Pavimentos con Polímeros Reciclados Lina Marcela Ramírez Jiménez (1).pdf
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PAVIMENTOS CON POLÍMEROS RECICLADOS LINA MARCELA RAMÍREZ JIMÉNEZ ESCUELA DE INGENIERÍA DE ANTIOQUIA INGENIERÍA CIVIL ENVIGADO 2011
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PAVIMENTOS CON POLÍMEROS RECICLADOS
LINA MARCELA RAMÍREZ JIMÉNEZ
ESCUELA DE INGENIERÍA DE ANTIOQUIA INGENIERÍA CIVIL
ENVIGADO 2011
PAVIMENTOS CON POLÍMEROS RECICLADOS
LINA MARCELA RAMÍREZ JIMÉNEZ
Trabajo de grado para optar por el título de Ingeniera Civil
Carolina Álvarez Valencia
Ingeniera Civil, Magíster en Infraestructura y Sistemas de
Transporte,
ESCUELA DE INGENIERÍA DE ANTIOQUIA
INGENIERÍA CIVIL
ENVIGADO
2011
AGRADECIMIENTOS
Quiero empezar agradeciendo a Dios por toda la fortaleza que me ha brindado hasta
ahora, ya que gracias Él es que he logrado enfrentar todos los obstáculos que se me han
presentado.
A mis padres por su apoyo incondicional y porque confiaron siempre en mi, a mis
hermanos Erika y Felipe que han sido de gran ayuda en mi desarrollo profesional y
personal.
A mi profesora y Directora de tesis Carolina Álvarez Valencia por su confianza y apoyo en
el desarrollo del presente proyecto.
A David, José, Emiro, Catalina, Camilo, Daniel, Luisa, Diego, Lina y algunos compañeros
que por el momento se me pasan los nombres, por su apoyo incondicional, sus palabras
de aliento y por ayudarme a enfrentar los diferentes inconvenientes presentados.
A empresas como Conconcreto, Procopal y Conasfaltos por abrirme las puertas en mi
investigación y brindarme la información necesaria para el buen desarrollo del presente
trabajo.
A ingenieros como Marisol Aristizabal, Xavier Cuellar, Juan Pablo Bolívar, Andrés
Duque, José William Restrepo, Maria Jaqueline Espinosa, Ana María Zambrano,
Alejandro Valencia, que gracias a sus conocimientos en diferentes áreas y consejos
personales ayudaron a una adecuada culminación del presente trabajo.
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN 13
1 PRELIMINARES 14
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 14
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 15
1.3 OBJETIVOS DEL PROYECTO 16
1.3.1 OBJETIVO GENERAL 16
1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 16
1.4 MARCO DE REFERENCIA 16
2 METODOLOGÍA DEL PROYECTO 22
3 ASFALTO 23
3.1 USOS DEL ASFALTO EN COLOMBIA 24
3.2 HISTORIA DEL ASFALTO 25
4 POLÍMEROS 26
4.1 EL POLIESTIRENO EXPANDIDO (EPS -EXPANDED POLYSTYRENE) 26
4.1.1 PROPIEDADES 27
4.1.2 USOS Y APLICACIONES 27
4.2 CAUCHO (HULE) 27
4.2.1 PROPIEDADES 28
4.3 USOS Y APLICACIONES 28
5 POLÍMEROS Y RECICLAJE 29
5.1 RECICLAJE MECÁNICO 29
5.2 RECICLAJE QUÍMICO 30
6 RECICLAJE DEL POLIESTIRENO EXPANDIDO (EPS) 31
7 RECICLAJE DEL CAUCHO DE LLANTA 32
8 ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS 33
8.1 VARIABLES QUE AFECTAN LA INTERACCIÓN O MEZCLADO DE DOS MATERIALES 35
8.1.1. TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS 35
8.1.2. VISCOSIDAD: 36
8.1.3. TIEMPO DE MEZCLADO: 36
8.1.4. NATURALEZA DE LOS MATERIALES: 36
9 APLICACIÓN DE POLÍMEROS RECICLADOS A PAVIMENTOS ASFÁLTICOS 37
