Aglomerado Asfaltico Con Polvo de Caucho

NORMALIZACIN E INNOVACIN

Diseo y desarrollo de un aglomerado asflticocon polvo de caucho procedente del reciclado

de los neumticos usados incorporado por va seca

D. Bernab Witoszek SchultzDirector de Calidad Medioambiente & I+D+i PAS S.L.

D. Francisco Hernndez OlivaresCatedrtico. Escuela Tcnica Superior de Arquitectura. Departamento de Construccin

y Tecnologa Arquitectnicas. Universidad Politcnica de Madrid. D. Candelas Benito Moro

Profesora Titular Universidad de Salamanca, Departamento de Geologa Facultad deCiencias - Universidad de Salamanca

D. Manuel AlonsoJefe del Laboratorio de Calidad & I+D+i PAS SL

RESUMEN

Los neumticos fuera de uso suponen un grave problema, ya que la normativamedioambiental existente impide su destruccin mediante depsito a vertede-ro.Dentro de las alterativas razonables para su reutilizacin, una de las msapropiadas corresponde a la trituracin y separacin selectiva de sus com-ponentes. De stos, el caucho se puede incorporar en las mezclas bitumino-sas en caliente para mejorar sus propiedades reolgicas, ya que el caucho pre-sente en los neumticos, tanto el de origen natural como el sinttico, se com-pone en ms del 50 % de polmeros elastomricos.

En el presente artculo se comentan los trabajos realizados por la EmpresaPAVIMENTOS ASFLTICOS SALAMANCA, S.L. y su departamento de I+D+ipara el diseo y la ejecucin de un tramo experimental de 2.5 km en la pro-

vincia de Salamanca, con la incorporacin de caucho procedente de neumti-cos fuera de uso, mediante el empleo de la "VIA SECA".

El la va seca consiste bsicamente en la incorporacin del caucho a la mezclacomo un componente inerte ms en el proceso de amasado y trs un tiempode espera (maceracin) su extendido y compactacin.

El proceso de maceracin propicia la modificacin del caucho, prdida de sucomponente elstico y reaccin con el betn lo que conlleva una modificacindel mismo.

1.- INTRODUCCIN

El desarrollo de este trabajo, nos permite aportar nuevas tecnologas en el sec-tor de la construccin con a fin de, mejorar la calidad, reducir costes, aumentarlas prestaciones y contribuir con el desarrollo sostenible, aprovechando mate-riales excedentes de otros procesos de produccin y los materiales reciclados,que resultan claramente reutilizables como ocurre con el caucho que se obtie-ne de los neumticos usados.

Actualmente, el estudio sobre las posibilidades de utilizar los residuos, es unode los objetivos prioritarios de carcter medioambiental en la investigacincientfica y tcnica, por lo que PAS, S.L., viene participando activamente en lainvestigacin sobre la utilizacin de residuos y materiales aptos procedentes delreciclaje de neumticos fuera de uso, en el campo de la construccin y en lasobras pblicas. Para ello es necesario alcanzar un conocimiento profundo sobrelos distintos tipos de residuos, el volumen de los mismos, las posibilidades tc-nicas, la repercusin econmica, las limitaciones de uso y las precauciones querequiere su empleo. Adems de asignar para cada residuo, el mejor aprovecha-miento entre los usos posibles, a fin de obtener el mayor valor aadido.

2 ESTUDIO PREVIO Y PRIMERA APROXIMACIN

Como primera aproximacin se plante la estimacin de la variacin de las pro-piedades de la mezcla mediante la incorporacin del polvo de caucho..

