño.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
32
Diseño del estanque articial
Para diseñar el estanque articial es importante
llevar a cabo la descomposición del volumen de
agua generado por la contribución del propio es-
tanque y de los techos considerados, tal como lo
muestra la tabla 6.
Altura para el estanque articial:
• Área de captación de agua = 1500.00
m
2
(aprobado)
• Coeciente de escorrentía = 0.50 (área
verde)
• Eciencia hídrica de ltración = 0.95
Tabla 6. Contribución del estanque articial y
cubiertas
Mes
Contribución
del estanque
articial
Contribución
de las cubi-
ertas
Volumen de
agua utilizable
(m
3
) (m
3
) (m
3
)
Ene 81.07 107.76 188.83
Feb 81.11 107.81 188.92
Mar 123.50 164.16 287.66
Abr 105.62 140.40 246.02
May 95.99 127.59 223.58
Jun 20.35 27.05 47.40
Jul 8.48 11.27 19.75
Ago 6.84 9.09 15.93
Sep 33.43 44.44 77.88
Oct 85.04 113.03 198.07
Nov 50.50 67.12 117.62
Dic 33.97 45.15 79.12
Por lo tanto, y considerando que el volumen
máximo que el estanque articial puede con-
tribuir al sistema de recolección de agua de lluvia
es de 123.50 m
3
, se debe dimensionar para este
parámetro.
Se establece como dato de inicio, que el estanque
debe poseer una altura mínima de 55 centímet-
ros, por lo tanto el área del estanque se obtiene a
través de (1).
Como se verica, una de las ventajas de este com-
ponente es que no requiere grandes profundi-
dades para cumplir su función.
Es muy importante que el estanque articial con-
tribuya con un alto valor estético a la zona, espe-
cialmente que esté en armonía con el entorno que
existe en el área planicada para su construcción.
Su concepción arquitectónica debe buscar mejo-
rar este espacio mediante la implementación de
formas irregulares que permitan jugar con el pai-
saje sin alterarlo y sin caer en un exceso de sim-
plicidad.
La propuesta es la detallada en la gura 7 y las
dimensiones del estanque articial detalladas en
la gura 8, garantizan un área de 225 m
2
.
Figura 7. Arquitectura del estanque articial.
(1)
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
33
Figura 8. Zonas verdes consideradas en el diseño.
La suma de la columna tres de valores en la tabla
21 muestra la cantidad de agua que llega al es-
tanque articial y los techos durante el año. Con-
siderando que la demanda de agua para usos no
potables por año es de 672 m
3
, se puede establecer
el volumen de reserva de este elemento a través
de (2).
Volumen del estanque articial
Reserva del volumen de estanque articial por
año: Total de agua lluvia que ingresa al sistema,
menos la demanda de consumo no potable exis-
tente.
Este volumen representa la reserva de agua de llu-
via del estanque articial para hacer frente a las
uctuaciones de precipitación y consumo.
Reservorio de auto limpieza
Se estima que el volumen que para cubiertas de
concreto armado se debe considerar un volumen
de 0.80 litros por cada metro cuadrado para pod-
er realizar la limpieza de esta supercie. Por lo
tanto, el volumen del depósito auto limpiante es:
Por lo tanto, se considera una base de 1 metro por
1 metro para este depósito. Teniendo en cuenta
que debe haber al menos 30 a 40 centímetros li-
bres entre el nivel máximo de agua y la supercie
inferior de la cubierta del depósito, el siguiente
valor se da como altura de acuerdo con (3).
Usando un espesor de pared de 20 centímetros,
la gura 9 muestra el diseño nal de este com-
ponente.
Figura 9. Reserva de auto limpieza.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
34
Reserva de aguas lluvia
La sección circular, admite una sola malla de ace-
ro que se puede instalar a lo largo del perímetro
ya que esta sección es continua y no tiene esqui-
nas. Además, es más adecuado para actividades
de limpieza y mantenimiento. Por este motivo, se
adoptan las siguientes dimensiones internas para
almacenar un volumen de aguas lluvia de 15 m
3
:
• Sección: circular
• Radio = 1.70 m
• Nivel máximo de agua de lluvia = 1,65 m
Sin embargo, es importante agregar alturas de se-
guridad entre el borde inferior de la losa superior
del tanque y el nivel máximo de agua de lluvia.
Por lo tanto, su altura nal se calcula con (4).
Las guras 10 y 11, respectivamente muestran el
diseño en vista en planta y vista en elevación del
tanque de reserva para el sistema de recolección
de agua de lluvia.
Figura 10. Vista en elevación del reservorio.
Figura 11. Vista en planta del reservorio.
Sistema de bombeo
Para el cálculo del sistema de bombeo, se realizan
dos procedimientos. El primero de ellos, las pér-
didas de agua son descartadas por la tubería y los
accesorios donde se estima la instalación de una
tubería de PVC de 32 mm de diámetro nominal.
El segundo proceso considera el diseño de un
sistema de bombeo teniendo en cuenta las pérdi-
das por tubería y accesorios instalados en el siste-
ma con una tubería de acero galvanizado de 32
mm de diámetro. En ambos casos, se determina
la potencia de la bomba. El caudal de bombeo se
calcula por segundo.
Flujo volumétrico requerido por mes = 61.0 m
3
1.Bombas con tuberías de pvc (pérdida
de carga descartada)
• Altura total de impulsión (H) = 17.38 m
(al nivel donde se instala el reservorio en
la cubierta)
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
35
• Densidad del agua = 1000 kg/m
3
• Fuerza de gravedad = 9.81 m/s
2
La potencia de la bomba se calcula aplicando (5).
La potencia requerida para la bomba es de solo
0.013 HP.
2.Bombas con tuberías de acero
galvanizado (se considera la pérdida
de carga)
• Viscosidad = 0.001003 kg/ms (según la
temperatura asumida)
• Material = Acero comercial
• Diámetro de tubería = 32mm (nominal);
28.8mm (interno)
• Longitud de tubería = 50.0 m
• Caudal de bombeo (Q) = 5.5 x 10
-5
m
3
/s
• Altura total de impulsión (H) = 17.38 m
• Fuerza de gravedad = 9.81 m/s
2
La velocidad del ujo en el interior de la
tubería se calcula con (6).
El cálculo de las pérdidas de carga por diferentes
factores que se dan en el sistema de bombeo se
enlistan a continuación:
• Pérdidas de carga por fricción entre pare-
des de tubería y uido: hf = 0.019 m.
• Pérdida de carga debido a estrechamiento
de tubería: h
N
= 0.00018 m.
• Pérdida de carga debido a ensanchamiento
de tubería: h
B
= 0.00036 m.
• Pérdidas de carga debido al uso de acce-
sorios: h
a
= 0.00311 m.
La suma de todas las pérdidas calculadas será el
valor determinado para las pérdidas hidráulicas
de este sistema través de (7).
Como se aprecia, la pérdida de carga en el sistema
es mínima. La altura dinámica según Bernoulli
tiene un resultado igual a 19.16 m para los datos
considerados en este proceso de cálculo. Por lo
tanto, la potencia nal de las bombas se calcula
aplicando (5).
No es necesario repetir el proceso de cálculo para
el Laboratorio de Hidráulica porque la altura de
bombeo es menor y, por lo tanto, el resultado de
la potencia de la bomba también será menor. Es
suciente considerar dos bombas de 0.5 HP para
cada edicio.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
36
Conclusiones
este documento es una referencia a nivel nacion-
al, de la metodología de cálculo aplicada sobre la
base de estudios internacionales, para la determi-
nación de la eciencia hídrica en edicios no res-
idenciales. La certicación y el etiquetado sugeri-
dos deben considerarse como una contribución
al desarrollo de un sistema cientíco que permita
calicar los edicios y convertirlos en proyec-
tos sostenibles para el desarrollo de Ecuador. El
ejemplo de un cambio amistoso con el ambiente
debería comenzar en casa, especialmente en el
país que representa el centro de nuestro hermoso
planeta.
El presente trabajo de investigación sugiere una
solución integral para mejorar la eciencia hídri-
ca del Edicio de Clases y el Laboratorio de Hi-
dráulica ubicado en la Facultad de Ingeniería,
mediante la evaluación de sus sistemas hidrosan-
itarios, la certicación y el etiquetado de su ren-
dimiento hídrico. El Edicio de Clases obtiene
una categoría “A
+
” y el Laboratorio de Hidráulica,
una categoría equivalente a “C”, de acuerdo con
el sistema de certicación propuesto con respecto
a la dotación de agua establecida por el estándar
ecuatoriano para edicios universitarios. Es muy
satisfactorio poder llegar a estas categorías, te-
niendo en cuenta que los edicios evaluados son
bastante antiguos.
Se concluye que, matemáticamente, la ecien-
cia hídrica de un edicio no residencial no solo
está relacionada con el número de usuarios, sino
también con la eciencia de cada dispositivo san-
itario que se instala. Como fue posible vericar, el
Laboratorio de Hidráulica tiene dispositivos san-
itarios antiguos y aunque solo hay 10 usuarios, su
eciencia de agua en comparación con el Edi-
cio de Clases es menor. En ambos casos, el uso
de recursos hídricos alternativos mejora sustan-
cialmente su rendimiento hídrico, lo que resulta
en la reducción del consumo de agua potable y la
facturación asociada con el gasto de este recurso.
Se verica que la reducción del consumo de agua
potable se obtiene mediante el diseño de un siste-
ma de uso de agua de lluvia que se compone de
diferentes elementos hidráulicos y arquitectóni-
cos. Su efecto sobre las instalaciones sanitarias
actuales, produce una reducción del 31% del con-
sumo de agua potable, que es suministrada por
el sistema de uso de agua de lluvia para usos no
potables (urinarios e inodoros). Esta reducción
en el consumo de agua potable se traduce en un
benecio en la facturación y el gasto de agua del
45,04% debido a la demanda de ambos edicios.
El volumen de agua que se recolecta a través de los
techos y las áreas verdes que están al lado de los
edicios de estudio, reduce considerablemente la
posibilidad de inundaciones. El sistema de recol-
ección de agua de lluvia considera un estanque
articial de 123.75 m
3
y un reservorio de 15 m
3
para almacenar temporalmente el agua de lluvia
antes de conducirla a través de las redes hacia las
instalaciones sanitarias de los edicios. Este siste-
ma alivia y reduce el trabajo de los sistemas de
drenaje actuales que, debido a su edad, colapsan
cuando las lluvias son de alta intensidad.
Reconocimiento
La elaboración de este artículo fue posible gra-
cias a la Universidad Central del Ecuador, que
permitió analizar el caso de estudio en las insta-
laciones de la Facultad de Ingeniería, Ciencias
Físicas y Matemática.
El desarrollo de este artículo fue posible gracias
a la ANQIP - Associaçao Nacional para a Qual-
idade nas Instalaçoes Prediais que con su met-
odología de cálculo para la eciencia hídrica de
edicios, hizo posible aplicar esta técnica al caso
de estudio localizado en Ecuador. Al profesor Ar-
mando Silva y a Carla Rodrigues.
Valenzuela, C. agradece a la Secretaría de Ed-
ucación Superior, Ciencia, Tecnología e Inno-
vación del Ecuador (Senescyt), por la concesión
de la beca de maestría a través del Contrato No.
AR2Q-000482-2016, para realizar estos estudios
en el Instituto Politécnico de Leiria.
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
37
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Cultural Organization (UNESCO). (2015). Wa-
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red-de-estaciones-meteorologicas/
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QIP. Obtenido de: http://www.anqip.pt/
images/stories/Folheto_ANQIP_ AUDITA-
QUA_3.pdf
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
38
38
Uso de Isotopos Estables para el Estudio de las Fuentes de Agua
Superciales en el Ecuador y sus Implicaciones para la Gestión de
los Recursos Hídricos
Lima P.*
*Universidad Central del Ecuador, Facultad de Ingeniería Ciencias
Físicas y Matemática, Instituto de Investigación y Posgrado, Quito, Ecuador
e-mail: prlima@uce.edu.ec
Información del artículo
Recibido: julio 2018
Aceptado: septiembre 2018
Resumen
Esta investigación está enfocada en el análisis de los procesos de lluvia-escorrentía en las Montañas del
Ecuador con énfasis en las implicaciones de la gestión de recursos hídricos mediante el uso de los valo-
res de los isotopos estables de hidrogeno (δD) y oxígeno (δ18O). La pregunta que guía este estudio es
¿Cómo pueden los valores de δD y δ18O variar en procesos hidrológicos tales como lluvia-escorrentía en
los proyectos hidráulicos? En primer lugar, se realiza un análisis de la variación espacial y temporal de la
composición de isotopos en la lluvia en el Ecuador. Adicionalmente, se comparan estas variaciones con
los datos tomados de aguas superciales durante diciembre 2016 y abril 2017 en ríos y glaciares ecua-
torianos. Los resultados del análisis de datos de las precipitaciones muestran que los isotopos estables
varían especialmente con la altitud y estacionalmente. En el caso de las aguas superciales a pesar que
es más difícil denir cuáles son sus principales fuentes, la composición de isotopos estables exponen la
misma variación de las aguas lluvias. Esta dependencia muestra el gran potencial que tienen los isotopos
estables para representar y estudiar las fuentes de aguas superciales en el Ecuador.
Palabras clave: Isotopos estables, lluvia, escorrentía, cuenca
Abstract
is study is focused on an investigation of rainfall and runo processes in the Ecuadorian Andean
Mountains with emphasis on implications to the management of hydraulic resources using of δD and
δ18O values. e following question have guided this project: (1) How do the δD and δ18O values vary
in runo-rainfall processes in two adjacent watersheds that have dierent rainfall patterns? By answering
this question, a broader question of how can hydrogen and oxygen isotope compositions be used to im-
prove understanding of runo sources in mountain streams and their contribution to hydraulic resource
projects? First, I analyzed the temporal and spatial variation of isotope composition of rainfall data in
Ecuador. I compared the previous data with surface water in streams and glaciers during two dierent
seasons in December 2016 and April 2017. e results of this analysis exposed that rainfall isotope values
are more aected by altitude and seasonal factors than amount eect factors. Although in hydrologic
studies, surface water is dicult to understand, in this case, the results in runo during both months
expose the same variation of the rainfall values. is dependency exposes the high potential that stables
isotopes have to represent and understand the sources of surface water in Ecuador.
Key Words: Stable Isotopes, streams, rainfall, runo, watershed
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
39
Introducción
Las interacciones del agua en una cuenca produ-
cen diferente composición de isotopos estables de
oxígeno y el hidrógeno debido a los cambios de las
fases del agua dentro del ciclo hidrológico [1]. Los
isotopos estables tienen como característica prin-
cipal que el número de masa atómica es diferente
en estos átomos debido al cambio del número de
neutrones. Esta diferencia en el número de neu-
trones no afecta en las propiedades químicas del
elemento y sus compuestos, sin embargo, la difer-
encia de masa puede afectar sutilmente en diferen-
cias químicas y físicas en los procesos que resultan
en fraccionamiento isotópico [2]. Existen dos iso-
topos estables de hidrogeno que son protio (
1
H),
y deuterio (D), y existen tres isotopos estables de
oxígeno (
16
O,
17
O y
18
O) dando la posibilidad a la
formación a nueve posibles isotopólogos de agua.
La abundancia en la tierra del isótopo
18
O es de
0.20004% mientras que la del isótopo
16
O es del
99.7621% [2].
Las Montañas Ecuatorianas (ME) contienen fuen-
tes importantes de aguas superciales las mismas
que dependen de procesos hidrológicos que resul-
tan en inltración, precipitación, evaporación y
desglaciación (Figura 1). Del mismo modo, estas
fuentes inuyen en otros mecanismos geomor-
fológicos, ecológicos, químicos, y socio-económi-
cos aguas abajo [3].