10 ESPECIFICACIONES DE ASFALTOS MODIFICADOS 38
10.1 DESCRIPCIÓN ENSAYOS A REALIZAR 40
10.1.1 PUNTO DE ABLANDAMIENTO ANILLO Y BOLA 40
10.1.2 ÍNDICE DE PENETRACIÓN 44
10.1.3 ESTABILIDAD DE ALMACENAMIENTO 46
11 EXPERIENCIA EN LOS ENSAYOS 48
12 DISEÑO DE EXPERIMENTOS 49
13 MATERIALES UTILIZADOS 51
13.1 CAUCHO DE LLANTA TRITURADA 51
13.2 POLIESTIRENO EXPANDIDO (EPS) 53
14 MODIFICACIÓN DEL ASFALTO 54
14.1 MEZCLA ASFALTO – CAUCHO - AZUFRE 54
14.2 RESULTADOS OBTENIDOS 55
14.3 ENSAYO ESTABILIDAD AL ALMACENAMIENTO 60
14.4 MEZCLA ASFALTO – POLIESTIRENO EXPANDIDO (EPS) 61
14.5 RESULTADOS OBTENIDOS 62
14.6 POSIBLES CAUSAS DE LA NO INTERACCIÓN ASFALTO POLÍMERO 64
14.6.1 TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS 64
14.6.2 VISCOSIDAD 64
14.6.3 TIEMPO DE MEZCLADO 65
14.6.4 NATURALEZA DE LOS MATERIALES 65
15 CONCLUSIONES 66
16 RECOMENDACIONES 67
17 BIBLIOGRAFÍA 68
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Cronología del asfalto. (e-asfaltos, 2006) ............................................................ 25
Tabla 2 Especificaciones de cementos asfalticos modificados con polímeros. (Instituto
Nacional de Vias, 2005) ................................................................................................... 39
Tabla 3 Diseño de experimentos ..................................................................................... 49
Tabla 4 Ficha técnica del caucho. (Mundo Limpio S.A., 2008) ......................................... 51
Tabla 5 Resultados obtenidos mezcla asfalto - caucho - azufre ....................................... 56
Tabla 6 Especificaciones asfaltos modificados con polvo de llanta. (ASTM D-6114-97) .. 57
Tabla 7 Resultado ensayo estabilidad de almacenamiento .............................................. 60
Tabla 8 Resultados obtenidos mezcla asfalto - EPS ........................................................ 62
LISTA DE FIGURAS
Figura 1Estructura pavimento. (Sánchez González, 2005) .............................................. 17
Figura 2 Comportamiento del asfalto a temperaturas superiores a 60ºC. Fuente:
Elaboración Propia .......................................................................................................... 19
Figura 3 Comportamiento del asfalto a temperaturas inferiores a 10ºC.(Sánchez González,
2005) ............................................................................................................................... 19
Figura 4 Compatibilidad asfalto - polímero.(Garzon, Introducción a la quimica del asfalto,
2004) ............................................................................................................................... 34
Figura 5 Comportamiento asfalto convencional vs asfalto modificado. (Garzon,
Introducción a la reología de los asfaltos modificados, 2004) .......................................... 35
Figura 6 Montaje aparato anillo y bola. (Instituto Nacional de Vias, 2005) ....................... 41
Figura 7. Vaciado de los anillos laboratorio Conasfaltos. Fuente: Elaboración propia. ..... 42
Figura 8. Anillos con asfalto laboratorio de pavimentos Escuela de Ingeniería de Antioquia.