Se tom como referencia los parmetros densidad y estabilidad marshall. En lafigura se observa la evolucin de los mismos al adicionar cantidades crecien-tes de caucho. El caucho empleado corresponde con la granulometra 0.5 1mm, en una mezcla tipo S-12 con rido cornenico de Guijuelo y con un 5 %de betn 60/70 sobre ridos. No se ha realizado correccin de curva por la adic-

VI CONGRESO NACIONAL DE FIRMES

cin de caucho por lo que se pondera en el total de los ridos. La compacta-cin de las probetas se ha efectuado a continuacin del proceso de mezclado.En esas condiciones, en una primera impresin, se pudo comprobar que laadiccin de caucho supona un empeoramiento de las propiedades de la mez-cla a medida que se aumenta el porcentaje de caucho y sobre esta reflexincaben varios comentarios:

Si se realiza la compactacin a continuacin del proceso de mezclado, yno se le da el tiempo suficiente para que se produzca la interaccin entreel betn y el caucho, provocando que ste funcione como un rido els-tico de granulometra muy concentrada, por un lado se produce la aper-tura de huecos y por otro impide la compactacin por su componenteelstico. Algunos autores consideran igualmente que en estas primerasetapas de reaccin el caucho absorbe voltiles del betn con un aumen-to de su volumen.

En segundo lugar cabe indicar que, el periodo de maceracin previo alextendido y compactacin, es fundamental y adems crtico, ya que encaso de no realizarlo correctamente, no solo, no se provoca una modifi-cacin del betn, sino que se obtiene un producto de peores propiedadesque el aglomerado convencional.

Respecto al contenido de caucho que se adicionarse a la mezcla, se haden considerar valores muy elevados y stos deben estar en funcin dela cantidad de betn de la mezcla a utilizar. De acuerdo con los ensayosrealizados para el desarrollo del proyecto, se consideran valores apropia-dos cuando no se supera el 20 % con respecto al betn terico de la mez-cla sobre ridos, ya que con valores ms elevados se producen procesosde desenvuelta y disgregacin en el aglomerado. Esto se ha observadodurante el desarrollo del proyecto, para mezclas con el 1 % de cauchosobre ridos y con valores de betn inferiores al 4 %.


Con el proceso de maceracin, permite dosificar aglomerados con unapelcula de betn ms gruesa (admiten ms betn) y a la vez mejorar deforma importante la resistencia a la deformacin plstica.

3 METODOLOGA DEL PROCESO DE FABRICACIN

Para establecer la metodologa de mezcla y fabricacin, se dise un plan detrabajo con el fin de determinar la evolucin de las propiedades de la mezclasegn las siguientes posibilidades de fabricacin:

Mezcla de referencia sin caucho. Fabricada a 150 C y a continuacincompactada.

Mezcla con 1 % de caucho, Fabricada a 150 C y a continuacin com-pactada

Mezcla con 1 % de caucho, calentamiento de los ridos a 150 C, mace-racin de los ridos y el caucho durante dos horas, y a continuacin delperiodo de maceracin adiccin de betn y compactacin.

Mezcla con 1 % de caucho. Fabricacin de 150 C, maceracin de lamisma a 150 C durante 2 horas y a continuacin la compactacin

Mezcla con 1 % de caucho. Fabricacin de 150 C, maceracin de lamisma a 150 C durante 2 horas, reamasado y a continuacin compacta-cin


La fabricacin se realiz para los contenidos de betn de 5 y 6 % sobre ridospara la mezcla en blanco y 4, 5 y 6 para el resto de las dosificaciones. La curvade referencia utilizada fue una S-12. El caucho empleado tena una granulome-tra 0.5-1 mm. En la figura se puede observar, la evolucin de la densidad, enprobetas marshall segn el mtodo empleado.

Como criterio general, se observa una evolucin favorable tras un periodo demaceracin, y es ms efectivo los mtodos en los que se realiza un movimien-to del material tras el periodo de reposo en caliente.