La mayor parte de proyectos hidráulicos en el
Ecuador dependen altamente de los procesos hi-
drológicos en las montañas (Figura 1). Por ejem-
plo, el Proyecto Hidroeléctrico Manduriacu tiene
el 39% de la supercie de su cuenca en zonas más
altas de los 3000 m.s.n.m. mientras que el Proyecto
Coca Codo Sinclair tiene un 54%. El objeto de este
estudio es analizar las diferentes composiciones de
los isotopos en los procesos de lluvia y escorrentía
con el n de usarlos en la gestión de los recursos
hídricos.
Generalmente el entendimiento de los procesos
hidrológicos es muy complejo debido a factores
globales y locales que pueden inuir. Entre los fac-
tores globales que afectan las lluvias en el Ecuador
se cuenta con mecanismos climáticos como: la Os-
cilación Decadal del Pacíco (ODP), los efectos del
Niño y la Niña (ENSO), y la zona de Convergencia
Intertropical (ZCIT) [4]–[6]. Los factores locales
relevantes son la orografía, e interacciones biogeo-
químicas. Adicionalmente, a esta complejidad se le
suma la problemática del décit de estaciones hi-
drometereológicas en zonas del páramo debido a
su difícil acceso.
En este estudio se analiza la variación de las lluvias
en el Ecuador usando los datos de la Agencia Inter-
national de Energía Atómica (IAEA), se comparan
dichos valores con la variación de los isotopos en
aguas superciales en el Ecuador durante el mes
de diciembre 2016 y abril 2017. Este análisis de la
composición de los isótopos de hidrógeno (δD) y
de oxígeno (δ
18
O) se basa en la consideración de los
principales factores que controlan la composición
isotópica de la precipitación que son: temperatura,
el efecto continental o de distancia, el efecto de la
altitud, el efecto de la latitud, el efecto de la canti-
dad de lluvia y el efecto estacional.
Metodología
Con el n de entender la distribución espacial de
las lluvias en el Ecuador, en este estudio se usan las
medias mensuales de 1712 valores de δD y δ
18
O
publicados en la Agencia International de En-
ergía Atómica (IAEA) que cubren 24 estaciones
en Ecuador. Además, para este análisis con el n
de analizar la inuencia de las lluvias en la escor-
rentía, se complementan 56 resultados de isotopos
estables obtenidos de 28 muestras de ríos en el Ec-
uador durante diciembre 2016 y abril 2017 (Tabla
1) la ubicación de estas muestras se exponen en la
Figura 1.
Figura 1. Localización de puntos de muestreo, proyectos hidráuli-
cos y sus subcuencas.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
40
Las muestras de agua superciales fueron obte-
nidas en los lugares descritos en la Tabla 1, reco-
lectadas en botellas de plástico de alta densidad,
fueron herméticamente tapadas y selladas. Las
muestras de glaciar fueron recolectadas en en-
vases de plástico de alta densidad pasando natu-
ralmente a la fase líquida debido al aumento de
temperatura. El análisis de dichas muestras se lo
realizó en el Centro de Isotopos Estables (CSI) de
la Universidad de Nuevo México. La ubicación de
los proyectos hidroeléctricos fue proporcionada
por la Corporación Eléctrica del Ecuador (CE-
LEC).
Los datos de precipitación se encuentran disponi-
bles libremente en la página web de la IAEA [7].
Los resultados obtenidos en aguas superciales y
glaciares en este estudio se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1 Ubicación y valores de la composición de isotopos de oxígeno
e hidrogeno de las muestras de agua en aguas superciales durante
diciembre 2016 y abril 2017
Descripción de la muestra
Elevación δ18O δD
(m) (‰) (‰)
Muestreo en diciembre 2016
ILLINIZA NORTE 5116 -10,24 -68,35
CAYAMBE NORTE 5773 -13,45 -92,19
ANTISANA 5712 -11,95 -82,61
CUMBRE VEINTIMILLA 6234 -12,66 -86,9
CUMBRE MAXIMA 6271 -12,02 -85,59
LOJA 2180 -6,97 -39,09
OÑA 2250 -8,5 -52,85
RIO BLANCO-LLOA 2370 -10,69 -70,56
CASCADA MINDO VIA
CALACALI
1315 -8,09 -51,99
RIO MINDO 1340 -9,11 -58,8
ANTISANA 3870 -14,29 -100,99
COTOPAXI P14 3195 -11,31 -77,37
PITA 3580 -11,48 -79,88
BOBONAZA 590 -5,46 -28,87
QUEBRADA ISHIQU-
EYACU
3750 -12,58 -87,8
LAGUNA COLTA 3250 -3,31 -38,34
RIO PUYO 970 -5,62 -29,36
CAYAMBE 5773 -12,58 -87,8
CAYAMBE 5773 -14,69 -102,13
Muestreo en abril 2017
ILLINIZA NORTE 5116 -10,24 -68,35
CAYAMBE NORTE 5773 -13,45 -92,19
ANTISANA 5712 -11,95 -82,61
CUMBRE VEINTIMILLA 6234 -12,66 -86,9
CUMBRE MAXIMA 6271 -12,02 -85,59
LOJA 2180 -6,97 -39,09
OÑA 2250 -8,5 -52,85
RIO BLANCO-LLOA 2370 -10,69 -70,56
CASCADA MINDO VIA
CALACALI
1315 -8,09 -51,99
Isotopos Estables en Precipitación
Existen un sin número de factores que gobiernan
la composición de agua meteórica. Entre los pro-
cesos hidrológicos más importantes que contri-
buyen a los proyectos hidráulicos están la precipi-
tación, escorrentía, inltración, y desglaciación.
En este estudio se analizará los procesos de preci-
pitación, escorrentía y desglaciación.
La gráca que relaciona δD y δ
18
O de las aguas
de origen meteórica, es decir las aguas que se
originan de la atmósfera, presenta una relación
lineal con una pendiente de 8. Este no es el caso
de todas las aguas superciales, ya que las fuen-
tes de agua que han experimentado procesos de
evaporación, como es el caso de los embalses, ex-
ponen altos valores de δ18O [1], [2]. Al realizar
una regresión de ambos datos se obtiene que la
mayoría de las aguas meteóricas se alinean con la
línea meteórica global:
Isotopos Estables en Aguas superciales
Los resultados obtenidos en la composición de
los isotopos estables de aguas superciales están
alineados con el agua meteórica (Figura 2). El
caso de la Laguna de Colta presenta un valor alto
de δ18O exponiendo los procesos de evaporación
a través del fraccionamiento isotópico entre las
fases del aire y la laguna que es típico en embalses
con tiempos de retención elevados.
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
41
Figura 2. relación de δD y δ
18
O de la precipitación y aguas super-
ciales en el Ecuador
Principales Factores que Controlan la
Composición Isotópica de la Precipitación en
el Ecuador
Entre los principales factores que pueden afec-
tar la variación isotópica en la precipitación son
el cambio estacional, efecto espacial, efecto de la
cantidad de lluvias, temperatura, distancia conti-
nental, y altitud. En este documento se analizan
estos efectos y se destacan los más importantes.
Las aguas naturales están sometidas principal-
mente al proceso de evaporación. Este proceso
cinético se destaca en las aguas mostrando un
gran fraccionamiento de los isotopos estables
encontrándose principalmente en las nubes, em-
balses, suelo, y respiración en plantas y animales.
La condensación, por otro lado, es un proceso de
equilibrio que depende solamente de la tempera-
tura. Es importante reconocer los efectos isotópi-
cos de estos procesos en las masas de aire y de los
reservorios para mejorar nuestro entendimiento
acerca del ciclo hidrológico [2].
La gura 3 muestra cómo estos factores que in-
tervienen en el ciclo hidrológico interactúan con
dos proyectos hidráulicos. En este caso, se expone
que la variación anual de los isotopos estables en
los procesos de lluvia en el Ecuador varía prin-
cipalmente con la altitudFigura 3. Adicionalmente,
en este mismo perl es posible identicar dos
proyectos hidroeléctricos que dependen de la es-
correntía proveniente de las montañas andinas
que son Manduriacu en la parte del drenaje hacia
el Océano Pacico y Coca Codo Sinclair que dre-
na hacia el Amazonas.
Figura 3. Variación anual de los isotopos estables en un corte de
las montañas del Ecuador y los proyectos hidráulicos a los que
inuyen.
Efecto de la temperatura
En el Ecuador especialmente existe una gran de-
pendencia de la temperatura con la altitud debi-
do a los drásticos cambios de gradientes desde la
parte costera hasta la cordillera andina y luego
hacia la Amazonía. Estos cambios orográcos
hacen que los valores de δD y δ18O en precipi-
taciones varían también fuertemente con la tem-
peratura [8]. Este efecto no solamente es evidente
en los valores de la composición isotópica de las
precipitaciones sino también en aguas supercia-
les (Figura 4 y Tabla 1Tabla 2).
Tabla 2 Datos de temperatura e isotopos de oxígeno en aguas super-
ciales durante diciembre 2016
DESCRIPCION Temperatura δ18O δD
(° C) (‰ ) (‰ )
RIO BLANCO-LLOA 15,2 -10,7 -70,6
RIO MINDO 18,4 -9,1 -58,8
ANTISANA 9,3 -14,3 -101,0
COTOPAXI P14 15 -11,3 -77,4
PITA 11,1 -11,5 -79,9
BOBONAZA 24 -5,5 -28,9
QUEBRADA ISHIQU-
EYACU
9,4 -12,6 -87,8
Las correlaciones entre δD, δ
18
O y la temperatura
de las aguas superciales en el Ecuador son:
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
42
Figura 4.Variación de los isotopos de δ18O en función de la tem-
peratura en aguas superciales del Ecuador.
Efecto continental
La precipitación se vuelve más liviana o con más
décit de isotopos estables de hidrógeno y ox-
ígeno cuanto más se aleja de su fuente [2]. En el
caso del Ecuador la principal fuente de estos iso-
topos es el Océano Pacíco. Por esta razón, en el
presente análisis se realiza una comparación de
las tendencias de valores de isotopos de las esta-
ciones ubicadas en las cuencas que drenan hacia
el Pacíco y la Amazonía considerando la distan-
cia desde las estaciones hasta el Océano Pacico.
Figura 5. Variación del deuterio en lluvias en estaciones ubicadas
en la zona de drenaje hacia el Pacíco. La más cercana es la de
Machala a 0 km de distancia, la más lejana es Amaluza a 142 Km
de la costa.
Analizando la gura 5 se puede evidenciar el
efecto de la distancia en la composición isotópica
de las aguas lluvias en la cuenca que drena hacia
el Océano Pacíco. Por otro lado, en la gura 6, la
zona que drena a la Amazonía presenta un com-
portamiento inverso. Esta diferencia muestra que
el efecto de la distancia es menos inuyente en la
composición isotópica que el efecto de la altitud.
Figura 6. Variación del deuterio en lluvias en estaciones ubicadas
en la zona de drenaje hacia la Amazonía. La más cercana al Océano
Pacico es la de Papallacta que se encuentra a 218 km de distancia,
la más lejana es la de Lago Agrio a 350 km.
Efecto de la altitud
Este efecto hace que la composición de isotopos
estables de oxígeno e hidrógeno en el agua llu-
via disminuya con la altura. El efecto de la altitud
en el Ecuador es el más inuyente sobre la com-
posición isotópica de las lluvias y escorrentía. La
altitud varía desde una elevación de 0 m.s.n.m. en
la Costa hasta los 6263.5 m.s.n.m en el Chimbo-
razo en solamente una distancia de aproximada-
mente 220 km. Luego, la altitud nuevamente dis-
minuye desde la cordillera andina hasta la región
amazónica desde los 6263.5 m.s.n.m. hasta los
200 m.s.n.m. en la frontera con Perú.
La composición de isotopos estables de oxígeno
en la precipitación varía linealmente con la altitud
[2]. Sharp (2017) explica que el gradiente de -0.26
‰/100m caracteriza este efecto de la mayoría de
lugares en el mundo que alcancen los 5000 m. Sin
embargo, en el caso del Ecuador este gradiente
alcanza el valor de -2.8 ‰/100m en diciembre y
-3.5 ‰/100m en mayo (Figura 7).
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
43
Debido a estos altos gradientes, el efecto de la
altitud no solamente se ve reejado en la pre-
cipitación pues las aguas superciales también
presentan gradientes similares a las de las aguas
lluvias (Figura 7). Otro punto importante es que
las muestras tomadas de fuentes de origen glaciar
en el tope de las montañas presentan valores que
no corresponden a la tendencia normal de las llu-
vias evidenciando la complejidad en la represent-
ación de los procesos hidrológicos usando isoto-
pos estables en glaciares. Además, comparando
estos puntos con las muestras de aguas en ríos de
alta montaña muestran que la principal fuente de
estos ríos del páramo no depende principalmente
de la desglaciación.
Figura 7. Variación de la composición de isotopos de oxígeno en
lluvia y escorrentía en función de la altitud.
Efecto de la cantidad de precipitación
El efecto de la cantidad de lluvia tiene una correl-
ación negativa con los valores medios mensuales
de la composición de isotopos estables de oxíge-
no e hidrógeno [2]. Según indica toda la literatura
existente se ha establecido que mientras más can-
tidad de lluvia ocurre, menor es el valor de delta
[2], [9], [10].
Figura 8. Variación de la cantidad de dos diferentes estaciones del
Ecuador localizadas en la zona de drenaje del Pacíco (Izobamba) y
Amazonía (Papallacta)
Aunque, prácticamente el efecto de la cantidad de
lluvia se evidencia en la mayoría de previos estu-
dios relacionados con hidrología isotópica, en el
caso del Ecuador este efecto presenta excepcio-
nes. En las guras 8 y 9 se representan dos esta-
ciones que tienen variación estacional totalmente
diferente. La estación de Izobamba ubicada en la
cuenca que drena hacia el Pacíco tiene variación
bimodal, por otro lado, la estación de Papallacta
que drena hacia la cuenca de la Amazonía tiene
una variación unimodal (Figura 8). La diferencia
en la variación estacional en ambas estaciones
evidencia la diferencia de las cantidades de lluvia
durante el año en el Ecuador en ambas cuencas.
Contrario a la propiedad de los isotopos relacio-
nado con la cantidad de lluvia, estas estaciones
presentan la misma tendencia de los valores de la
composición de isotopos estables (Figura 9).
Figura 9. Variación de la composición de deuterio en la lluvia
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
44
Efecto de la variación estacional
Analizando la variación mensual de la compo-
sición de isotopos estables en la precipitación se
puede observar que el efecto de la altura afecta
mayormente durante los meses de marzo, abril
y mayo, esto puede ser debido a efectos globales
sobre el clima como son los vientos alisios que
son un efecto de la ZCIT (Figura 5, Figura 6, y
Figura 9).
El resto del año esta variación de isotopos tiene
un rango menor evidenciando que puede existir
un tipo de precitaciones que dependen de efectos
convectivos en las nubes.
El estudio detallado de estos procesos va fuera del
alcance de este documento por lo que se reque-
rirá estudios más profundos para lograr un me-
jor entendimiento de los efectos climáticos en el
Ecuador.
Conclusiones
El presente estudio muestra que los efectos pre-
dominantes en la composición de aguas lluvias en
el Ecuador son el efecto de la altitud y la variación
estacional (Figura 10).
Adicionalmente, esta variación de la composición
de isotopos estables δD y δ18O en las aguas llu-
vias afecta directamente a las composiciones de
las aguas superciales mostrando que la inuen-
cia de las lluvias en los proyectos hidráulicos de
la zona es predominante en comparación a otros
procesos hidrológicos.