Fuente: Elaboración Propia. ............................................................................................ 42
Figura 9 Realización ensayo punto de ablandamiento laboratorioConasfaltos. Fuente:
Elaboración Propia. ......................................................................................................... 43
Figura 10 Finalización ensayo punto de ablandamiento laboratorio pavimentos Escuela de
Ingeniería de Antioquia. Fuente: Elaboración Propia ....................................................... 43
Figura 11 Anillos después de realizado el punto de ablandamiento laboratorio de
pavimentos Escuela de Ingeniería de Antioquia. Fuente: Elaboración Propia .................. 44
Figura 12 Moldes penetración laboratorio de pavimentos Escuela de Ingeniería de
Antioquia. Fuente: Elaboración Propia. ............................................................................ 45
Figura 13 Ensayo de penetración laboratorio de pavimentos Escuela de Ingeniería de
Antioquia. Fuente: Elaboración Propia. ............................................................................ 46
Figura 14. Aparato ensayo estabilidad de almacenamiento. (Instituto Nacional de Vías,
2005) ............................................................................................................................... 47
Figura 15 Curva granulométrica del caucho vulcanizado granulado ................................ 52
Figura 16 Caucho vulcanizado granulado pasa malla 30, laboratorio de pavimentos
Escuela de Ingeniería de Antioquia. Fuente: Elaboración Propia ..................................... 52
Figura 17Poliestireno pasa malla 30, laboratorio de pavimentos Escuela de Ingeniería de
Antioquia. Fuente: Elaboración Propia. ............................................................................ 53
Figura 18 Mezclado del asfalto - caucho – azufre. Laboratorio de pavimentos Escuela de
Ingeniería de Antioquia. Fuente: Elaboración Propia. ...................................................... 54
Figura 19Espécimen para prueba de penetración asfalto - caucho– azufre. Laboratorio de
pavimentos Escuela de Ingeniería de Antioquia. Fuente: Elaboración Propia. ................. 55
Figura 20Espécimen para prueba de punto de ablandamiento aparato anillo y bola asfalto
- caucho – azufre. Laboratorio de pavimentos Escuela de Ingeniería de Antioquia. Fuente:
ElaboraciónPropia. .......................................................................................................... 55
Figura 21 asfalto con 2% de azufre y 25% caucho (150ºC)Fuente: Elaboración Propia. 58
Figura 22 asfalto con 2% de azufre y 25% caucho (180ºC)Fuente: Elaboración Propia. . 58
Figura 23 asfalto con 1,5% de azufre y 15% caucho (150ºC)Fuente: Elaboración Propia.
........................................................................................................................................ 58
Figura 24 asfalto con 1,5% de azufre y 15% caucho (180ºC)Fuente: Elaboración Propia.
........................................................................................................................................ 59
Figura 25asfalto con 1,5% de azufre y 20% caucho (150ºC)Fuente: Elaboración Propia. 59
Figura 26asfalto con 1,5% de azufre y 20% caucho (180ºC)Fuente: Elaboración Propia. 59
Figura 27 Mezclado asfalto – EPS laboratorio de pavimentos Escuela de Ingeniería de
Antioquia. Fuente: Elaboración Propia. ............................................................................ 61
Figura 28 Especímenes penetración y punto de ablandamiento asfalto – EPS. Laboratorio
de pavimentos Escuela de Ingeniería de Antioquia. Fuente:Elaboración Propia .............. 62
Figura 29Trozos de EPS encontrados en la mezcla. Laboratorio de pavimentos Escuela
de Ingeniería de Antioquia. Fuente: Elaboración Propia. ................................................ 63
Figura 30 Trozo de EPS encontrado en la mezcla.Laboratorio de pavimentos Escuela de
Ingeniería de Antioquia. Fuente: Elaboración Propia ....................................................... 63
Figura 31 Mezcla con trozos de EPS.Laboratorio de pavimentos Escuela de Ingeniería de
Antioquia. Fuente: Elaboración Propia ............................................................................. 64
LISTA DE ANEXOS
RESUMEN
En el área de pavimentos, Colombia se encuentra en estado crítico debido a que la
mayoría de su estructura vial no posee las características necesarias para enfrentar las
condiciones exigidas por el desarrollo creciente de la economía del país, la carencia de
estas características se observa en un deterioro prolongado del pavimento de las vías del
país, generalmente debido a los altos costos en los que se incurre al utilizar nuevas
tecnologías en el diseño y construcción de los pavimentos.
A raíz de esta problemática surge la idea de utilizar aditivos con polímeros reciclados
como modificadores del asfalto, incentivando la conciencia de pensamiento verde utilizada
actualmente en muchos países y buscando un mejor desempeño del pavimento.
Gracias a investigaciones realizadas en varios países del mundo, entre ellos Brasil
(América Latina) y Estados Unidos (América del norte), la incorporación de residuo de
caucho (llanta) al asfalto ha sido reglamentado por las normas ASTM (American Society
for Testing and Materials), siendo aprobado como un modificador del asfalto.
En el presente trabajo se encontró la manera de adicionar este residuo a la matriz
asfáltica proveniente del petróleo destilado y tratado en las refinerías de Ecopetrol
(Colombia), obteniendo resultados favorables acordes con la norma internacional ASTM
D-6114-97.
Además se buscó la incorporación de poliestireno expandido, proveniente del reciclado
de los paneles divisorios estructurales de la empresa Durapanel, observándose que con
las condiciones evaluadas en el presente trabajo no es posible la correcta modificación de
asfalto con poliestireno expandido.