Como metodologa de diseo, se opt por la realizacin de la mezcla medianteamasado y maceracin posterior, si bien el proceso de obra estara prximo alproceso ms efectivo consistente en un segundo amasado, tras el periodo demaceracin como el movimiento del material que se produce en la puesta enobra, con los sinfines de la extendedora y la compactacin del equipo neum-tico. Por otro lado, la reaccin del caucho se mejora con el aumento de la tem-peratura de trabajo por lo que se recomienda trabajar a la mxima posible, ennuestro caso se dise en laboratorio con envueltas en torno a 175 C, debidoa la dificultad que supone elevar en planta la temperatura del betn por encimade 160 C. Finalmente cabe indicar que, la reaccin del caucho se mejora si sereduce el tamao de la fraccin granulomtrica empleada, as con el empleo degranulometras de caucho 0-0.4 mm permiten tiempos de maceracin ms cor-tos y efectivos.

4. PROCESO DE DISEO EN LABORATORIO

El proceso de desarrollo del aglomerado con la incorporacin del polvo de cau-cho reciclado, se ha realizado en el Laboratorio P.AS. S.L.. Su diseo no difiereen gran medida del mtodo empleado para obtener las frmulas de trabajohabituales de un aglomerado convencional, salvo la determinacin previa deltiempo de reaccin, los pasos a seguir son:

Caracterizacin de materiales: ridos, Betn, Caucho

Ajuste granulomtrico y diseo por el mtodo marshall

Susceptibilidad al agua (inmersin compresin)

Pista de laboratorio

En la etapa previa, al diseo, es fundamental determinar el tiempo mnimo demaceracin de la mezcla que permita generar una reaccin de los componen-tes con garantas de calidad.


RIDOS

Inicialmente se trabajo con rido procedente de la cantera que la empresa tienesituada en la localidad de Guijuelo (SALAMANCA), aunque debido a la eleccindel tramo de prueba, se pas a utilizar un rido cuarctico de la GRAVERA quela empresa tiene situada en CASTRAZ (SALAMANCA), que proviene delmachaqueo de bolos de cuarcita de 50 a 180 mm. El peso especfico medio esde 2.65 g/cm3 , el Desgaste de 20,7 % y el C.P.A. DE 0.52.

BETN

El ligante empleado corresponde a betn convencional del tipo 60 / 70 sumi-nistrado por PROAS y procedente de la refinera de la Rbida. Como propieda-des bsicas, presenta una penetracin a 25 C de 66, punto de reblandeci-miento de 49.8 y fragilidad fraass de 13. El resto de parmetros de caracteri-zacin cumple con la normativa en vigor.

CAUCHO

El caucho empleado en el estudio de la frmula de trabajo empleado corres-ponde a la empresa RENECAL, con una granulometra 0-0.5 mm, y que corres-ponde al proceso de reciclado de ruedas de neumtico procedentes de camio-nes y turismos.

La proporcin de mezcla es en torno al 75 % camin y el 25 % de turismo,pudiendo llegarse hasta mezclas de 50/50. La composicin del caucho, segnlos datos aportados por el fabricante mediante informe del CSIC son:


5. AJUSTE GRANULOMTRICO Y DISEO POR EL MTODO MARS-HALL

Como se ha indicado anteriormente, el mtodo de diseo empleado es elclsico marcado por la normativa espaola. La figura muestra el ajuste reali-zado para la dosificacin de laboratorio a fin de obtener una curva del tipoS-12 de la O.C. 5/01, sobre esta curva se pueden realizar los siguientescomentarios:

Con respecto al caucho, ye n base a los comentarios indicados anterior-mente, se fij en un valor que no sea superior al 1 % sobre ridos. En estepunto, y segn los distintos autores, existen distintas versiones para ajus-tar la curva granulomtrica. Para unos se debe sustituir la fraccin exac-ta (cosa imposible en la realizada con la fraccin 0-0.4 mm). La tecnolo-ga TAK propone sustituir el citado valor en el tamao superior al del cau-cho empleado, ya que aduce que en el proceso de mezcla el cauchoabsorbe voltiles del betn e incrementa su volumen, no obstante seemplean valores de caucho del 2-3 % y granulometras ms gruesas a lasempleadas en este tramo (0-6 mm frente al 0-0.4 mm del tramo). Cabehacer notar que segn indica Gallego (2001) las fracciones finas (0.16mm) llegan a interaccionar con el betn modificndolo.