Los gradientes de la composición de isotopos
estables son similares para los procesos de llu-
via-escorrentía y alcanzan valores excepcionales
de -3.5 ‰.
La inuencia de otros factores globales como el
ZCIT deberán ser considerados para el estudio
hidrológico en el Ecuador usando isotopos es-
tables.
Figura 11. Ubicación y variación de la composición de deuterio en
aguas lluvias y superciales en el Ecuador
Referencias
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the hydrologic cycle», Annual Review of Ear-
th and Planetary Sciences, vol. 24, n.o 1, pp.
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mistry», 2017.
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mountains over 3000 mand their eects in hy-
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Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
45
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ter cycle, 1 online resource (vii, 189 pages) :
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[10] J. Galewsky, H. C. Steen-Larsen, R. D. Field,
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ble isotopes in atmospheric water vapor and
applications to the hydrologic cycle», Rev.
Geophys., vol. 54, n.o 4, p. 2015RG000512,
dic. 2016.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
46
46
Análisis en ujo permanente de los factores que inciden en la
disminución de la capacidad hidráulica de la línea de conducción
del sistema La Mica-Quito Sur
Andrade Ramos Juan Martin
1
, Escobar Cevallos Gilson Manuel
2
, Paredes Méndez Diego Fernando
3
1
Ingeniero Civil, independiente, 2095286-0984699448,Av. Intervalles y Jacpi
mail: juanmartin.jma@hotmail.com
2
Ingeniero Civil, independiente, 022362097-0984963971, Av. Natalia Jarrín y Los Pinos
mail: gilson.escobar19@gmail.com
3
Ingeniero Civil, Master of Science in Water Science and Engineering,
Docente Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática,
Jefe Unidad Diagnóstico Hidráulico EPMAPS, 0987509604, Quito-Ecuador
mail: dfparedes@uce.edu.ec
Artículo cientíco enviado para su revisión el 20 de julio de 2018. Este trabajo fue posible gracias al apoyo de la Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y Saneamiento EPMAPS.
Aceptado: septiembre 2018
Resumen
El sistema “La Mica - Quito Sur” dota de agua a la zona sur de Quito, en la actualidad transporta un caudal de 1560 l/s,
menor a 1750 l/s para el cual fue diseñado, esta disminución se debe a factores que generan pérdidas de energía en la
línea de conducción lo que disminuye su capacidad hidráulica. Para disponer de un modelo hidráulico actualizado, se
realizó una intensa actividad. Se recopiló planos y bases de datos del sistema, información que fue validada in situ. A
continuación se construyó, calibró y validó el modelo hidráulico, obteniendo de su análisis las características hidráulicas
actuales y los factores que inuyen en la reducción de la capacidad hidráulica, los que se presentan en la conducción
superior, resultados que permiten establecer que las pérdidas se dan por un mínimo mantenimiento en las estructuras y
válvulas, pérdida de carga local en la torre de captación del embalse, posible acumulación de sedimentos, y una posible
acumulación de aire en el sistema. Para establecer alternativas de solución se modelaron cinco escenarios que simularon
condiciones críticas, óptimas y medias de operación del embalse para diferentes caudales transportados, con lo que se
determinaron presiones negativas que impiden el transporte del caudal máximo de diseño. De su análisis se concluyó que
las alternativas de solución más viables para que a través de la tubería de conducción se transporte 1750 l/s son: el man-
tenimiento del sistema complementado con la modicación del perl de la línea de conducción; o la implementación de
una booster en la abscisa 2+908 de la conducción superior, con altura de bombeo de 30 mca.
Palabras clave: sistema La Mica - Quito Sur, pérdidas de energía, capacidad hidráulica, modelación hidráulica, presiones
negativas.
Abstract
“La Mica - Quito Sur” System provides water to the southern area of Quito, it is currently carrying a maximum ow
of 1560 l/s, less than 1750 l/s for which it was designed, this decrease is due to factors that generate energy losses in
the line of conduction which decreases its hydraulics capacity. We were carried out an intense activity to get an upda-
ted hydraulic model. Plans and system databases were collected and validated in situ. en the hydraulic model was
built, calibrated and validated, obtaining from its analysis the current hydraulic characteristics and the factors that
inuence the reduction of the hydraulic capacity, the same that are presented in the superior conduction, results that
allow establishing that the losses are due to: the lack of maintenance in the structures and valves, loss of local load in
the reservoir collection tower, possible accumulation of sediments and possible accumulation of air in the system. To
establish alternative solutions, ve scenarios were modeled to simulate critical, optimal and average conditions of ope-
ration of the reservoir for dierent transported ows, which determined negative pressures that prevents the transport
of the maximum design ow. From their analysis was concluded that the most viable solution alternatives so that 1750
l/s can be transported through the pipeline are: maintenance of the system complemented by the modication of the
prole of the line of conduction; or the implementation of a booster on the abscissa 2 + 908 of the upper conduction,
with pumping height of 30 m W.C.
Keywords: La Mica - Quito Sur system, energy losses, hydraulic capacity, hydraulic modeling, negative pressures.
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
47
I. Introducción
De acuerdo con la Organización de Naciones
Unidades (ONU) en la Asamblea General del de-
recho humano al agua y al saneamiento [1] “re-
conoció el derecho de todos los seres humanos
a tener acceso a una cantidad de agua suciente
para el uso doméstico y personal, que sea segura,
aceptable, asequible y accesible físicamente”. De
igual manera estipularon que “cada persona en la
tierra requiere al menos 20 a 50 litros de agua po-
table limpia y segura al día para beber, cocinar o
simplemente mantenerse limpios”.
El incremento poblacional del Distrito Metropo-
litano de Quito genera un aumento de la deman-
da de agua potable, por lo tanto, se ve la necesi-
dad de satisfacer esta demanda futura adicional
para garantizar el derecho de toda la población
de acceder al servicio de agua potable. De allí que
es necesario mejorar las condiciones de funcio-
namiento de proyectos existentes de suministro
de agua. La Empresa Pública Metropolitana de
Agua Potable y Saneamiento (EPMAPS) en el
Plan Maestro de Agua Potable [2] considera los
principales proyectos de inversión a ejecutarse a
corto y mediano plazo (2010-2019). Para La Mica
- Quito Sur se proyecta un incremento de caudal
de 180 l/s al caudal máximo de diseño de 1750
l/s, con lo cual se tiene una oferta de agua potable
mayor a la demanda requerida por la población
futura.
El sistema de agua potable La Mica - Quito Sur
transporta agua cruda desde el embalse La Mica
hasta la planta de tratamiento El Troje ubicada
en la zona sur de Quito. El proyecto de evalua-
ción hidráulica de la línea de conducción La Mica
- Quito Sur, establece “condición crítica de cau-
dal máximo de diseño Q= 1750 l/s” [3], de igual
manera este caudal se establece como: “capacidad
hidráulica máxima real de 1750 l/s” [4]; debido a
problemas operativos se ha llegado a determinar
de manera experimental que el caudal máximo de
operación es 1560 l/s.
Para aumentar el abastecimiento de agua cru-
da hasta la planta de tratamiento en 190 l/s, se
debe analizar los factores que inciden en la dis-
minución de la capacidad hidráulica de la línea
de conducción, para alcanzar el caudal máximo
de diseño de 1750 l/s. Es importante realizar la
evaluación técnica del funcionamiento actual del
sistema de conducción para poder abastecer a un
mayor número de personas asentadas en la zona
sur de Quito.
En este trabajo se realizó un análisis en ujo per-
manente de los factores que inciden en la dismi-
nución de la capacidad hidráulica de la línea de
conducción del sistema La Mica - Quito Sur, para
lograr este objetivo se examinó la información
existente, como también se vericó el catastro del
sistema con mediciones in situ, se construyó, cali-
bró y validó un modelo hidráulico, nalmente se
evaluó el funcionamiento del sistema de conduc-
ción bajo diferentes escenarios de funcionamien-
to y se recomendó posibles soluciones.
II. Metodología
A. Ubicación
El sistema La Mica - Quito Sur está ubicado
en las provincias de Napo y Pichincha especí-
camente en el Distrito Metropolitano de Quito
(DMQ), donde inicia con las fuentes de abaste-
cimiento y termina en la planta de tratamiento El
Troje respectivamente. Este sistema se encuentra
divido en: conducción superior que va desde el
embalse La Mica hasta la planta generadora de
energía El Carmen y en la conducción inferior
transporta agua desde El Carmen hasta la planta
de tratamiento, como se indica en la gura 1.
Fig. 1. Mapa de ubicación del sistema de conducción La Mica-
Quito Sur.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
48
El proyecto se encuentra a diferentes elevaciones,
parte de los 3917 msnm hasta los 3154.20 msnm
presentándose una variación de la temperatura
en su trayecto donde: en el embalse La Mica se
tiene temperaturas de 4 a 8°C y de 12 a 20°C en la
planta de tratamiento.
B. Población servida
El sistema La Mica - Quito Sur dota de agua a la
población asentada desde la Av. Morán Valverde
hasta el límite cantonal sur de la ciudad, con una
cobertura directa de 4000 Ha, de manera indirec-
ta benecia también a otros sectores de la ciudad
como se puede muestra en la gura 2.
Fig. 2. Mapa de cobertura del sistema La Mica-Quito Sur.
En el año 2010 el sistema abastecía a 393.452 ha-
bitantes y a partir de este dato se realiza la pro-
yección de la población a servir hasta el año 2040
observadas en la tabla 1.
Tabla 1 Proyección de la población servida
Variables
2010 2020 2030 2040
Población
414160 482975 566999 656585
Cobertura
sistema de agua
99 99 99 99
Población
servida
393452 473315 555659 643453
Dotación neta
l/hab/día
183 179 174 170
Tasa de
crecimiento %
2.00 1.84 1.38 1.10
El Plan Maestro de Agua Potable realizado por la
EPMAPS [2] plantea el incremento de 180 l/s al
caudal máximo de diseño de 1750 l/s, con este au-
mento se podrá abastecer a la población servida
futura de 656.585 habitantes para el año 2040.
C. Componentes del sistema
Los componentes que conforman el sistema La
Mica - Quito Sur se los puede clasicar en tres
grupos principales: captaciones o fuentes de
abastecimiento, líneas de conducción y obras
complementarias, esta clasicación se visualiza
en la gura 3.
Fig. 3. Componentes del sistema La Mica - Quito Sur.
La línea de conducción superior empieza en el
embalse y las captaciones hasta El Carmen don-
de se controla el caudal del sistema, la línea de
conducción inferior comienza en el tanque de El
Carmen hasta el tanque de El Troje y se regula el
caudal desde La Moca.
D. Construcción del modelo hidráulico
En la construcción del modelo hidráulico se rea-
lizó el procedimiento de la gura 4. La actualiza-
ción topológica es muy importante debido a que
la calidad de la información ingresada en el mo-
delo hidráulico tiene inuencia directa con los
resultados obtenidos.
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
49
Fig. 4. Proceso de construcción del modelo hidráulico.
Se recopiló la siguiente información de la EP-
MAPS: planos as-built, fotos satelitales, estudios
realizados anteriormente, topología existente del
sistema, manuales y datos de las válvulas del sis-
tema. Con la información existente se realizó una
actualización topológica de los nodos y tuberías
para realizar la modelación en EPANET como se
muestra en la gura 5.
Fig. 5. Proceso de actualización topológica del sistema de
conducción.
Para la topología se necesita la siguiente infor-
mación de los nodos: nombre, abscisa, cota del
terreno, cota de la tubería. De las tuberías: nodo
inicial, nodo nal, diámetro interno, espesor de la
tubería, tipo y grado de material.
Posteriormente se ingresa la topología al progra-
ma informático EPANET para realizar una veri-
cación de los datos ingresados como también un
análisis de los resultados obtenidos en la primera
modelación, estos resultados deben tener una di-
ferencia de hasta 30% entre las mediciones y los
resultados, para así poder realizar el proceso de
calibración de acuerdo con lo planteado por la
Asociación de Nueva Zelanda de Aguas y Dese-
chos [5].
E. Calibración del modelo hidráulico
La calibración se realizó para la conducción su-
perior e inferior de acuerdo con los pasos de la
gura 6, donde se detalla el procedimiento para
periodo estático y extendido.
Fig. 6. Proceso de construcción del modelo hidráulico.
Los parámetros hidráulicos empleados en EPA-
NET para las diferentes calibraciones realizadas
se indican en la tabla 2, para la primera calibra-
ción se empleó un análisis estático, mientras que
la segunda y tercera se modeló en periodo exten-
dido.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
50
Tabla 2 Parámetros hidráulicos ingresados a EPANET.
PARÁMETRO DATO
Método de fricción Darcy-Weisbach
Tipo de análisis Estático-Extendido
Gravedad especíca 1
Temperatura del agua (ºC) 12
Viscosidad cinemática (m
2
/s) 1.24*10
-6
La instalación de los medidores de presiones o
data loggers se realizó de acuerdo con la ubica-
ción de los accesorios que generen pérdidas de
carga considerable en el sistema, también en los
puntos más críticos de la tubería, en la gura 7 se
encuentra su ubicación para la conducción supe-
rior y en la gura 8 para la conducción inferior.
Fig. 7. Mapa de ubicación de manómetros y data loggers en con-
ducción superior.
Fig. 8. Mapa de ubicación de manómetros en conducción inferior.
En la primera calibración para la conducción
superior se emplean los datos proporcionados
por el sistema SCADA de la EPMAPS donde los
caudalímetros están ubicados en el embalse, las
captaciones, a la entrada y salida de El Carmen;
los manómetros están ubicados en la chimenea
de equilibrio y en El Carmen (S297) como se ob-
serva en la gura 9.
Fig. 9. Perl de terreno entre abscisas 15+000 a 21+000 con
manómetros en conducción superior primera calibración.
Se realizó un análisis para comprobar que los
caudales estén dentro del primer criterio plan-
teado por la Asociación de Autoridades del Agua
(WAA) y El Centro de Investigación del Agua
(WRC) [6] que se indica en la tabla 3, los cauda-
les que cumplen este criterio son los modelados.
La rugosidad de diseño para tuberías de acero
con revestimiento interno de coal-tar, enamel o
epoxi es de 0.06 mm de acuerdo con la normativa
vigente de la EPMAPS para el diseño de agua po-
table [7], dato inicial para la calibración del mo-
delo por medio de un proceso de prueba y error.
La calibración se realiza para dos tramos que van
desde el embalse a la chimenea de equilibrio y
desde la chimenea hasta El Carmen. Para las pre-
siones se utilizaron los criterios de la tabla 3.
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
51
Tabla 3 Criterios prácticos para calibración de modelos según
la WAA y WRC
CRITERIOS DE CAUDAL
1) Precisión de 5% respecto a los caudales medi-
dos para caudales > 10% de la demanda total; tu-
berías de conducción, generalmente de diámetro
mayor a 16 pulgadas (406 mm).
2) Precisión de 10% respecto a los caudales me-
didos para caudales < 10% de la demanda total;
tuberías de distribución de diámetro generalmente
menor de 12 pulgadas (305 mm).
CRITERIOS DE PRESIÓN
1) El 85% de las presiones medidas en pruebas
de campo no deben diferir en 0.5m o 5% de la
pérdida de carga registrada.
2) El 95% de las presiones medidas en pruebas
de campo no deben diferir 0.75m o 7.5% de la
pérdida de carga registrada.
3) El 100% de las presiones medidas en pruebas
de campo no deben diferir en 2m o 15% de la pér-
dida de carga registrada.
Los resultados del primer día analizado se presen-
tan a continuación en la tabla 4, donde se tiene las
diferentes iteraciones de la rugosidad para los tra-
mos 1 y 2 con su respectivo error hasta cumplir lo
planteado en la tabla 3 para la presión.