ABSTRACT
In the area of pavements, Colombia is in critical condition because most of its road
infrastructure does not have the features necessary to meet the conditions required by the
development of the country's economy, the absence of these features is observed in a
prolonged deterioration of the pavement of the country's roads. This condition usually is
because the high costs to use new technologies in the design and construction of
pavements.
Because of this problem arises the idea of using recycled polymer additives as modifiers of
asphalt, stimulating the conscience of green thinking now used in many countries and
looking for a better performance of the pavement.
Thanks to research conducted in several countries, as Brazil (Latin America) and USA
(North American), the incorporation of waste rubber (tires) to the asphalt has been
regulated by the ASTM (American Society for Testing and materials), this being approved
as an asphalt modifier.
In this paper was found a way to add waste rubber to the asphalt obtained from the
petroleum distillate in the refineries of Ecopetrol (Colombia), obtaining favorable results
agree with international standard ASTM D-6114-97.
It also performed the inclusion of expanded polystyrene, obtained from the recycling of the
structural wall panels (Durapanel), but the conditions evaluated in this paper do allow the
correct modification of asphalt with expanded polystyrene.
INTRODUCCIÓN
En la actualidad el tema de la contaminación ambiental causa gran preocupación debido
al aumento significativo de está, ocasionado en gran medida por la generación de
residuos sólidos urbanos, ya que al realizar un producto y ponerlo al consumo humano
este producto terminará siendo un residuo del cual se requiere una adecuada disposición.
El desarrollo económico debe estar íntimamente ligado a la sostenibilidad, y ésta, a la
reutilización de materiales que ahora son vistos como desperdicio.
En Colombia se generan 10 millones de toneladas de basura por año, de estos 10
millones el 65% son residuos orgánicos (abono), el 35% restante puede ser reutilizado
(reciclado), dentro este 35% se encuentran residuos como Plásticos (14%), Caucho (1%),
papel (5%), metal (1%) entre otros1. Actualmente la basura generada se arroja en rellenos
sanitarios, botaderos a cielo abierto, ríos, humedales y algunas fuentes de agua o son
incinerados; causando un grave daño ambiental ya que muchos de los residuos
generados por las industrias y los hogares se demoran más de 50 años en ser
descompuestos si son depositados en botaderos o rellenos sanitarios; contaminan las
fuentes de agua si son arrojados en estas, o contaminan la atmosfera al ser incinerados
ya que en muchas ocasiones algunos residuos pueden generar gases tóxicos.
En el presente trabajo se busca reutilizar desechos generados por empresas y hogares,
tales como el icopor y el caucho de llanta; incorporándolos al asfalto ya que según
investigaciones anteriores se observa una mejoría en sus propiedades mecánicas,
además de contribuir a la reutilización de los desechos.
1(Alcaldía mayor de Bogota, 2009)
1 PRELIMINARES
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Haciendo frente a la problemática observada en la actualidad de cuidar y preservar el
medio ambiente, es necesario encontrar una adecuada disposición de los residuos sólidos
generados por empresas productoras de automóviles y constructoras civiles.
Ante esta problemática nacen cantidad de investigaciones sobre la reutilización de estos
desechos de una manera efectiva, muchas de estas con aplicaciones civiles.
Se inició buscando una reutilización para los desechos poliméricos, ya que estos alcanzan
un tiempo de descomposición de hasta 450 años2, por lo tanto su vertimiento en
basureros se vuelve cada día más complicado además representan el 7% del total de los
residuos sólidos urbanos, un 3 - 4% corresponde a residuos de caucho reticulado (llanta),
y un 0,1% corresponde a EPS (poliestireno expandido)3.
Las aplicaciones civiles para este tipo de residuos son diversas, desde la estabilización de
suelos, pasando por modificación de concreto hasta llegar a su utilización en pavimentos
ya sea como modificador del pavimento (base, subbase) o como modificadores del asfalto
(materia prima - ligante).
La incorporación de polímeros a pavimentos asfálticos se utiliza en varios países del
mundo presentando resultados satisfactorios; se utilizan modificadores como el SBS
(Estireno butadieno estireno), SBR (Estireno, butadieno, hule), además de implementar
otro tipo de mejoradores como: látex naturales o sintéticos, cal, azufre, fibras y escorias
de fundición, entre otros.