Es importante tener en cuenta que la dosificacin de un material como elcaucho en peso, implica una importante modificacin en trminos devolumen, ya que su densidad aparente en tolueno es de 0.3-0.4 g/cm3

(densidades reales de 1.1 g/cm3 del caucho , frente a 2.65 g/cm3 de losridos) con lo que las relaciones volumtricas (las reales en la mezcla)corresponde prcticamente con 2.5 veces su valor en peso


En nuestro caso, y teniendo en cuenta las premisas anteriores se ha opta-do por una curva ligeramente gruesa. Respecto a la S-12 convenciona,lse ha reducido en 1% el filler que aporta el 0-4 mm y se ha cargado lige-ramente la granulometra en el tamiz de 4 mm, creando un pequeo corteen la fraccin 4-2 mm. Respecto a la dosificacin se ha optado por haceruna sustitucin ponderada, es decir, se ajusta la suma de ridos, tal comose indico anteriormente a 100 se suma el caucho y el betn ponderandola mezcla a 100. por lo que el % real de caucho aportado es ligeramenteinferior al 1 %.En la figura, se muestran los parmetros marshall en fun-cin del % de betn, para la dosificacin realizada en laboratorio en basea lo indicado en los apartados anteriores. Si los comparamos con lamisma mezcla sin caucho, se puede observar que para obtener parme-tros similares la adiccin del 1 % de caucho permite dosificar mayorescantidades de betn (en este caso 0.4 %) sin problemas de escurrimien-to ni de deformaciones plsticas como se ver ms adelante.


6. SUCEPTIBILIDAD AL AGUA (INMERSIN COMPRESIN)

La susceptibilidad al agua se ha determinado con el ensayo segn normas NLT161 y 162

los valores obtenidos para una muestra en blanco (sin caucho) y otra con laadiccin de cacho segn la frmula indicada anteriormente.

Como se puede ver en el grfico, con la adiccin del 1 % de caucho no supo-ne ninguna variacin en la resistencia conservada con valores en ambos casosprximos de 90 %.

No obstante es de destacar el significativo aumento en la resistencia a com-presin simple, en la que prcticamente la presencia de caucho hace duplicarel valor obtenido en muestra en blanco, si bien este valor puede estar en parteasociado al propio proceso de fabricacin con maceracin de 2 h a 150 C. ,yaque los controles realizados sobre la mezcla fabricada en planta dan compre-siones simples del orden de 4 Mpa.

7. DETERMINACIN DEL TIEMPO DE MACERACIN

Este es el parmetro ms crtico que presenta la adiccin de polvo de caucho,ya que la puesta en obra de un aglomerado sin el tiempo necesario para pro-vocar la reaccin del caucho produce mezclas de baja calidad, asociadas a ladificultad de la compactacin por la presencia de un material elstico, como aldficit de ligante que provoca la elevada superficie especfica del caucho que alno reaccionar acta como un inerte ms.

Para la determinacin de ste parmetro se fabricaron mezclas con el 5.1 % debetn sobre ridos a las que se dejaron macerar respectivamente 1 hora, 1.5horas y 2 horas, y a continuacin se procedi a su ompactacin segn el mto-do marshall, y a su vez se compararon os resultados con una mezcla patrn.

El resultado se muestra en la figura anterior en donde se ve la evolucin de losdistintos parmetros en funcin del tiempo de maceracin. Como se puedeobservar, existe un valor crtico correspondiente a 1 hora, en el que la adiccinde caucho conduce a una clara descompactacin. A partir de ese momento seproduce la reaccin del caucho y progresivamente se producen mejoras en losparmetros considerados.

La figura muestra la evolucin de la deformacin plstica en funcin del tiempode maceracin. Tambin se puede observar, que el aumento del tiempo de


maceracin induce a un mayor asiento inicial, mientras que a partir de los 20minutos de ensayo las pendiente son prcticamente similares. Ello nos podraestar marcando la perdida del componente elstico del caucho en el procesode digestin. En nuestro caso, se marca como valor de maceracin para la rea-lizacin del tramo en 2 horas.