Tabla 4 Proceso de prueba y error para la primera calibración en
conducción superior
Se obtuvo una rugosidad promedio de 0.829 mm
para el tramo comprendido entre el embalse y
la chimenea, en el tramo entre la chimenea y El
Carmen se tiene una rugosidad de 0.06 mm. El
tramo 1 necesita una calibración más detallada
debido al alto valor de rugosidad calculado.
Para la segunda calibración de la conducción su-
perior se instalaron tres data loggers en los pun-
tos más críticos de la conducción VAC21, VAC12
y en la válvula de control (VAS-0) como se mues-
tra en la gura 7 y gura 10. Esta calibración se
realiza en periodo extendido para garantizar que
el modelo hidráulico se encuentre calibrado para
los diferentes caudales de operación que se pre-
sentan en el sistema.
Fig. 10. Curva característica de la válvula de control (VAS-0), tipo
mariposa.
Se realizó el procedimiento de la gura 6 y se bus-
ca cumplir lo planteado por la WAA y WRC en la
tabla 3. Se ingresa también la curva característica
de la válvula de control VAS-0 obtenida de la bi-
blioteca del programa INFOWORKS, representa-
da en la gura 11.
Fig. 11. Curva característica de la válvula de control (VAS-0), tipo
mariposa.
Para el primer tramo comprendido entre el em-
balse y la VAS-0 se obtuvo una rugosidad igual
0.06 mm y un coeciente de pérdida local en la
válvula de control igual a 8. Al analizar los datos
de los resultados se obtuvo que el 96.01% de los
resultados están dentro del 5% de la pérdida de
carga registrada, el 99.96% de los resultados están
dentro del 7.5% de la pérdida de carga registra-
da y el 100.00% de los resultados están dentro del
15% de la pérdida de carga registrada, en la gura
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
52
12 se observa la comparación entre las presiones
medidas y calculadas.
Fig. 12. Comparación presión VAS-0 (1406-B) simulada y medida
en la segunda calibración conducción superior.
Para el resto de los tramos se realizó el mismo
procedimiento y comparación para cumplir los
criterios de calibración establecidos anteriormen-
te en la tabla 3, se tiene los siguientes resultados
de la segunda calibración.
• Embalse – válvula de control n=0.6 mm.
• Válvula de control – VAC-12 n=0.30 mm.
• VAC-12 – VAC-21 n=0.35 mm.
• VAC-21 – chimenea n=0.9 mm.
• Chimenea – El Carmen n=0.06 mm.
• Válvula de control k=8.
En el tramo del embalse y la válvula de control
se encuentran accesorios que generan pérdidas
de carga que necesitan un análisis más a detalle,
razón por la cual se realiza la tercera calibración
centrada en este tramo para determinar sus coe-
cientes.
En la tercera calibración se realizó el procedi-
miento detallado en la gura 6 y se utilizan los
parámetros de calibración de la tabla 3. Se ins-
talaron los data loggers a la salida del túnel del
embalse, antes y después de la válvula de control
(VAS-0) como se muestra en la gura 7 y en la
gura 13.
Fig. 13. Perl de terreno con data loggers en conducción superior
para la tercera calibración.
Para calibrar el tramo comprendido entre el em-
balse y el túnel del embalse o PRE-11 se colocó
una rugosidad en la tubería igual a 0.2 mm, se
realizó una reducción de 0.485 m en el nivel del
espejo de aguas del embalse. Al analizar los datos
de los resultados se obtuvo que el 100% de los re-
sultados están dentro del 5% de la pérdida de car-
ga registrada, en la gura 14 se observa la compa-
ración realizada de la presión medida y calculada.
Fig. 14. Comparación presión PRE-11 simulada y medida.
Para el resto de los tramos se realizó el mismo
procedimiento y comparación para cumplir los
criterios de calibración establecidos anteriormen-
te en la tabla 3, se tiene los siguientes resultados
de la tercera calibración.
• Embalse – PRE-11 n=0.2 mm.
• PRE-11 – válvula de control n=0.60 mm.
• Válvula de control – chimenea n=0.6 mm.
• Chimenea – El Carmen n=0.06 mm.
• Tee conexión captación Antisana y Jatun-
huayco a la conducción k=1.7.
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
53
• Válvula de control k=8.
• Pérdida de carga en la captación del embalse
igual a 0.485m.
Para la calibración de la conducción inferior se
utilizó los caudalímetros ubicados a la salida de
El Carmen y entrada de El Troje y el manómetro
instalado en La Moca de la gura 8 y gura 15, la
primera calibración se realizó en periodo estáti-
co, mientras que la segunda en periodo extendi-
do, las dos fueron realizadas de acuerdo el proce-
dimiento de la gura 6 y cumpliendo los criterios
de calibración de la tabla 3.
Fig. 15. Perl de terreno entre abscisas 8+350 a 10+850 con
manómetro en conducción inferior.
La rugosidad para la conducción inferior obteni-
do en la primera y segunda calibración es igual a
0.06 mm según la norma de diseño de agua pota-
ble de la EPMAPS [7], en esta línea no existe una
pérdida de energía considerable de acuerdo con
la rugosidad obtenida.
III. Resultados y discusiones
A. Evaluación
La evaluación del sistema se realizó para diferen-
tes escenarios que fueron planteados de acuerdo
con el caudal y la altura del espejo de agua del
embalse.
Se tiene tres alturas diferentes que son: nivel
máximo de operación de 3917.00 msnm, nivel
medio de operación de 3913.38 msnm y el nivel
mínimo de operación de 3909.75 msnm. A estas
cotas se realizó una corrección de 28.5 cm debido
a la pérdida de carga que se genera al ingreso de la
conducción en la torre de captación del embalse
La Mica.
Los caudales que se modelaron son: condición
actual de funcionamiento 1560 l/s, caudal máxi-
mo de diseño 1750 l/s y caudal de 1930 l/s de
acuerdo con el Plan Maestro de Agua Potable de
la EPMAPS [2].
Se planteó los siguientes escenarios para repre-
sentar condiciones óptimas, medias y críticas de
funcionamiento en el sistema de conducción.
En la conducción superior:
• Escenario 1: Nivel máximo del espejo de agua
(3916.715 msnm) con caudales aportados solo
por el embalse (1560, 1750 y 1930 l/s).
• Escenario 2: Nivel medio del espejo de agua
(3913.09 msnm) con caudales aportados solo por
el embalse (1560, 1750 y 1930 l/s).
• Escenario 3: Nivel mínimo del espejo de agua
(3909.465 msnm) con caudales aportados solo
por el embalse (1560, 1750 y 1930 l/s).
• Escenario 4: Nivel medio del espejo de agua
(3913.09 msnm) con caudales aportados solo por
las captaciones (1560, 1750 y 1930 l/s).
En la conducción inferior:
• Escenario 5: Nivel mínimo del tanque en El Car-
men (3301.15 msnm) con caudal de 1930 l/s.
La modelación del escenario 1 simula las condi-
ciones más optimas de operación de la conduc-
ción superior cuando se encuentra únicamente
funcionando el embalse. Con un caudal de 1560
l/s se observa que ya se presentan presiones nega-
tivas en el punto más crítico de la tubería el punto
VAC-21 y al aumentar el caudal también aumen-
tan las presiones negativas como se observa en la
gura 16.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
54
Fig. 16. Gráca de comparación del gradiente hidráulico – perl de
la tubería del escenario 1.
En los escenarios 2, 3 y 4 se presenta un mayor
número de puntos con presiones negativas de-
bido a que estos escenarios simulan condiciones
más adversas que el primero.
El escenario 5 simula las condiciones más críticas
de operación para la conducción inferior donde
para un caudal de 1930 l/s no se presentan pre-
siones negativas como se muestra en la gura 17.
Fig. 17. Gráca gradiente hidráulico – perl de la tubería del
escenario 5.
En la conducción superior se presentan presiones
negativas para diferentes condiciones de opera-
ción como se vericó en la gura 16, por lo tanto,
es importante plantear soluciones para evitar la
generación de presiones negativas en la tubería y
lograr transportar el caudal de 1930 l/s de cuerdo
al Plan Maestro de agua potable de la EPMAPS
[2].
La conducción inferior se encuentra en la capa-
cidad de transportar 1930 l/s en sus condiciones
actuales de operación debido a que no se presen-
tan presiones negativas como se comprobó en la
gura 17.
B. Alternativas de solución
Basándose en el análisis de los resultados de las
calibraciones y escenarios, se establece que la
conducción superior es la parte del sistema en
la cual se encuentra la mayor pérdida de carga,
por lo cual no permite el transporte máximo de
los 1750 l/s, determinándose que las alternativas
a formularse se aplican únicamente a esta parte
del sistema.
La primera alternativa es la reducción de los co-
ecientes de rugosidad y pérdidas menores rea-
lizando un mantenimiento en las tuberías, acce-
sorios, captaciones y válvulas para minimizar la
pérdida de energía. Con esta alternativa se espera
reducir la rugosidad en la tubería en todos los
tramos aproximadamente a 0.06 mm y la pérdida
de carga en la torre de captación debido al ingreso
de la tubería igual a 0.285 m.
Para modelar esta alternativa se redujo la rugo-
sidad de las tuberías a 0.06 mm, se consideró la
altura más crítica del espejo de aguas sin correc-
ción de 3909.75 msnm y un caudal de 1930 l/s. La
gura 18 muestra los resultados obtenidos en la
modelación donde se observan presiones negati-
vas en los tramos indicados en la gura 19.
Fig. 18. Gráca de comparación del gradiente hidráulico – perl de
la tubería, alternativa de reducción de los coecientes de rugosidad
y pérdidas menores.
Esta alternativa necesita ser complementada
con un cambio del trazado de la tubería o la con-
strucción de una línea paralela a la existente de
menor diámetro que conduzca el caudal restante
que no puede ser transportado en las condiciones
actuales de operación, también se puede optar
por la implementación de una booster.
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
55
Fig. 19. Mapa de tramos con presión negativa de la alternativa 1.
Los tramos que necesitan un cambio de trazado
debido a sus presiones negativas se muestran en
la tabla 5, se presentan presiones negativas en una
longitud total de 5482.58m.
Tabla 5 Tramos que requieren modicación de la línea de
conducción superior
Tramo crítico Longitud
Nodo inicial Nodo nal (m)
VAC 8 S50 20.00
PI19 S60.1 290.55
S61 PI23 3309.78
VAC17 PI34A 262.47
POT20 S165 184.29
VAC20A S184 298.68
POT29 PI40 359.10
PI54 S237 500.36
POT53 POT56 257.35
TOTAL 5482.58
Para evitar la interrupción del sistema al con-
struir el cambio de trazado de la línea de conduc-
ción, se modeló una booster ubicada después de
las captaciones para mejorar su operación. La im-
plementación de una booster tiene una inversión
inicial menor al cambio de trazado o la construc-
ción de una tubería paralela de menor diámetro,
pero se debe considerar sus costos de operación
a largo plazo.
La booster se instaló en el nodo S34 donde se en-
cuentra la intersección entre la captación Digu-
chi y la línea de conducción, ubicada en la abscisa
2+098 para garantizar el bombeo de agua del em-
balse y las captaciones como también una presión
mínima de tres metros luego de su instalación de
acuerdo con la gura 20.
Fig. 20. Mapa de ubicación de la booster.
La ecuación 1 es de la bomba instalada y la gura
21 muestra su curva característica.
(1)
Fig. 21. Curva característica de la bomba instalada.
Para un caudal de 1930 l/s y una altura del espejo
de agua del embalse de 3909.465 msnm se obtu-
vieron las siguientes presiones: en el punto más
crítico VAC-21 de 3.76 mca y en la chimenea de
equilibrio de 7.57 mca. En la gura 22 se obser-
va que el perl longitudinal de la tubería y su gra-
diente hidráulico no se cortan, por lo tanto, no se
presentan presiones negativas en esta modelación.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
56
Fig. 22. Gráca de comparación del gradiente hidráulico – perl de
la tubería, alternativa de implementación de una booster en la línea
de conducción superior con un caudal de 1930 l/s.
La booster se enciende a los 1300 l/s y trabaja has-
ta los 1930 l/s, garantizando antes de su opera-
ción una presión mínima de 3 mca, para los 1300
l/s se tiene una presión de 3.04 mca en la VAC-21
y 19.18 mca en la chimenea de equilibrio respec-
tivamente. La gura 23 muestra que no se presen-
tan presiones negativas en este caudal.
Fig. 23. Gráca de comparación del gradiente hidráulico – perl de
la tubería, alternativa de implementación de una booster en la línea
de conducción superior con un caudal de 1300 l/s.
Complementando esta alternativa con el mante-
nimiento de la línea de conducción se obtendrían
mejores resultados teniendo mayores valores de
presión en todos los nodos, pero se debe consi-
derar cuáles serían las condiciones más críticas
que se pueden presentar en el funcionamiento
del sistema.
IV. Conclusiones y recomendaciones
A. Conclusiones
En la torre de captación del embalse “La Mica”
existe una pérdida de energía igual a 48.50 cm de
acuerdo con la tercera calibración, donde 20.00
cm corresponden a la diferencia en la calibra-
ción del nivel máximo del embalse que es igual a
3917.00 msnm según los planos de diseño deni-
tivo, los 28.50 cm restantes se deben a la pérdida
de energía local en la misma.
El tramo comprendido entre la salida del túnel del
embalse (PRE-11, abscisa 0+113.95) y la válvula
de control (VAS-0) ubicada en la abscisa 0+970,
tiene una alta rugosidad de 0.60 mm presumible-
mente por la gran cantidad de sedimentos arras-
trados que provienen de la captación Antisana,
por sus características geológicas y morfológicas.
Con la instalación de los data loggers utilizados
para las calibraciones en la línea de conducción
superior se determinó que existe una acumula-
ción de aire en la válvula de aire VAC-12, inu-
yendo negativamente en la capacidad hidráulica
de la tubería y generando pérdidas de carga.
El tramo comprendido entre la válvula de control
(VAS-0), ubicada en la abscisa 0+970 y la chime-
nea se encuentra operando con una rugosidad
igual a 0.60 mm, se asume que esta rugosidad no
es la que existe en la tubería e indica la existencia
de otros factores no considerados en la modela-
ción en ujo permanente, en este tramo se en-
cuentra la válvula de aire VAC-12 ubicada en la
abscisa 7+556.26 donde se puede considerar que
la pérdida de carga no se debe únicamente a la
rugosidad sino también al aire presente en el ujo
que genera una contracción de la vena del uido.
Los factores que inuencian en la reducción del
caudal máximo de diseño (1750 l/s) en el sistema
La Mica - Quito Sur se encuentran presentes en
la conducción superior, siendo los siguientes: mí-
nimo mantenimiento en las estructuras, válvulas
y medidores instalados, pérdida de carga elevada
en la torre de captación del embalse siendo equi-
valente a una obstrucción del 50% de su sección,
posiblemente una gran cantidad de sedimentos
en el tramo comprendido entre PRE-11 y VAS-0,
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
57
funcionamiento incorrecto de las válvulas de aire
generando una disminución en la vena del uido
transportado.
La conducción superior con un caudal de 1560
l/s y una altura del espejo de aguas en el embal-
se igual a 3916.715 msnm, siendo el escenario
más favorable de operación presenta problemas
de funcionamiento generando presiones nega-
tivas en el nodo VAC-21 ubicado en la abscisa
11+922.67.