Actualmente es numerosa la cantidad en el mercado de modificadores poliméricos para el
asfalto, variando su penetración, su punto de ablandamiento entre otras propiedades
mecánicas que se buscan mejorar.
2(Universidad Autónoma de Zacatecas "Francisco García Salinas")
3(Sociedad Nacional Poliestireno Expandido (ANAPE), 1970)
1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
En Colombia se desechan actualmente 158 mil toneladas de llantas, que habitualmente
no poseen una buena disposición siendo arrojadas en desechos sanitarios, incineradas
ilegalmente o arrojadas a ríos y quebradas. La llanta tiene un periodo de degradación de
800 años, es un material eco –tóxico y altamente inflamable, además de que ocupa
grandes espacios en la zona a depositar.4
El EPS (poliestireno expandido) es utilizado a gran escala en la industria de la
construcción y el embalaje, teniendo un ciclo de vida corto y de gran impacto para el
medio ambiente a la hora de su disposición, ya que generalmente se realiza en rellenos
sanitarios, o es incinerado ilegalmente.
Este tiene un tiempo de degradación de 100 años y se utiliza en gran cantidad de
productos del mercado la mayoría desechables, observando la gran cantidad que se
desecha de este producto y sumando su tiempo de degradación, nos encontramos con
una cantidad significativa de este residuo en los rellenos sanitarios que generan gran
contaminación para el medio ambiente y cada día va en aumento.5
Por otro lado, cabe resaltar que la situación actual de las vías de Colombia se encuentra
en estado crítico, ya que se ven cada vez más exigidas debido a el desarrollo del país y
su aumento progresivo y acelerado del parque automotor. Aún se sigue utilizando el
asfalto tradicional, principalmente debido a los altos costos de implementar nuevas
tecnologías, o la adición de polímeros6.
La implementación de residuos de elastómeros de alta reticulación (llanta) a los
pavimentos ha sido estudiada en varios países del mundo como Estados unidos,
Inglaterra, Brasil, México, Venezuela entre otros. Esta modificación logra una duración de
casi dos veces la del asfalto tradicional7.
En efecto el presente trabajo de grado busca realizar mezclas de asfalto con desechos
como el poliestireno expandido (EPS) y elastómeros de alta reticulación (llantas)
elaborando probetas que se caracterizarán mediante la normatividad técnica vigente para
medir el desempeño de estos contra asfaltos convencionales, logrando una reducción
importante del impacto ambiental de estos dos residuos y al mismo tiempo mejorar la
calidad del asfalto tradicional.
4(Mundo Limpio S.A., 2008)
5(Universidad Autónoma de Zacatecas "Francisco García Salinas")
6(Alvarez, 2010)
7(Universidad Autónoma Metropolitana)
1.3 OBJETIVOS DEL PROYECTO
1.3.1 Objetivo general
Comparar las propiedades mecánicas del asfalto modificado con polímeros reciclados
(caucho e icopor) con las del asfalto tradicional.
1.3.2 Objetivos específicos
1) Elaborar diferentes mezclas de asfalto con la adición de residuos de polímeros termoplásticos (poliestireno expandido) y elastómeros de alta reticulación (llanta).
2) Identificar las propiedades mecánicas de las diferentes mezclas mediante ensayos de laboratorio.
3) Comparar el desempeño de las mezclas con aditivos poliméricos contra el concreto asfáltico convencional.
4) Verificar la posibilidad de almacenamiento de la mezcla obtenida.
1.4 MARCO DE REFERENCIA
Los pavimentos son físicamente un sistema multicapa, constituido por materiales cuyas
características mecánicas son conocidas así como el espesor de cada capa.8
Las capas sirven para disipar las cargas recibidas por el tránsito y lograr que el suelo
reciba cargas más pequeñas, debido a esto las capas superiores poseen mayor
capacidad portante que las inferiores.
Existen dos tipos principales de pavimentos, que son: Los pavimentos rígidos y los
pavimentos flexibles.
El pavimento está compuesto por: subrasante, subbase, base, riego de liga y carpeta de
rodadura (carpeta asfáltica o concreto hidráulico). En la Figura 1, se puede observar la
estructura de un pavimento.