8. PISTA DE LABORATORIO

Como fase final del diseo se determin la resistencia a la deformacin plsti-ca mediante el ensayo de pista de laboratorio.

En la figura, se muestran los valores obtenidos en los ensayos de pista de labo-ratorio, tanto para 1,5 horas como para 2 horas de maceracin en donde sepuede observar como la adiccin del polvo de caucho da buenos resultadospara este parmetro.


9. TRAMO DE OBRALOCALIZACIN Y DESCRIPCIN DEL TRAMO

El tramo de prueba se encuentra en la carretera que une la planta de P.A.S. S.L. en la localidad de Castraz con la Carretera CN-620, perteneciente a laDiputacin de Salamanca

Para la eleccin del tramo se ha tenido en cuenta la importante carga de trfi-co que va a soportar la misma, dado que desde la citada planta se suministranlos materiales zahorra artificial, suelo-cemento y aglomerado para la obra queesta ejecutando UTE YELTES, as como el suministro de material para otrasobras menores, con un volumen estimado de 1.000.000 Tm en un plazo de 6-8 meses. Con el fin de soportar el citado trfico se ha realizado un refuerzo dela citada carretera consistente en un ensanche de calzada con Grava cemento,una capa de base de 7 cm y una rodadura tipo S-12 en un espesor de 5 cm.

Con el fin de poder establecer el distinto comportamiento de la adiccin de cau-cho, respecto a una mezcla convencional se ha zonificado la obra en tramos de500 m, extendindose de forma alterna tramos S-12 con 1% de caucho y tra-mos con S-12 convencional. En La figura-se muestra un esquema de la zonifi-cacin establecida.

La continuacin del proyecto tiene previsto realizar un seguimiento y cataloga-cin de los defectos que puedan aparecer con el fin de determinar si realmen-te la incorporacin del caucho supone una mejora en la vida til de la carrete-ra.


10.- PLANTA Y PROCESO DE FABRICACIN

Para esta experiencia se ha utilizado una de las plantas SIM-AMMAN CB-25que tiene la empresa en las instalaciones de Castraz, Salamanca.

El caucho se transport en cubas cerradas, desde la empresa suministradorade Palencia, hasta la planta de Castraz y se elev hasta un silo de filler de apor-tacin mediante el sistema neumtico, desde el que se dosific como si se tra-tase un filler. El transporte neumtico del polvo de caucho es perfectamentevlido para trabajar, con las precauciones que el caso impone, debido a la bajadensidad que presenta.

El proceso de fabricacin de la mezcla requiere trabajar a temperaturas mselevada que la habitual para una mezcla convencional, porque es preciso queel betn se encuentre entre los 160 C a 165 C , para que permita el calenta-miento de ridos, en torno a 175-180 C.

La dosificacin del caucho en la planta presenta algunos inconvenientes, aso-ciados a su baja densidad. Su elevado volumen hace que los tiempos de dosi-ficacin en planta se deben aumentar, porque en el tiempo normal de respues-ta el sistema convencional, no es capaz de osificar el peso requerido. Esto sepuede solucionar fcilmente aumentando del dimetro del dosificador, o de lavelocidad del sinfn, para no retrasar la produccin. Tambin se requiere aumen-tar el tiempo de mezcla, para garantizar la Homogenizacin de la mezcla. Ennuestro caso se fij en 30 segundo de envuelta.

Finalmente, se establecieron 2 horas para la maceracin. En esta operacin seutilizaron los silos de la propia planta (90 Tm) y los camiones para el transportedel aglomerado que esperaron en planta a continuacin de la fabricacin, hastacumplirse el tiempo indicado.

11.- EQUIPO DE EXTENDIDO Y COMPACTACIN

El extendido y compactacin de una mezcla con adiccin de caucho es muysimilar al de una mezcla con un betn modificado, presenta ms pegajosidad ylos mismos problemas de adhesin a los rodillos. En el proceso de compacta-cin, es necesario que los rodillos dispongan de agua con algn lquido antiad-herente para evitar que el aglomerado se pegue.