Las características actuales de funcionamien-
to de la conducción inferior demuestran que en
condiciones favorables permite el transporte del
máximo caudal actual de 1560 l/s con el mínimo
nivel del tanque de la central hidroeléctrica “El
Carmen”, siendo estas mismas condiciones aptas
para transportar un caudal máximo de 1930 l/s
con un nivel mínimo del tanque 3301.15 msnm
La reducción de los coecientes de rugosidad y
pérdidas menores en la línea de conducción su-
perior sigue presentando presiones negativas en
una longitud total de 5482.58 m donde se reco-
mienda realizar un estudio a profundidad para
realizar un cambio de trazado de la tubería en
los respectivos tramos, siendo necesario comple-
mentar esta alternativa con la ejecución de otras
soluciones.
La solución más viable para aumentar la capaci-
dad hidráulica de la línea de conducción superior
a 1930 l/s es la instalación de una booster en el
nodo PI-1 ubicado en la abscisa 2+098, donde
la altura de bombeo es 30 mca para un caudal
de diseño igual a 2000 l/s, garantizando de esta
manera una presión mínima de 3 m en todos los
puntos aguas abajo de su instalación y operando
entre los caudales de 1930 l/s y 1300 l/s.
B. Recomendaciones
Realizar mantenimiento periódico de todos los
componentes del sistema, con especial enfoque a
disminuir la rugosidad de las tuberías y revisar el
correcto funcionamiento de las válvulas de con-
trol, desagüe y de aire, garantizando su adecuado
funcionamiento con la reducción de las pérdidas
de carga.
Mantenimiento, calibración y encerado de los
equipos de medición que emiten información al
sistema SCADA, como también de los equipos
utilizados en los levantamientos topográcos y
medición de presiones para los trabajos de cam-
po, su reemplazo inmediato en caso de ser nece-
sario y la instalación de un medidor de presiones
en la válvula de aire VAC-21 permitirá operar la
línea de conducción con mayor seguridad.
Modelar el sistema de conducción La Mica - Qui-
to Sur en ujo no permanente luego de haber sido
aplicadas las recomendaciones anteriores para
garantizar la exactitud de los resultados y mini-
mizar la inversión necesaria para la implementa-
ción de las soluciones.
C. Agradecimientos
Este trabajo fue posible gracias al apoyo de la
Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable
y Saneamiento (EPMAPS) por proporcionar los
datos, logística y personal de campo.
Referencias
[1] Naciones Unidas ONU. (2010). El dere-
cho humano al agua y saneamiento. Nacio-
nes Unidas. Obtenido de: http: http://www.
un.org/ga/search/view_doc.asp?symbol=A/
RES/64/292&Lang=S
[2] EPMAPS. (2011). Resumen Ejecutivo Plan
Maestro de Agua Potable. Quito.
[3] EPMAPS. (2006a). Fase I Diagnóstico y formu-
lación de alternativas Volumen No 1. Quito.
[4] EPMAPS. (2006b). Fase I Diagnóstico y formu-
lación de alternativas, resumen ejecutivo. Quito.
[5] e New Zealand Water and Wastes Associa-
tion. (2009, April). National Modelling Guide-
lines Water Distribution Network Modelling.
Modelling Special Interest Group.
[6] Water Authorities Association y Water Research
Center. (1989). Network Analysis: A Code of
Practice. Water Research Center.
[7] EPMAAP-Q. (2008). Normas de diseño de sis-
temas de agua potable para la EMAAP-Q. Qui-
to: Empresa Metropolitana de Alcantarillado y
Agua Potable.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
58
Hormigón estructural de baja densidad para edicaciones
Morales Gubio L. W.*,**; Santamaría Carrera J. L.*,**; Caicedo Barona W.*,**; Tipán Quinatoa F.*,**
*Universidad Central del Ecuador, Facultad de Ingeniería, Ciencias
Físicas y Matemática, Carrera de Ingeniería Civil, Quito, Ecuador
**Autores correspondientes
e-mail: lwmorales@uce.edu.ec
Iinformación del artículo
Recibido: julio 2018
Aceptado: septiembre 2018
Resumen
El Ecuador se encuentra en una zona de alta peligrosidad sísmica, por lo que el diseño que demanda en las edicaciones de
hormigón armado bajo una condición crítica, es el Sismo y siendo la cortante basal, la fuerza lateral aplicada en la edicación
proporcional al peso de la estructura, por lo que una alternativa para atenuar esta acción sísmica sobre las estructuras de hor-
migón armado es disminuir el peso de los elementos estructurales mediante el uso de hormigones ligeros. Por tanto, el objetivo
principal de la investigación es fabricar un hormigón de baja densidad que a su vez tenga características estructurales y además
se pueda determinar mediante ensayos y correlaciones los parámetros físicos y mecánicos del hormigón ligero para que puedan
ser usados como datos dentro del análisis y diseño estructural de edicaciones.
Con base en lo descrito, la investigación consiste en la elaboración de un hormigón estructural de baja densidad con el uso de
agregado ligero (piedra pómez) extraída del tramo de vía San Antonio - Calacalí, agregado no de la cantera Pifo y cemento
tipo GU de uso general. El diseño de hormigón ligero estructural se basa en tres normativas: ACI 318-14: Requisitos del Código
para Hormigón estructural, ACI 211.1-98: Práctica estándar para seleccionar proporciones de hormigón estructural ligero y
ACI 213R-14: Guía para concreto estructural agregado ligero, las cuales proveen de tablas para la estimación de las cantidades
de material, dependiendo de la resistencia que se desee alcanzar.
La dosicación para un metro cúbico de hormigón ligero estructural es de 9.2 sacos de cemento, 208 litros de agua, 792 kg de
arena, 326 kg de piedra pómez y 4.6 kg de aditivo superplasticante Aditec SF - 106. Utilizando esta dosicación se consigue un
hormigón ligero estructural con una resistencia a la compresión a los 28 días de 282 kg/cm2 y densidad de equilibrio de 1.81
kg/cm3, además, para poder ser usado posteriormente en un modelo matemático, se obtiene el módulo de rotura, resistencia a
la tracción, módulo de elasticidad, módulo de Poisson mediante ensayos y fórmulas de correlación del ACI. El hormigón ligero
puede ser utilizado en elementos estructurales como vigas, columnas y losas, pero no puede estar con contacto directo con el
agua debido a su porosidad. La disminución de la densidad del hormigón trae múltiples ventajas como la reducción de cargas,
secciones, cuantía de acero e incluso costo.
Palabras clave: hormigón estructural ligero, piedra pómez, hormigón de baja densidad.
Abstract
Ecuador is located in an area of high seismic hazard, so the design demanded in reinforced concrete buildings under a critical
condition, is the earthquake and being the basal shear, the lateral force applied in the building proportional to the weight of
the structure, so that an alternative to mitigate this seismic action on reinforced concrete structures is to reduce the weight of
structural elements by using lightweight concrete. erefore, the main objective of the research is to manufacture a low-density
concrete that in turn has structural characteristics and also can be determined by tests and correlations the physical and mecha-
nical parameters of lightweight concrete so that they can be used as data within the analysis and structural design of buildings.
On the basis of what has been described, the investigation consists in the elaboration of a low-density structural concrete with
the use of light aggregate (pumice stone) extracted from the San Antonio - Calacalí road section, ne aggregate from the Pifo
quarry and GU type cement. general use. e structural lightweight concrete design is based on three standards: ACI 318-14:
Code requirements for structural concrete, ACI 211.1-98 Standard practice for selecting proportions of lightweight structural
concrete and ACI 213R-14: Guide for light aggregate structural concrete, which provide tables for estimating the quantities of
material, depending on the resistance you want to achieve.
e dosage for one cubic meter of structural lightweight concrete is 9.2 bags of cement, 208 liters of water, 792 kg of sand, 326
kg of pumice stone and 4.6 kg of Aditec SF - 106 superplasticizer additive. Using this dosage, a concrete is obtained structural
light with a 28-day compressive strength of 282 kg / cm2 and equilibrium density of 1.81 kg / cm3, in addition to be used later in
a mathematical model, the modulus of rupture, tensile strength is obtained, modulus of elasticity, Poisson module through tests
and correlation formulas of the ACI. Lightweight concrete can be used in structural elements such as beams, columns and slabs,
but cannot be in direct contact with water due to its porosity. e decrease in the density of concrete brings many advantages
such as reduction of loads, sections, amount of steel and even cost.
Keywords: lightweight structural concrete, pumice stone, low density concrete.
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
59
1. Introducción
El hormigón liviano con el uso de áridos ligeros
fue utilizado por los romanos en la construcción
de la cúpula del Panteón de Agripa de 44 metros
de diámetro, que data del año 118 y 125 d. C. [1].
Existen diversos estudios realizados en el Ecua-
dor sobre el hormigón ligero; uno de ellos, por
ejemplo, es el efectuado en la Universidad Cen-
tral del Ecuador denominado:
“Análisis comparativo entre hormi-
gón convencioal y hormigón de baja densidad”,
en el cual se consiguieron hormigones de densi-
dad alrededor de los 1.88 kg/cm
3
y resistencias a
la compresión a los 28 días de 180 kg/cm
2
.
En esta investigación se comprobó que se pueden
obtener hormigones con densidad baja (1,81 kg/
cm
3
), pero a la vez se planteó conseguir hormi-
gones con resistencias mayores a los 180 kg/cm
2
,
de acuerdo a los ensayos se cumplió el propósito,
obteniendo resistencias de hasta 280 kg/cm
2
, que
permite denir al hormigón como estructural y
que este sea empleado en elementos estructurales
como columnas, vigas y losas.
2. Fundamentación
El diseño de hormigón ligero estructural se basa
principalmente en las siguientes normas:
• ACI 318-14: Requisitos del Código para
hormigón estructural.
• ACI 211.1-98: Práctica estándar para
seleccionar proporciones de hormigón
estructural ligero.
• ACI 213R-14: Guía para concreto estruc-
tural agregado ligero.
3. Deniciones
Hormigón ligero estructural: hormigón que po-
see una resistencia a la compresión mínima a los
28 días de 17 MPa, una densidad de equilibrio en-
tre 1120 y 1920 kg/m3, y consiste completamente
de agregado de peso ligero o una combinación de
peso ligero y agregado de densidad normal. [2]
Densidad de equilibrio: es la densidad alcanzada
por el hormigón estructural ligero después de la
exposición a la humedad relativa de 50 ± 5% y
una temperatura de 23 ± 2 ° C por un período
de tiempo suciente para alcanzar una densidad
que cambia menos del 0,5% en un período de 28
días. [2]
Agregado ligero: es aquel que tiene un peso vo-
lumétrico seco suelto como máximo 880 kg/m3,
mientras que para el agregado normal las densi-
dades oscilan entre 14440 a 1769 kg/m3. [3]
4. Formulación de objetivos y
establecimiento de hipótesis
4.1 Objetivo general
• Fabricar un hormigón ligero estructural
que pueda usarse como material para el
análisis y diseño de edicaciones.
4.2 Objetivos especícos
• Determinar la resistencia a la compresión
simple del hormigón ligero a los 7, 14 y 28
días.
• Obtener la densidad de equilibrio que de-
na al hormigón como ligero.
• Establecer el módulo de rotura.
• Denir la resistencia a la tracción.
• Calcular mediante fórmulas o correla-
ciones el módulo de elasticidad Ec del
hormigón ligero.
4.3 Hipótesis
Es posible conseguir un hormigón de baja densi-
dad que a su vez posea una resistencia estructural
con el uso de piedra pómez.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
60
5. Materiales, fuentes y métodos
5.1 Materiales
El desarrollo del proyecto se centra en la provin-
cia de Pichincha, donde se utilizará materiales lo-
cales. El hormigón ligero tiene varios componen-
tes como son, el cemento Portland tipo IP, arena
de peso normal, agua, aditivo y piedra pómez.
Piedra pómez
Piroclasto de caída con un tamaño comprendido
entre 2 y 64 mm, generado en erupciones explo-
sivas a partir de la fragmentación de la lava que
recubre las burbujas de gas que ascienden hacia la
supercie y explotan por la diferencia de su pre-
sión interna con la del entorno. [4]
Agregado no
El agregado no consiste en arena natural prove-
niente de canteras aluviales o de arena produci-
da articialmente. La forma de las partículas es
generalmente cúbica o esférica y razonablemente
libre de partículas delgadas, planas o alargadas.
La arena natural es constituida por fragmentos de
roca limpios, duros, compactos, durables. [4]
Cemento
El cemento es un conglomerante hidráulico, es
decir, un material inorgánico namente molido
que, amasado con agua, forma una pasta que fra-
gua y endurece por medio de reacciones y pro-
cesos de hidratación y que, una vez endurecido
conserva su resistencia y estabilidad incluso bajo
el agua. [5]
Agua
El agua es un componente esencial en las mezclas
de concreto y morteros, pues permite que el ce-
mento desarrolle su capacidad ligante.
El agua utilizada en la elaboración del concreto y
mortero debe ser apta para el consumo humano,
libre de sustancias como aceites, ácidos, sustan-
cias alcalinas y materias orgánicas. [6]
Aditivo superplasticante
Los aditivos plasticantes y superplastican-
tes de hormigón son aditivos para hormigón
capaces de mejorar las propiedades del hor-
migón.
Se emplean para conferir al hormigón fresco un
mejor comportamiento en cuanto a trabajabili-
dad y bombeabilidad, pero también se busca con
su uso mejorar signicativamente la resistencia y
la durabilidad del hormigón nal. [7]
5.2 Fuentes
La calidad del hormigón depende del tipo de
agregado que se utilice en la construcción. En
Quito operan 65 canteras que abarcan 1.739 hec-
táreas, distribuidas en las parroquias de San An-
tonio de Pichincha, Píntag, Calderón, Pifo, Lloa
y Guayllabamba.
Según el Municipio, el 69% corresponde a con-
cesiones otorgadas a particulares, el 27% a auto-
rizaciones de libre aprovechamiento para obra
pública y 4% a permisos para minería artesanal.
Además, hay aquellas que trabajan de manera ile-
gal. [8]
Buena parte de los materiales de construcción
para la ciudad provienen del norte de Quito, la
mayoría de los sitios de extracción de los agrega-
dos se ubican en el tramo de vía Quito-Mitad del
Mundo - Perucho, en la provincia existen otras
fuentes de materiales como Guayllabamba, Pifo,
Calacalí, Lloa, Píntag, entre otras, de donde se
puede obtener los agregados para la fabricación
del hormigón.
Para el desarrollo de este estudio del hormigón
ligero se utilizó los agregados provenientes de las
de zonas de Pifo y Mitad del Mundo - Calacalí.
5.3 Métodos
Muestra
La piedra pómez fue extraída del tramo de la vía
Mitad del Mundo-Calacalí, sector La Cruz, el
agregado no de peso normal de la cantera de
Pifo, Cemento Holcim G.U. y el aditivo ADI-
TEC SF-106 que se adquirió de la empresa Aditec
Ecuatoriana Cía. Ltda.
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
61
Técnicas
Se efectuó los ensayos de laboratorio a los agrega-
dos, basándose en las normas INEN y ASTM que
justiquen la calidad de los materiales que van a
intervenir en el proceso de fabricación del hor-
migón ligero.
6. Recopilación de datos
6.1 Ensayos de caracterización de los materiales
Para la caracterización de los agregados se rea-
lizaron varios ensayos en el laboratorio que in-
cluyen la determinación de la densidad aparente
real, suelta y compactada, granulometría, absor-
ción, y contenido de humedad.
Tabla 1. Datos de las propiedades de los agregados
Unidad Arena Pómez
Contenido de
humedad (CH)
% 0.89 5.79
Contenido de
absorción (CA)
% 2.57 33.61
Densidad en estado
SSS (DSSS)
(gr/cm³) 2.58 1.23
Densidad seca
compactada (DSC)
(gr/cm³) 1.7 0.53
Densidad seca suelta
(DSS)
(gr/cm³) 1.57 0.47
Módulo de nura
(MF)
--- 3.02 2.78
Tamaño nominal
máximo TNM
pulgada 3/8”
Fuente: Los autores
Peso especíco del cemento Holcim G.U.