8(Sánchez González, 2005)
Figura 1Estructura pavimento. (Sánchez González, 2005)
Dentro de un pavimento cada capa cumple una función específica, que se describirá a
continuación:
La base absorbe gran parte de los esfuerzos verticales, debe resistir grandes cargas y
sufrir poca deformación frente a estas, en ocasiones suele estabilizarse con asfaltos o
cemento para poder cumplir estas características.
La subbase, depende de la capacidad portante del terreno, si el terreno tiene buena
resistencia se puede omitir, sirve de apoyo a la base.
La subrasante, es la capa de apoyo de la estructura, a partir de los parámetros de
resistencia y deformabilidad de esta se diseñan las otras capas.
La capa de rodadura es la que recibe directamente las solicitaciones del tránsito absorbe
esfuerzos tanto horizontales como verticales, además de esto debe ser impermeable ya
que debe evitar el paso del agua hacia las capas inferiores.
Esta capa en el caso de un pavimento flexible es la carpeta asfáltica, que está compuesta
por dos elementos, que son:
El agregado mineral, que actúa como un esqueleto pétreo aportando rigidez y resistencia
a la mezcla.
El asfalto, que se define de acuerdo con las características de la vía, tales como: flujo
vehicular, temperatura y tipos de vehículos. Además, sirve para juntar las partículas
formando una masa cohesiva, impermeable y resistente.
La capa de rodadura es en sí, una mezcla entre los agregados minerales y el asfalto
(aglutinante), el comportamiento mecánico de esta depende de las propiedades que
tengan individualmente y de la interacción entre estos.
Existen diferentes tipos de mezclas, según el uso de la vía, en la actualidad debido a las
altas exigencias viales, en cuanto a carga y transito se han venido implementando
mezclas con mayor capacidad, tales como las mezclas de alto modulo, drenantes,
mezclas con macro y microtextura y discontinuas, el uso de estas mezclas requiere de
asfalto modificado. (Seminario de nuevas tecnologias en pavimentos, 2011)
La utilización de concretos asfálticos modificados en pavimentos ha venido tomando
fuerza en la última década en países como Estados Unidos, algunos pertenecientes a la
unión Europea y algunos de América Latina.
Los asfaltos modificados son aquellos que adquieren un mejoramiento en sus
propiedades mecánicas adicionando aditivos poliméricos, fibras o cualquier material que
ayude a mejorar estas características.
La modificación de la carpeta asfáltica se puede realizar de dos formas: adicionando
pequeñas partículas de polímero al asfalto en reemplazo del agregado mineral o
modificando la matriz asfáltica como tal.
En los dos casos lo que se busca es mejorar la relación viscosidad-temperatura,
permitiendo un mejor comportamiento del asfalto tanto a altas como a bajas temperaturas,
el comportamiento del asfalto a diferentes temperaturas depende de su origen, aunque en
forma práctica el intervalo de temperaturas donde adquiere un mejor comportamiento el
asfalto es entre 10ºC y 60 ºC, a temperaturas mayores de 60ºC, el asfalto se ablanda
adquiriendo un comportamiento plástico, a temperaturas inferiores a 10ºC el asfalto se
endurece mostrando un comportamiento rígido y frágil.
En la Figura 2se puede observar el comportamiento del asfalto a temperaturas superiores
a 60ºC, mientras que en la Figura 3se puede observar el comportamiento del asfalto a
temperaturas inferiores a 10ºC
Figura 2 Comportamiento del asfalto a temperaturas superiores a 60ºC. Fuente: Elaboración
Propia
Figura 3 Comportamiento del asfalto a temperaturas inferiores a 10ºC.(Sánchez González,
2005)
En el mercado se pueden encontrar gran cantidad de aditivos modificadores del asfalto, la
gran mayoría de naturaleza polimérica, que buscan mejorar características como la
temperatura de efectividad del asfalto, la dureza, la durabilidad entre otras.