La entrada de los compactados se ha de realizar lo antes posible y es reco-mendable alargar el tiempo de compactacin hasta que la mezcla este pordebajo de 60 C , como prevencin a los posibles efectos de descompactacin,


como consecuencia de la actividad del caucho que no ha reaccionado y se hin-che con los voltiles del betn. Esta precaucin es ms importantes, si se redu-cen los tiempos de maceracin.

12.- CONTROL DURANTE LA CONSTRUCCIN DEL TRAMO EXPERI-MENTAL

Durante la ejecucin del tramo de prueba se han tomado muestras para el con-trol con el fin de verificar si se cumplen los criterios previstos en el diseo.

La caracterizacin se ha realizado mediante los ensayos clsicos para la deter-minacin del contenido de betn, marshall, inmersin-compresin y finalmentepista del laboratorio. Los datos del control arrojan valores coherentes con loindicado en los trabajos previos del laboratorio

De las extracciones de betun, llama la atencin los bajos contenidos en filler,que posiblemente se debe a que tras el proceso de extraccin con tricloroetile-no, queda atrapado por los restos del caucho, asociado a un proceso de car-gas elctricas. Estos grumos son fcilmente deleznables con la mano, sepa-rando el caucho del filler, tras este proceso si se vuelve a realizar el tamizado selogran elevar los contenidos de filler entre 0.5 y 1 %. Cabe destacar, que estaprevisto realizar el correspondiente seguimiento de su comportamiento a travsdel tiempo, con la participacin del CENTRO DE ESTUDIOS Y EXPERIMENTA-CIN DE OBRAS PUBLICAS, DEL MINISTERIO DE FOMENTO, (CEDEX).


13.- CONCLUSIN

En el presente trabajo se ha desarrollado una dosificacin y extendido de unamezcla tipo S-12 con la incorporacin de un 1% de cacho por el "mtodoseco"

El proceso de dosificacin, no difiere en gran medida del diseo de un aglome-rado convencional, salvo en un parmetro bsico, que es la determinacin delproceso de maceracin que permite la interaccin del caucho con el betn, afin de provocar una modificacin del mismo. Se debe tener en cuenta que porsu baja densidad, las relaciones volumtricas se alteran en mayor proporcin delo que se estima en dosificaciones en masa.

En la planta, el caucho se puede manejar y dosificar como un filler de aporta-cin, con la salvedad de que por su baja densidad, se hace mas lenta su dosi-ficacin y precisa de un mayor tiempo de envuelta. Tras el proceso de macera-cin se obtiene una mezcla ms viscosa y de aspecto mate que permite aumen-tar considerablemente el porcentaje de betn y en consecuencia la pelcula derecubrimiento de los ridos.

La compactacin ha de realizarse con las mismas precauciones que requiere unbetn modificado y es recomendable alargar ligeramente el proceso de com-pactacin hasta que la mezcla adquiera una temperatura por debajo de 90 C.

Se han estudiado los materiales y los medios, para que el proceso de fabrica-cin y puesta en obra, no difiera en gran medida con relacin a un aglomeradoconvencional con betn modificado, salvo en el proceso de maceracin. Seconsidera alcanzado los objetivos planteados y que se ha logrado un aportetecnolgico significativo para las carreteras y para el Desarrollo Sostenible, conun producto Tcnica y Econmicamente viable.

REFERENCIAS

Gallego Medina,J. (2001). Mezclas bituminosas modificadas por adicin de polvo de neum-ticos. CEDEX ,Madrid.

Hicks, R.C. (2002). Asphalt rubber desing and contruction Guide lines.NCRACTC.Sacramento.

Ruiz Rubio, A. (2004) Jornada sobre utilizacin de neumticos fuera de uso en carreteras.Aplicaciones en materiales bituminosos. Madrid.

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Aglomerado Asfaltico Con Polvo de Caucho

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