P.E. = 2.90 gr/cm³
7. Diseño del hormigón estructural
ligero
El método se basa principalmente en la norma
ACI 211.2-98 Standard Practice for Selecting
Proportions for Structural Lightweight Concrete.
Este método de diseño es aplicable para mezclas
hechas con agregado gruesos ligeros, agregados
nos ligeros y agregado nos de peso normal, el
cual proporciona la secuencia de pasos para po-
der hacer la dosicación del hormigón ligero. [9]
Proceso para el diseño de mezclas de hormi-
gón ligero
1) Estudio de las especicaciones de la obra.
Dependiendo de la resistencia y densidad reque-
ridas se procederá al diseño del hormigón ligero.
2) Denición de la resistencia promedio requerida
Cuando una instalación productora de concre-
to no tenga registros de ensayos de resistencia
en obra para el cálculo de Ss que se ajuste a los
requisitos de la desviación estándar, el f’cr debe
determinarse de la tabla 2.
Tabla 2. Resistencia promedio a la compresión requerida cuando
no hay datos disponibles para establecer una desviación estándar
de la muestra.
Resistencia
especicada a la
compresión, MPa
Resistencia promedio
requerida a la compresión,
MPa
f’c < 21 f’cr = f’c + 7.0
21 ≤ f’c ≤ 35 f’cr = f’c + 8.3
f’c > 35 f’cr = 1.10 f’c + 5.0
Fuente: ACI, American Concrete Institute. Requisito de Reglamen-
to para Concreto Estructural ACI 318S-08. Impreso en U.S.A. Año
2008. Pág.: 72.
3) Estimación del revenimiento
Elección del revenimiento si no se especica, el
ACI proporciona una tabla de revenimiento con
valores recomendados para cada tipo de elemen-
tos estructurales que se desea construir.
Tabla 3. Revenimiento recomendado para diferentes elementos
estructurales
Revenimiento(mm)
Elemento estructural Máximo Mínimo
Vigas y muros reforzados 100 25
Columnas 100 25
Sistemas de piso (losas)
75 25
Fuente: ACI, American Concrete Institute. Standard Practice for
Selecting Proportions for Structural Lightweight Concrete (ACI
211.2-98). Impreso en U.S.A. Año 2004. Pág.: 211.2-5.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
62
4) Estimación del agua de la mezcla y el contenido
de aire
La cantidad de agua por unidad de volu-
men para obtener el revenimiento deseado
depende del tamaño máximo, de la forma y
de la graduación del agregado, del conteni-
do de aire y de los aditivos químicos que se
empleen, no depende en gran medida de la
cantidad del cemento. La tabla 4 proporcio-
na una estimación del agua requerida depen-
diendo del tamaño máximo de agregado y
la cantidad de aire. La forma y la textura de
los agregados inuye en la cantidad de agua,
pero los valores de la tabla dan una suciente
aproximación para esta primera estimación.
Tabla 4. Requerimientos aproximados de agua de mezcla para diferentes revenimientos y tamaño máximo de agregado
Tamaño máximo de agregado 3/8” 1/2” 3/4”
(9.5mm) (12.7mm) (19mm)
Concreto con aire incluido
Agua en Kg/m³ de concreto
Revenimiento de 25 mm a 50 mm 181 175 166
Revenimiento de 75 mm a 100 mm 202 193 181
Revenimiento de 125 mm a 150 mm 211 199 187
Contenido total de aire recomendado para diferentes ni-
veles de exposiciones, %
Exposición ligera 4.5 4 4
Exposición moderada 6 5.5 5
Exposición extrema 7.5 7 6
Concreto sin aire incluido
Agua en kg/m³ de concreto
Revenimiento de 25 mm a 50 mm 208 199 187
Revenimiento de 75 mm a 100 mm 228 217 202
Revenimiento de 125 mm a 150 mm 237 222 208
Contenido aproximado de aire atrapado en el concreto
sin aire incluido en %
3 2.5 2
Fuente: ACI, American Concrete Institute. Standard Practice for Selecting Proportions for Structural Lightweight Concrete (ACI 211.2-98).
Impreso en U.S.A. Año 2004. Pág.: 211.2-5.
En la tabla se indica los niveles recomendados de
contenido de aire con respecto a la exposición
que tendrá el concreto en servicio. Estos valores
mejoran el manejo y la durabilidad de la mezcla,
ayudando a reducir la masa de esta.
Según el ACI 213R-03, Capítulo 3, Tabla 3.1 se
tiene valores de contenido de aire recomendado
para el concreto ligero para diferentes tamaños
máximos nominales.
Tabla 5. Contenido de aire recomendado para el concreto ligero.
Tamaño máximo de
agregado
Contenido de aire
por % en volumen
3/4” pulgada (19mm) 4.5 a 7.5
3/8” pulgada (10mm) 6 a 9
Fuente: ACI, American Concrete Institute. Guide for Structural
Lightweight-Aggregate Concrete (ACI 213R-03). Impreso en U.S.A.
Año 2003. Pág.: 213R-9.
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
63
5) Selección de la relación aproximada agua ce-
mento
En la relación agua-cemento w/c a emplear, no
solo interviene la resistencia requerida sino tam-
bién factores como la durabilidad y las propieda-
des nales deseadas. Dado que cuando se utilizan
diferentes agregados y cementantes con la misma
relación agua cemento resultan diferentes resis-
tencias, es deseable desarrollar una relación en-
tre la resistencia y w/c para cada material que se
utilice.
Tabla 6. Relación entre w/c y resistencia a compresión del concreto.
Resistencia a
compresión a
28 días MPa
Relación aproximada agua -
cemento, por masa
Concreto sin
aire incluido
Concreto con
aire incluido
41.4 0.41 ----
34.5 0.48 0.4
27.6 0.57 0.48
20.7 0.68 0.59
13.8 0.82 0.74
Fuente: ACI, American Concrete Institute. Standard Practice for
Selecting Proportions for Structural Lightweight Concrete (ACI
211.2-98). Impreso en U.S.A. Año 2004. Pág.: 211.2-6.
6) Cálculo de la cantidad de cemento
Una vez que la cantidad de agua y la relación w/c
han sido estimados, se puede obtener fácilmente
la cantidad de cemento por unidad de volumen
del concreto que es determinada dividiendo la
cantidad de agua por la relación w/c.
Ecuación N. 1
7) Determinación del contenido del agregado grue-
so ligero
Agregados con el mismo tamaño máximo
nominal y graduación producen concretos
con una manejabilidad satisfactoria con un
apropiado volumen de agregado grueso, en la
tabla 7 se proporciona una estimación de di-
cho volumen, este valor depende solamente
del tamaño máximo del agregado y módulo
de nura del agregado no.
Tabla 7. Volumen de agregado grueso por unidad de volumen de
concreto.
Tamaño
máximo del
agregado(mm)
Volumen del agregado grueso
suelto en horno por unidad
de volumen de concreto para
diferentes módulos de nura de
arena
pulgada mm 2.4 2.6 2.8 3
3/8 9.5 0.58 0.56 0.54 0.52
1/2 12.7 0.67 0.65 0.63 0.61
3/4 19 0.74 0.72 0.7 0.68
Fuente: ACI, American Concrete Institute. Standard Practice for
Selecting Proportions for Structural Lightweight Concrete (ACI
211.2-98). Impreso en U.S.A. Año 2004. Pág.: 211.2-6.
8) Determinación del contenido del agregado no
A la nalización del paso 7, se han estimado todos
los ingredientes del concreto excepto el agregado
no. A la determinación de la cantidad de arena
se puede llegar por dos caminos que resultan al
nal en establecer el valor por diferencia.
El primer camino se reere a que en ocasiones
por experiencias en este tipo de mezclas se pue-
de conocer la masa volumétrica con suciente
aproximación y una vez obtenido este valor, se
determina la masa por diferencia, en ausencia de
dichas experiencias, se puede recurrir a la tabla 8
que proporciona una primera estimación basada
en el factor de gravedad especíca del agregado
grueso y el contenido de aire.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
64
Tabla 8. Primera estimación de la masa volumétrica del concreto
ligero fresco compuesto por agregado grueso ligero y arena de
masa normal.
Factor de
gravedad
especíca
Primera estimación de la masa
volumétrica del concreto ligero,
kg/m³
Concreto con aire incluido
4% 6% 8%
1
1596 1561 1519
1.2
1680 1644 1608
1.4
1769 1727 1691
1.6
1852 1810 1775
1.8
1935 1899 1858
2
2024 1982 1941
Fuente: ACI, American Concrete Institute. Standard Practice for
Selecting Proportions for Structural Lightweight Concrete (ACI
211.2-98). Impreso en U.S.A. Año 2004. Pág.: 211.2-7.
9) Ajustes en las proporciones de la mezcla
Consiste en ajustar las mezclas por humedad y
absorción a los agregados, la cantidad de agua
que aportarán o absorberán los agregados, según
esto se realiza una corrección al valor total de
agua, de esta manera se tiene una primera esti-
mación de las cantidades a emplear en la mezcla
de concretos ligeros.
Dosicación del hormigón ligero estructural f’c
280 kg/cm².
Tabla 9. Cantidades por metro cúbico de hormigón ligero estruc-
tural
Material Pesos kg Dosicación
Agua 208 0.45
Cemento 462.22 1
Arena 792.40 1.71
Pómez 326.54 0.71
Aditivo 4.62 0.01
Fuente: Los autores
Tabla 10. Cantidades para 12 cilindros Ø=10cm, h=20cm.
Material Pesos kg Dosicación
Agua
6.820 0.44
Cemento
15.501 1.00
Arena
26.573 1.71
Pómez
10.951 0.71
Aditivo
0.1550 0.01
Fuente: Los autores
8. Proceso de fabricación del hormigón ligero
Para la fabricación del hormigón ligero se debe
seguir algunos pasos en el mezclado:
1. La piedra pómez debe cumplir con los requi-
sitos de tamaño y granulometría descritos en
la norma ASTM C330: Especicación están-
dar para agregados livianos para concreto es-
tructural.
2. Antes de iniciar con el proceso de fabricación
del hormigón estructural ligero al agregado
liviano (piedra pómez) se le sumerge en el
agua aproximadamente 24 horas, es preferi-
ble usar a la piedra pómez en estado saturado
en supercie seca (S.S.S.), debido a que tien-
de a absorber menos agua y no se vea afecta-
da el agua de diseño de la mezcla.
3. Se procede a pesar los materiales calculados
para la mezcla, el proceso de mezclado se
realizó mediante la concretera a la cual pre-
viamente se humedeció antes de colocar los
componentes del hormigón ligero.
4. En las mezcladoras de eje vertical es im-
portante primero colocar en el tambor el
agregado grueso ligero (piedra pómez) y se-
guidamente con la concretera en marcha se
añade las 2/3 parte del agua de diseño para la
pre-saturación, una forma de guiarse es que
cuando el material está en ese estado las par-
tículas no se pegan a las paredes de la concre-
tera, al agregado ligero se lo deja mezclar por
unos 50 segundos aproximadamente.
5. Con mucho cuidado se hace girar el tambor
hasta una posición que permita colocar el
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
65
agregado no (arena), cemento y colocar las
¾ partes del agua de diseño.
6. Dejar mezclar por unos 2 minutos, se consi-
dera que a mayor tiempo de mezclado inuye
beneciosamente en la docilidad del hormi-
gón fresco con este tipo de agregado.
7. Se procede a añadir el aditivo con el agua
restante de la mezcla y extender el tiempo de
mezclado mínimo de 3 minutos hasta obte-
ner una mezcla uida y proceder a la descar-
ga en una bandeja grande.
8. Debido a la baja densidad que presenta el
agregado la compactación del hormigón va-
ría, ya que el comportamiento del árido en el
hormigón diere del árido de densidad nor-
mal. Puesto que los áridos livianos tienden
a amortiguar fuertemente las vibraciones,
mientras que los áridos de peso normal se
compactan al poco tiempo. Pasa lo mismo el
momento de expulsar el aire contenido des-
pués de la compactación, ya que la movilidad
de los áridos de peso normal en el hormigón
resulta más favorable que para agregados de
baja densidad, por lo cual, el número de in-
mersiones de la varilla y el número de golpes
con el mazo se estima al doble. A continua-
ción, se presenta la tabla 11, que resume los
parámetros adoptados para la mezcla.
Tabla 11. Pautas para la elaboración de cilindros de hormigón
ligero
Mezcla HLE
Pre-saturación del agregado (seg)
50
Tiempo total de mezcla (seg)
6
Número de penetraciones de varilla
30
Número de golpes de martillo de caucho
25
Fuente: (Caiza & Martínez, 2015, págs. 21-40)
8. Tratamiento de las variables
La determinación de las propiedades en estado
fresco se realizó mediante varios ensayos, entre
los que destacan la consistencia que se determi-
nó mediante el ensayo de cono de Abrams ASTM
C143, densidad fresca ASTM C138, y homoge-
neidad.
A los 28 días se midió las propiedades mecánicas
más importantes entre las principales resistencias
a la compresión ASTM C39, módulo de elastici-
dad ASTM C469, densidad seca ASTM C567, en-
sayo de tracción indirecta ASTM C496 y módulo
de rotura ASTM C78.
9. Resultados
Se realizó el control de calidad del hormigón, en
estado fresco se tomó densidad y asentamiento,
en estado endurecido las principales propiedades
mecánicas tomadas a los 28 días de fabricación y
la evolución de la resistencia a los 7, 14 y 28 días
respectivamente.
Tabla 12. Valores de asentamientos del hormigón ligero
Canteras Métodos
Asentamiento Consistencia
cm Tipos
Pifo
Mitad del Mundo-Calacalí
ASTM
8.5 Blanda
9 Blanda
8.5 Blanda
Fuente: Los autores
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
66
Tabla 13. Valores de densidad fresca del hormigón ligero
Unidad Ensayo 1 Ensayo 2 Ensayo 3
Volumen: g 2928 2928 2928
Peso del molde: g 1940 1940 1940
Peso del molde + muestra: g 7655 7649 7651
Peso de la muestra: g 5715 5709 5711
Densidad de la muestra: g/cm3 1.952 1.950 1.950
Densidad fresca promedio g/cm3 1.951
Fuente: Los autores
Tabla 14. Valores de densidad endurecida del hormigón ligero
N. φm hm V Peso cilindro γ horm. γ horm promedio
cm cm cm
3
g g/cm3 g/cm3
7 días
1 10.30 20.00 1666.4 3174 1.905
1.911
2 10.27 20.10 1663.9 3208 1.928
3 10.33 20.00 1677.2 3187 1.900
14 días
4 10.23 20.00 1644.9 3123 1.899
1.901
5 10.27 20.03 1658.4 3158 1.904
6 10.30 20.03 1669.2 3172 1.900
28 días
7 10.57 20.10 1762.6 3376 1.915
1.919
8 10.43 19.97 1707.0 3286 1.925
9 10.30 20.00 1666.4 3195 1.917
Fuente: Los autores
Tabla 15. Valores de resistencia a compresión del hormigón ligero
N. φm A Carga σ σ prom.
cm cm² kg kg/cm² kg/cm²
7 días
1 10.30 83.32 18350.00 220.23
222.06
2 10.27 82.78 19120.00 230.96
3 10.33 83.86 18030.00 214.99
14 días
4 10.23 82.25 21390.00 260.07
257.09
5 10.27 82.78 20730.00 250.41
6 10.30 83.32 21730.00 260.79
28 días
7 10.57 87.69 25718.00 293.27
282.30
8 10.43 85.49 24203.00 283.10
9 10.30 83.32 22542.00 270.54
Fuente: Los autores
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
67
Tabla 16. Valores de resistencia a la tracción indirecta del hormigón ligero
N.