Existen varios modificadores poliméricos aprobados por las normas ASTMD (American
SocietyforTestingMaterials) y son:
Tipo I: Polímeros elastómeros a base de estireno, usados principalmente en carpetas
delgadas, pavimentos con tránsito pesado y cualquier tipo de clima, ya que se busca
mejorar el comportamiento de las mezclas a altas y bajas temperaturas.(Sánchez
González, 2005)
Tipo II: Polímeros elastoméricos con una configuración de caucho de estireno, butadieno
látex o neopreno látex, mejoran el comportamiento del asfalto a bajas temperaturas. Se
usa para el mejoramiento del asfalto en climas fríos.(Sánchez González, 2005)
Tipo III: Polímero tipo plastómero, mejora el comportamiento del asfalto a altas
temperaturas, sirve para mejorar el ahuellamiento a altas temperaturas. Se usa para el
mejoramiento de asfalto en climas calientes.(Sánchez González, 2005)
Hule molido de neumáticos: Es fabricado con el procesamiento (molienda) de neumáticos,
mejora la flexibilidad y resistencia a la tensión del asfalto, reduciendo la aparición de
grietas por fatiga o cambios de temperatura. Se usa en carpetas delgadas a cualquier
temperatura.(Sánchez González, 2005)
El uso de polímeros reciclados en la carpeta asfáltica se incorporó en la norma ASTM
(American SocietyforTestingMaterials), con el uso del hule molido, aunque aún no se han
implementado otro tipo de polímeros reciclados como el poliestireno expandido (residuos
de icopor), el polietilentereftalato (PET-residuos de botellas plásticas) entre otros. Se sabe
que los residuos de estos polímeros podrían representar mejoras en las propiedades
mecánicas del asfalto, como la permeabilidad, la resistencia a las deformaciones por
temperatura, el aumento en la fricción neumático – pavimento entre otras.
Además de mejorar sus propiedades mecánicas estas adiciones proporcionan al asfalto la
capacidad de disipar energía, debido a la organización interna de los polímeros, ya que
están formados por largas cadenas que al estirarse poseen la capacidad de liberar mucha
energía.9
En países como México y Brasil el uso de elastómeros reticulados vulcanizados (hule
molido de llanta)10, se ha desarrollado en los últimos años, dándole al pavimento la
capacidad de comportarse como un material más elástico soportando así mayores
deformaciones sin salir de su límite elástico y volviendo a su estado natural sin haber
sufrido deformaciones permanentes, no solo está la ventaja de su aumento en la
elasticidad sino en la reutilización de un material de los más contaminantes a nivel
mundial y del cual su reciclaje en otros productos no es muy aprovechado.
En el desarrollo de la investigación con pavimentos, se debe tener en cuenta que se rigen
por unos parámetros ya establecidos por el Instituto Nacional de Vías (INVIAS)o el
American SocietyforTestingMaterials (ASTM), en los cuales se reglamenta los parámetros
que deben cumplir las mezclas modificadas con polímeros, para poder ser aprobada su
respectiva aplicación.
Para el desarrollo de la mezcla con polímeros es esencial la selección correcta del asfalto
base, ya que tanto el asfalto como el polímero deben ser compatibles, el tipo de polímero,
9(Askeland, 1998)
10(ABC (Administradora Boliviana de Carreteras), 2010)
la dosificación y su elaboración están regidos por las propiedades que se quieren mejorar
dependiendo de la vía a aplicar, adicionalmente hay que tener en cuenta las condiciones
físicas a la hora de diseñar la mezcla, ya que tanto la temperatura como la humedad
podrían afectar a tiempo futuro el correcto funcionamiento del pavimento.
El proyecto del uso de polímeros reciclados está enfocado al mejoramiento de las
propiedades mecánicas del pavimento y la reutilización de desechos no biodegradables
como lo son el EPS (poliestireno expandido) más comúnmente conocido como icopor muy
utilizado en la industria, y el hule molido de llanta ambos productos de difícil reciclado y
que se encuentran en grandes cantidades en los depósitos de basura, buscando así
generar un impacto ambiental favorable y en mejoramiento en las propiedades mecánicas
de las carreteras Colombianas.
2 METODOLOGÍA DEL PROYECTO
El presente trabajo de grado busca analizar variables cuantitativas en una investigación
de tipo exploratorio experimental, donde mediante investigaciones bibliográficas
anteriores se diseñen mezclas teniendo en cuenta los avances reportados.
Para alcanzar los objetivos propuestos en el proyecto se dispone de tres etapas las
cuales deben seguirse en orden para un adecuado desarrollo de la investigación.
Etapa 1
Consulta Bibliográfica
Diseño de experimentos indicando la cantidad de ensayos a realizar.
Ensayos de caracterización del asfalto a utilizar.
Diseño de asfalto con azufre y hule a diferentes temperaturas.