φm Lm Carga σt σt prom. σt prom.
cm cm kg kg/cm² kg/cm² %
10 10.47 20.00 13173.00 40.06
35.66 12.6311 10.40 20.03 11929.00 36.45
12 10.40 20.03 9974.00 30.48
Fuente: Los autores
Tabla 17. Valores de módulo de rotura del hormigón ligero
N.
b d L Carga MR MR prom.
cm cm cm kg kg/cm² kg/cm²
V1 15.10 14.90 49.90 2280.00 33.94
32.14
V2 15.00 15.10 50.00 2247.00 32.85
V3 15.20 15.10 50.00 2055.00 29.65
Fuente: Los autores
Tabla 18. Valores de módulo de elasticidad del hormigón ligero
Cilindro
Densidad Resistencia Módulo de elasticidad
kg/m3 kg/cm2 MPa MPa kg/cm2
7 1915.3 293.2 28.7 19327 197135
8 1924.9 283.1 27.7 19132 195152
9 1917.2 270.5 26.5 18590 189625
Fuente: Los autores
Los valores del módulo de elasticidad fueron cal-
culados con la fórmula de correlación indicada
en el ACI 318-14 para hormigones de densidad
entre 1500 a 2500 kg/m
3
.
Siendo w
c
la densidad del hormigón en kg/m
3
y f`c
la resistencia promedio a la compresión a los 28
días en MPa.
Módulo de Poisson
Si bien esta propiedad varía ligeramente con la
edad, las condiciones de prueba, y propiedades fí-
sicas del concreto, un valor de 0.20 usualmente se
asume para propósitos prácticos de diseño. [11]
Tabla 19. Datos de resistencia en diferentes edades
Tiempo Resistencia Evolución de
resistencia
Días kg/cm2 %
0 0 0
7 222.1 79.3
14 257.1 91.8
28 282.3 100.7
Fuente: Los autores
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
68
Graco 1. Resistencia a la compresión vs. Tiempo de hormigón ligero celular.
Fuente: Los autores
Densidad aparente seca
Las densidades que han sido monitoreadas son en
estado endurecido a los 7, 14 y 28 días.
Tabla 20. Densidad del hormigón ligero a diferentes edades
Tiempo Densidad
Días kg/m3
0 0
7 1911
14 1901
28 1919
Fuente: Los autores
Las mezclas para hormigones ligeros presentaron
densidades entre 1901 kg/m³ a 1919 kg/m³, den-
tro del rango estipulado por el ACI 213R-03, y
resultaron ser 13.77% más livianos que la misma
mezcla combinada con piedra pómez y árido no
de peso normal.
10. Conclusiones
1) Con la combinación de agregado grueso livia-
no y agregado no de peso normal, se llegó a
obtener hormigones ligeros, con buenas ca-
racterísticas físicas y mecánicas, cuyos datos a
futuro servirán para disponer de un material
ligero y con ello realizar un modelo matemáti-
co aplicando a un proyecto estructural real de
una edicación.
2) Debido al alto porcentaje de absorción de la
piedra pómez, las densidades obtenidas a los
pocos días de haber retirado de la cámara de
curado son mayores a la densidad de equili-
brio cuyos valores están en el rango de 1810 a
1830 kg/m3, y además cumplen con la especi-
cación de densidad del ACI 318S-14.
3) El uso de la piedra pómez como agregado
grueso tiende a disminuir la resistencia a la
compresión del hormigón, por ello se vio
necesario aumentar la cantidad de cemento,
tener una relación agua cemento más baja, y
la utilización de aditivo superplasticante para
compensar esta disminución en la resistencia
y que a su vez sea trabajable.
4) Se obtuvieron valores de las propiedades físi-
cas y mecánicas del hormigón ligero estruc-
tural apropiadas (ver tablas de la 12 a la 20),
cuyos datos al compararse con valores de un
hormigón convencional, cumplen los requeri-
mientos técnicos y mecánicos para utilizarse
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
69
dentro del análisis y diseño de elementos es-
tructurales como columnas, vigas y losas en el
caso de realizar.
11. Referencias
1) “Lightweight Concrete—A Proven Material
for Two Millennia,” Proceedings of Advances
in Cement and Concrete, S. Sarkar and M. W.
Grutzeck, eds., University of New Hampshire,
Durham, S.C.
2) ACI 213-03R Guide for Structural Lightwei-
ght-Aggregate Concrete
3) ASTM C330 Especicación Normalizada
para Agregados Livianos para Concreto Es-
tructural
4) Konstruir.com. (2013).DICCIONARIO: De-
nición de agregado no. Recuperado de:
http://konstruir.com/denicion/letra_a/pala-
bra_agregado%20no.html
5) IECA. (s. f.).Componentes y propiedades del
cemento | Características - IECA. Recuperado
de: https://www.ieca.es/componentes-y-pro-
piedades-del-cemento/
6) Arias A., V. (2009). El agua del concreto.
Elconcreto.blogspot.com. Recuperado de:
http://elconcreto.blogspot.com/2009/01/el-
agua-del-concreto.html.
7) EHE-08. Instrucción española de hormigón
estructural
8) ACI, American Concrete Institute. Standard
Practice for Selecting Proportions for Struc-
tural Lightweight Concrete (ACI 211.2-98).
Impreso en U. S.A. Año 2004.
9) ACI, American Concrete Institute. Requisi-
to de Reglamento para Concreto Estructural
ACI 318S-08. Impreso en U. S.A. Año 2008.
10) ACI, American Concrete Institute. Guide for
Structural Lightweight-Aggregate Concrete
(ACI 213R-03). Impreso en U. S.A. Año 2003.
11) Caiza, P., & Martínez, A. (2015). Fabricación
de hormigones livianos con materiales volca-
noclásticos (lapilli) y su inuencia en la re-
ducción de fuerzas sísmicas.
12. Elementos grácos
Figura 1. Extracción del agregado grueso, vía Mitad del Mun-
do-Calacalí.
Fuente: Los autores
Figura 2. Extracción del agregado no de la cantera Pifo.
Fuente: Los autores
Figura 3. Fabricación del hormigón ligero.
Fuente: Los autores
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
70
Figura 4. Curado del hormigón.
Fuente: Los autores
Figura 5. Ensayo a compresión.
Fuente: Los autores
Figura 6. Ensayo a exión
Fuente: Los autores.
Figura 7. Ensayo brasileño o tracción indirecta.
Fuente: Los autores
Figura 8. Peso del cilindro para la determinación de la densidad a
los 28 días.
Fuente: Los autores
Figura 9. Estructura interna del hormigón ligero.
Fuente: Los autores
71
Estudio de factibilidad de tubos plásticos para ujo a gravedad
fabricados con material reciclado
Ortiz Moya E.; Madero Villalta G.; Lima Guamán P.
Universidad Central del Ecuador, Facultad de Ingeniería Ciencias
Físicas y Matemática, Laboratorio de Investigaciones Hidráulicas, Quito, Ecuador
e-mail: prlima@uce.edu.ec
Información del artículo
Recibido: julio 2018
Aceptado: septiembre 2018
Resumen
Esta investigación presenta una alternativa para la fabricación de tuberías de alcantarillado en base a ma-
terial reciclado de la ciudad de Quito. Se sustenta la calidad de las tuberías fabricadas con polietileno de
alta densidad (PEAD) reciclado mediante los ensayos para tuberías de alcantarillado: densidad, rigidez
anular, aplastamiento entre placas, resistencia al impacto, transferencia de sustancias contaminantes des-
de el tubo hacia el agua que circula por la tubería y agrietamiento por estrés ambiental, los cuales fueron
hechos para diferentes proporciones entre material reciclado y material virgen.
Palabras clave: Polietileno de Alta Densidad, Reciclaje, Tubería para Alcantarillado, Pruebas de Calidad
en Tuberías.
Abstract
is research presents an alternative for the manufacture of sewer pipes based on recycled material from
the Quito city. e quality of the pipes manufactured with recycled high-density polyethylene (HDPE) is
supported by the tests for sewer pipes: density, ring stiness, crushing between plates, resistance to im-
pact, transfer of pollutants from the pipe to the water that circulates through the pipeline, and cracking
by environmental stress, which were made using dierent proportions between recycled material and
virgin material.
Key Words: High density polyethylene, recycling, Sewer pipe. Quality Testing in Pipes.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
72
Introducción
En el país y en la ciudad de Quito la producción
de residuos sólidos es muy alta, especialmente de
residuos plásticos, en mayor cantidad el Polieti-
leno de Alta Densidad (PEAD). Estos residuos
plásticos tardan mucho tiempo en degradarse,
ocupando un espacio signicativo en los relle-
nos sanitarios, disminuyendo así su capacidad y
tiempo de operación. En la actualidad, en los re-
llenos sanitarios se clasican los materiales con la
nalidad de reciclarlos. Actualmente, el objetivo
principal del reciclaje del PEAD es la fabricación
de mangueras para ductos eléctricos, madera sin-
tética de polietileno, contenedores pequeños, re-
cipientes de varios tamaños, entre otros. Sin em-
bargo, el porcentaje de PEAD recuperado frente
al eliminado, es muy pequeño, lo que implica que
el resto va a ocupar un espacio en los rellenos sa-
nitarios. Este documento presenta la alternativa
para la elaboración de tuberías de alcantarillado
que cumplan con las normas vigentes de desem-
peño mecánico e hidráulico aplicadas a las tube-
rías fabricadas con materia prima virgen, para el
reciclaje del PEAD.
Justicación
En la ciudad de Quito se ejecutan constantemente
obras de alcantarillado en las cuales se evidencia
el uso de tuberías de plástico de diferentes diáme-
tros. Por ejemplo, durante los últimos tres años
se han instalado en el Distrito Metropolitano de
Quito 202 708 m de redes de alcantarillado [1].
En la gura 1 se aprecia el incremento de redes de
alcantarillado instaladas con tuberías plásticas, lo
que reeja la creciente necesidad de tuberías.
Figura 1. Redes de alcantarillado instaladas con tuberías plásticas
en el DMQ
Marco Teórico
I.Residuos sólidos y reciclaje
Los residuos sólidos son producto de la relación
del hombre con su medio, por lo que su mejor
denición es: “Todo material descartado por la
actividad humana, que no teniendo utilidad in-
mediata se transforma en indeseable” [2].
Los residuos sólidos, constituyen todos aquellos
materiales desechados tras su vida útil, y que por
sí solos carecen de valor económico. Se compo-
nen principalmente de desechos procedentes de
materiales utilizados en la fabricación, transfor-
mación o utilización de bienes de consumo. Mu-
chos de estos residuos son susceptibles de reapro-
vecharse o transformarse en otros productos con
un correcto reciclado, llamándose por esta razón
Residuos Sólidos Reciclables (RSR). Los princi-
pales “productores” de residuos sólidos están en
las grandes ciudades, siendo las basuras domésti-
cas las más voluminosas.
Los RSR, se componen de varios materiales como
se indica en la gura 2, de los cuales se estima
que se desecha alrededor de 53 925 kg de PEAD
conocido también como “soplado”. [3].
Figura 2. Composición de los RSR generados DMQ.
Por otro lado, la Constitución de la República del
Ecuador, en los artículos 14 y 71, habla acerca de
los derechos y necesidad de conservar el medio
ambiente para garantizar así la sostenibilidad del
buen vivir. Esto signica, que en el Ecuador se
debe impulsar las actividades como el reciclaje. [4].
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
73
II.Polietileno
El etano es un gas compuesto, el cual, es un sub-
producto de la destilación del petróleo, o puede
obtenerse a partir del gas natural. El etano a su
vez es fraccionado (calentado hasta 800
o
C y divi-
dido en “etileno” e “hidrógeno”). El etileno es un
gas compuesto de 2 átomos de carbono y 4 áto-
mos de hidrógeno.
Los 2 átomos de carbono, en la molécula de etile-
no están unidos entre sí por un eslabón muy fuer-
te. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, este es-
labón se rompe, lo que permite que una molécula
de etileno se una a otras para formar una cadena
en la que todos los átomos de hidrógeno están li-
gados y cada uno tiene 2 átomos de hidrógeno.
Una cadena de moléculas de etileno se llama po-
lietileno [5].
El PEAD se caracteriza por su rmeza, bajo costo,
fácil de moldear mediante procesos de extrusión
y de inyección, y resistente a quebraduras. Se uti-
liza en un 50% para producir botellas de plástico
en el mercado. Puede ser utilizado en productos
como leche, agua y jugos de fruta; así como tam-
bién para contener detergentes, blanqueadores,
aceites automotrices, entre otros.
El PEAD es uno de los plásticos más fáciles de
reciclar, y se lo encuentra muy fácilmente dentro
de los RSR; por tal motivo, se propone a este ma-
terial como base de estudio de este proyecto.
III.Tuberías de plástico
Las tuberías de plástico constituyen conductos
que deben ser diseñados para ujo a supercie
libre, pueden ser utilizados para alcantarillas sa-
nitarias, pluviales o combinadas; estos pueden
además ser utilizados para conducir caudales
destinados a sistemas de riego y drenaje agríco-
las, así como también drenaje vial. Siendo que
los caudales de estos sistemas de conducción son
muy variables, entonces los diámetros de los tu-
bos para ujo a gravedad también deben tener
diámetros muy variados.
El principal problema de diseñar sistemas tubo
plástico - suelo y de instalarlos es el comporta-
miento elástico que presentan estos sistemas, lo
cual puede llevar a tener deformaciones inmedia-
tas y a largo plazo de estos sistemas.
Para que los sistemas tubo – suelo sean estables
se debe estudiar la capacidad del tubo para so-
portar las cargas a las cuales es sometido (rigidez
anular), el comportamiento del suelo cuando es
compactado en los alrededores del tubo (reacción
del suelo). De esta manera luego de un correc-
to diseño e instalación, los sistemas para ujo a
gravedad enterrados podrán soportar las cargas
vivas generadas por el tráco vehicular y peato-
nal, y las cargas muertas generadas por el peso
del relleno nal y las estructuras colocadas sobre
estos sistemas.
El concepto de la rigidez anular se reere a la car-
ga vertical que es capaz de soportar un tubo libre
(sin agua en circulación y sin suelo de relleno al-
rededor) sin perder la capacidad de recuperar su
forma original, sin que su capacidad hidráulica se
vea comprometida y sin que la hermeticidad de
las juntas se pierda. Las normas NTE INEN 2360
y NTE INEN 2059 denen el valor máximo de
deexión como el 3% del diámetro nominal in-
terno del tubo (DNI). En conclusión, la RIGIDEZ
ANULAR de un tubo, se dene como la carga ex-
presada en kN/m
2
que debe ser aplicada a un tubo
plástico para deformarse el 3% del DNI [6].
A partir del valor de la rigidez anular, se clasica
a los tubos en series como se indica en la tabla 1:
Tabla 1. Series de tubos de Polietileno de alta densidad
SERIE DEL TUBO
1 2 3 4 5 6 7
RIGIDEZ ANULAR MÍNIMA (kN/m2) método de ensayo ISO
9969
0.25 0.50 1 2 3.94 7.88 15.63
RIGIDEZ ANULAR MÍNIMA (kN/m2) método de ensayo DIN
16961
2 4 8 16 31.5 63 125
Fuente: NTE INEN 2360
Materiales y Metodología
A. Pelletización de PEAD reciclado
Este proceso consiste en transformar el PEAD
desechado en materia prima apta para la fabri-
cación de cualquier artículo, en este caso tubos.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
74
Para mejorar la resistencia del material a la expo-
sición al sol se añade carbón black en una propor-
ción en masa del 4%. En la gura 3 se muestra el
proceso secuencial.
Figura 3. Proceso de Pelletización.
Figura 4. Material reciclado, Trituración del PEAD, y Centrifugado
B. Elaboración de muestras
El muestreo se realizó sobre mezclas de pellets, en
diferentes proporciones de material reciclado con
respecto a material virgen, con el n de determi-
nar en cuál de ellas se obtiene el mejor comporta-
miento del producto terminado.
Tabla 2. Composición de la materia prima para la elaboración de
muestras.
COMPOSICIÓN DEL MATERIAL
PEAD VIRGEN PEAD RECICLADO
100 0
75 25
50 50
25 75
0 100
La variable que dene inicialmente los pellets es la
densidad de la mezcla que se determina aplican-
do el principio de Arquímedes. Para cada compo-
sición de la materia prima se preparan muestras
de 200, 600 y 1000 (mm) de diámetro para tener
representatividad en las muestras, obteniendo
un un total de 15 muestras. El proceso de fabri-
cación de los tubos inicia por la vericación de
insumos, calibración y alimentación de tolva. A
continuación, se realiza la extrusión, enfriamien-
to de perl, control de espesores, ensamblado del
tubo, registro de desperdicios y enfriamiento del
tubo. Finalmente se realiza el corte del tubo y ex-
tracción de testigos para el control de calidad de
las tuberías.
Figura 5. Fabricación de tuberías. (a)extrusión muestra de 600mm,
(b)enfriamiento y control del espesor, (c)enfriamiento muestra de
1000mm, (d)ensamblado del tubo.
(b)
(d)
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
75
nar en cuál de ellas se obtiene el mejor comporta-
miento del producto terminado.
Tabla 2. Composición de la materia prima para la elaboración de
muestras.
COMPOSICIÓN DEL MATERIAL
PEAD VIRGEN PEAD RECICLADO
100 0
75 25
50 50
25 75
0 100
La variable que dene inicialmente los pellets es la
densidad de la mezcla que se determina aplican-
do el principio de Arquímedes. Para cada compo-
sición de la materia prima se preparan muestras
de 200, 600 y 1000 (mm) de diámetro para tener
representatividad en las muestras, obteniendo
un un total de 15 muestras. El proceso de fabri-
cación de los tubos inicia por la vericación de
insumos, calibración y alimentación de tolva. A
continuación, se realiza la extrusión, enfriamien-
to de perl, control de espesores, ensamblado del
tubo, registro de desperdicios y enfriamiento del
tubo. Finalmente se realiza el corte del tubo y ex-
tracción de testigos para el control de calidad de
las tuberías.
Figura 5. Fabricación de tuberías. (a)extrusión muestra de 600mm,
(b)enfriamiento y control del espesor, (c)enfriamiento muestra de
1000mm, (d)ensamblado del tubo.
(b)
(d)
C. Pruebas de calidad en tuberías
Las pruebas de control de calidad realizadas se
detallan a continuación:
1) Contaminación biológica
Se realiza el control del agua contenida por un
lapso de 24 horas vericando que no existe mi-
gración de contaminantes bacteriológicos des-
de la muestra hacia el agua que está contenida
en ellas.
2) Contaminación física y química
Se realiza el control del agua contenida por un
lapso de 24 horas vericando que no existe mi-
gración de agentes químicos.
Los dos anteriores se comparan con los paráme-
tros establecidos en el Libro VI del Texto Uni-
cado de Legislación Ambiental Secundaria. (TU-
LAS) obteniendo como resultado que el agua
analizada es apta para el consumo humano.
3) Rigidez Anular
Se realiza según la NTE INEN 2360, con una
deformación radial igual al 3% del diámetro no-
minal.
Se calcula la rigidez anular con la siguiente
ecuación:
Donde:
F: fuerza correspondiente al 3.0% de deexión
del tubo (kN)
l: longitud de la muestra de prueba (mm)
y: deexión correspondiente al 3.0% (mm)
d: diámetro nominal interno (mm)
De tal manera que (2)
4) Aplastamiento entre placas
Se realiza según la NTE INEN 2360. Se ejerce una
carga directa a la muestra del tubo hasta que éste
se deforme o aplaste el 40% del diámetro nomi-
nal; en esta prueba se verica que no haya fallas
en la tubería que podrían alterar su funciona-
miento mecánico; estas fallas pueden ser:
- Fisura en el perl.
- Fisura en la pared interna.
- Delaminación.
- Fluencia del material.
- Rotura del tubo.
5. Resistencia al impacto
Se realiza según la NTE INEN 2360. Se verica
que la muestra luego de ser sometida a un impac-
to con una energía especicada de acuerdo con el
diámetro nominal interno no presente un daño
denitivo en su estructura, tal como en el aplasta-
miento entre placas.
6) Agrietamiento por estrés ambiental
Se realiza según la norma ASTM D 3350. Con-
siste en mantener 10 muestras del material del
tubo sumergidas en una sustancia agresiva a una
temperatura de 100
o
C durante 200 horas sin que
se evidencien daños en las muestras. Se conside-
ra que la prueba ha sido superada si el 80% de
las muestras se presentan inalteradas luego de la
prueba.
Las pruebas de contaminación biológica y con-
taminación química se realizan solamente sobre
muestras de PEAD virgen y de PEAD reciclado.
Figura 6. Pruebas en tuberías. (a)Testigos almacenados, (b)Es-
tancamiento de agua, (c)Rigidez anular 600mm, (d)Aplastamiento en-
tre placas 1000mm
(b)
(d)
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
76
Resultados
Las pruebas de calidad de las tuberías de PEAD
reciclado se realizan según la Norma Técnica
INEN 2360, obteniéndose los siguientes resulta-
dos:
A. Densidad del material
En la tabla 3 se muestran los resultados de los
ensayos de densidad. Se evidencia que la densi-
dad del material de los pellets es inversamente
proporcional al porcentaje de material recicla-
do, teniendo como menor densidad 0.852g/cm
3
para una muestra preparada completamente con
PEAD reciclado.
Tabla 3. Densidad de muestras de PEAD
%PEAD
VIRGEN
%PEAD
RECICL
Densidad (g/cm
3
)
d1 d2 Promedio
100 0 0.940 0.944 0.942
75 25 0.953 0.927 0.936
50 50 0.906 0.905 0.906
25 75 0.883 0.887 0.886
0 100 0.865 0.843 0.852
La gura 7 muestra la disminución de la densi-
dad al aumentar la cantidad de material reciclado.
Figura 7. Variación de la densidad de los pellets de PEAD
B. Rigidez anular
Del ensayo de todas las muestras se obtienen los
siguientes resultados para cada diámetro:
Tabla 4. Rigidez anular tuberías de diferentes diámetros
DIAM.
%PEAD
VIRGEN
%PEAD
RECICL
Espesores (mm)
Rigidez
Anular
e1 e3
200 mm 100 0 3.49 4.85 7.31
200 mm 75 25 3.47 4.77 6.38
200 mm 50 50 3.56 4.57 7.32
200 mm 25 75 3.39 4.60 6.43
200 mm 0 100 3.29 4.63 8.17
600 mm 100 0 4.82 8.52 2.22
600 mm 75 25 4.73 8.69 2.29
600 mm 50 50 4.65 8.66 2.16
600 mm 25 75 4.70 8.59 2.13
600 mm 0 100 4.88 9.01 2.95
1000 mm 100 0 7.32 10.13 1.19
1000 mm 75 25 7.05 9.90 1.17
1000 mm 50 50 7.67 10.13 1.25
1000 mm 25 75 8.10 10.38 1.36
1000 mm 0 100 7.17 10.10 1.14
Figura 8. Variación de e1, e3 y rigidez anular tubería 200mm
Figura 9. Variación de e1, e3 y rigidez anular tubería 600mm
Revista INGENIO N.º 2 vol. 2 (2019)
77
Figura 10. Variación de e1, e3 y rigidez anular tubería 1000mm
Al analizar los grácos anteriores, se puede ver
que la rigidez anular de las muestras ensayadas
no presenta una variación muy grande en la rigi-
dez anular; puede verse que incluso en los diáme-
tros de 200 y 600 mm la rigidez anular es mayor
para las muestras fabricadas con el 100% de ma-
terial reciclado, obedeciendo esto a un proceso de
cristalización del material al ser reciclado.
C. Aplastamiento entre placas
Las muestras ensayadas no presentan fallas en su
estructura, lo que evidencia que todas las mues-
tras sometidas a este ensayo tienen un desempe-
ño estructural bueno.
D. Resistencia al impacto
Ninguna muestra sometida a esta prueba presen-
ta una de las fallas especicadas. Por lo tanto, se
considera que tanto las muestras fabricadas con
material virgen como aquellas que fueron fabri-
cadas con material reciclado superan esta prueba.
E. Agrietamiento por estrés ambiental.
Dos muestras correspondientes a una compo-
sición del 75% de material reciclado y 25% de
material virgen se agrietaron en esta prueba. Se
considera que incluso esta prueba es superada, ya
que de esta composición fallaron 2 de 10 mues-
tras ensayadas, es decir el 20%, lo cual está dentro
de lo admisible por la norma.
Tabla 5. Determinación de variables físico-químicas
LÍNEA
CO
2
soluble
ppm
H
2
S
soluble
ppm
Cloru-
ros
ppm
Conduc-
tividad
µ-cm
Alcali-
nidad
ppm
pH
Línea de
trans-
porte -
descarga
100 -
130
0-0.5
20,000 –
50,000
1000 –
1500
200 –
250
5.5-
6.5
Agua de
reinyec-
ción
400
-500
0 –
0.5
50,000 –
70,000
1800 -
2500
200 –
250
5.5-
6.5
Conclusiones
La fabricación de tubos con PEAD reciclado es
factible desde el punto de vista de desempeño
mecánico del producto terminado, ya que su-
pera muy bien las pruebas especicadas por las
normas vigentes para estos tubos. Sin embargo,
se debe realizar una investigación especíca para
determinar hasta cuántas veces se puede reproce-
sar o reciclar el PEAD sin que la cristalización del
material afecte al comportamiento de los tubos.
Desde el punto de vista ambiental, el utilizar este
tipo de materiales en la fabricación de tubos plás-
ticos es prácticamente demandante, ya que se re-
tirarían grandes cantidades de material plástico
de los rellenos sanitarios.
Desde el punto de vista económico se evita la
importación de materia prima, evitando pagar
aranceles de nacionalización, teniendo una pro-
ducción de tuberías con un componente de pro-
ducción nacional al 100%.
Desde el punto de vista social se genera fuentes
de trabajo para cumplir con todas las fases de los
procesos inherentes a estas actividades, las mis-
mas que pueden alcanzar niveles de organización
y tecnicación muy elevados.
Referencias
[1] EPMAPS, Departamento de Fiscalización,
Información de obras de Alcantarillado eje-
cutadas en el DMQ, 2018.
Facultad de Ingeniería, Ciencias Físicas y Matemática
78
[2] G. Tchobanoglous, Gestión integrada de resi-
duos sólidos: principios de ingeniería y cues-
tiones de gestión, New York; McGraw-Hill,
1993.
[3] EMASEO, Caracterización de Residuos Sóli-
dos a Nivel Cantonal, 2012.
[4] Constitución de la República del Ecua-
dor(2008). Ciudad Alfaro: Asamblea Consti-
tuyente.
[5] J. Levi, reciclaje del polietileno de alta den-
sidad (HDPE) para la fabricación de láminas,
1992. Disponible en: http://www.dspace.es-
pol.edu.ec
[6] NTE INEN 2360: Tubos de polietileno (PE)
de pared estructurada e interior lisa para al-
cantarillado. Requisitos e inspección Insti-
tuto Ecuatoriano de Normalización (INEN),
2004, Disponible en: https://archive.org/de-
tails/ec.nte.2360.2004
Revista INGENIO N.º 2 vol. 1 (2019)
79
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• Fundamentación
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• Formulación de objetivos y establecimiento de hipótesis
• Materiales, fuentes y métodos
• Recopilación de datos
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• Análisis estadístico
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• Conclusiones
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• Referencias
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colocadas al nal del resumen.
Revista INGENIO N.º 2 vol. 1 (2019)
81
20. Las secciones de “Introducción”, “Materiales y Métodos”, “Resultados”, “Discusión” y “Conclusiones”
del artículo pueden estructurarse divididas en diferente forma. Si el artículo describe un estudio efec-
tuado en un área particular, ésta debe ser escrita en subencabezamientos bajo “Materiales y Métodos”.
21. Los “Resultados”, “Discusión” y “Conclusiones”, pueden ser en algunos casos combinados.
22. Los “Agradecimientos” deben ser cortos, no deben exceder de un párrafo y se colocan al nal del
artículo.
23. Para la integración de citas dentro del artículo, debe usarse un corchete con un número en el interior,
el mismo que hará referencia al documento de citación que debe constar en la bibliografía, y se irá
colocando de forma ascendente. Cuando se trata de citas textuales se escribirá entre comillas con el
texto en cursiva y a continuación se debe colocar el corchete con el número que corresponda siguien-
do el formato de la IEEE. Información disponible en url http://normas-ieee.com/
24. Las “Referencias Bibliográcas” se colocan al nal del texto, luego de la sección de conclusiones.
25. Las “Referencias Bibliográcas” se colocan ordenadas en orden de citación
26. Se debe vericar con cuidado que todas las citas colocadas en el texto, aparezcan en la lista de “Refe-
rencias Bibliográcas”. En la lista sólo deben aparecer las referencias que fueron utilizadas en el texto
principal del trabajo, en las tablas o en las guras, esto implica que no deben aparecer otras referen-
cias aunque el autor las haya consultado durante la preparación del artículo.
27. La sección de “Referencias Bibliográcas” deberá incluirse en un archivo aparte sobre LATEX, pro-
porcionando un archivo de información bibliográca (.bib); o si el artículo está escrito sobre Mi-
croso Word u otro procesador de texto, añadir una tabla en Microso Excel (.xls o .xlsx). De esta
manera el formato de la revista para las referencias se coloca automáticamente.
Arbitraje
27. El Comité Editorial remitirá al autor acuse de recibo de su trabajo en un plazo no mayor de cinco días
luego de cerrada la convocatoria, y en un mes (que podría ampliarse en circunstancias extraordina-
rias hasta mes y medio) le remitirá la resolución nal sobre el mismo.
28. Para ser publicado en la revista Ingenio, todo artículo será sometido a una fase de selección y a un
proceso de dictamen. En la primera fase, el Comité Editorial seleccionará los artículos que corres-
pondan a las áreas temáticas tratadas en la revista y que cumplan con los requisitos académicos
indispensables de un artículo cientíco.
29. Las contribuciones serán sometidas al dictamen de dos especialistas en la materia correspondiente. Si
existe contradicción entre ambos dictámenes, se procederá a una tercera evaluación que se conside-
rará denitiva. El proceso de dictaminación será secreto y no se dará información nominal respecto
a éste. Una vez emitidas las evaluaciones de los árbitros consultados, se enviará a los autores el acta de
dictamen, y éstos tendrán un plazo no mayor de cinco días para entregar la versión nal del artículo
con las correcciones pertinentes si las hubiere.
30. El Comité Editorial de la revista vericará la versión nal con base en los dictámenes e informará a
los autores en qué número de la revista será publicado su trabajo. Las colaboraciones aceptadas se
someterán a corrección de estilo y su publicación estará sujeta a la disponibilidad de espacio en cada
número.
Esta edición que consta de 300 ejemplares en
papel couché de 115 grs., se terminó de imprimir
en enero de 2019, siendo Rector de la Universidad
Central del Ecuador el señor Dr. Fernando
Sempértegui Ontaneda, PhD. y Director(e) de
la Editorial Universitaria, Lic. Julio Enríquez
Cevallos.