Elaboración de ensayos de laboratorio para sacar el porcentaje óptimo de azufre y
hule.
Recolección y análisis de datos.
Etapa 2
Diseño de asfalto con EPS.
Elaboración de ensayos de laboratorio para sacar el porcentaje óptimo de EPS.
Recolección y análisis de datos.
Etapa 3
Realizar el ensayo de estabilidad de almacenamiento a las mezclas óptimas con
hule y EPS.
Recolección y análisis de resultados.
3 ASFALTO
El asfalto se puede encontrar de dos formas, en estado natural o producto de la
destilación del petróleo (actualmente el más utilizado en la industria).
Los asfaltos naturales también son producidos a partir del petróleo, debido a un proceso
de evaporación de las fracciones volátiles, dejando las fracciones asfálticas, se pueden
encontrar en escurrimientos superficiales o en fosas terrestres, originando lagos de asfalto
como los de las islas trinidad y bermudas, aunque también se pueden encontrar en
algunas rocas, denominadas rocas asfálticas como la gilsonita.11
Los asfaltos derivados del petróleo son los más utilizados en el mundo, debido a su
pureza y economía en relación con los asfaltos naturales.
Se obtienen por medio del proceso de destilación del crudo, donde se separan las
fracciones livianas (nafta y kerosén) de la base asfáltica mediante vaporización,
fraccionamiento y condensación de las mismas.
La mayoría de los petróleos del mundo tienen algún contenido de asfalto, por lo tanto
resulta aplicable su extracción del petróleo, además posee una gran ventaja adicional ya
que se refina hasta una condición uniforme, libre de materias orgánicas y minerales
extraños.
El asfalto es considerado como un material termoplástico, está constituido en su
estructura química por complejas cadenas de hidrocarburos, en las cuales se pueden
diferenciar dos fracciones: una fracción pesada denominada asfáltenos y una ligera
denominada máltenos. Esta fracción malténica a su vez se puede subdividir en tres
fracciones principales: parafinas, resinas y aceites aromáticos.
Los componentes del asfalto interactúan entre sí formando un fluido de comportamiento
viscoelástico, este comportamiento depende principalmente de su composición química y
está su vez depende de la fuente y el proceso de refinación.
El asfalto no es considerado un material isotrópico ya que en realidad consta de dos
fases, suspendidas entre sí, es decir la fase asfalténica suspendida en la fase malténica
(fase aceitosa).
Este material es muy susceptible a los cambios de temperatura, comportándose como un
material frágil y quebradizo a bajas temperaturas y como un material fluido viscoso a altas
temperaturas.12
11
(Moubayed, 2008) 12
(Rodríguez Talavera, Castaño Meneses, Martínez Madrid, & Hernández Padrón, 2001)
Por sus propiedades de adhesividad, consistencia, impermeabilidad y durabilidad es de
gran utilidad en la industria de la construcción, como en carpetas asfálticas, riego de liga,
riegos de impregnación, adhesivos sellantes, impermeabilizante para cubiertas entre
otros.
3.1 USOS DEL ASFALTO EN COLOMBIA
En Colombia su principal uso es el de la pavimentación, más de 11.500 kilómetros de
carreteras nacionales y de 2.000 kilómetros de vías urbanas (2004) están realizadas con
pavimento asfaltico, proveniente de las refinerías de Barrancabermeja y Apiay, ambas
propiedad de Ecopetrol.13
13
(Ecopetrol, 2004)
3.2 HISTORIA DEL ASFALTO
En la Tabla 1 se presenta el uso dado al asfalto a través de los años, como pasa de ser
un impermeabilizante a su uso en la pavimentación de carreteras.
Tabla 1 Cronología del asfalto. (e-asfaltos, 2006)
Fecha Descripción
3200 A.C. Los sumerios y habitantes de algunas regiones de Mesopotamia utilizaron
un mastic de asfalto compuesto por betún, finos minerales y paja para la
construcción, la pega de ladrillos interiores, la realización de pavimentos
interiores, tratamientos superficiales externos de protección o como
impermeabilizante para baños.
Siglo XVI Cristóbal colon encontró en la isla trinidad yacimientos de betún asfaltico,
con este se elaboró el “mastic de asfalto” aplicado al revestimiento de
caminos y senderos
1824 La firma Pillot et Evquem inicio la fabricación de adoquines de asfalto,
utilizados en la pavimentación de la plaza de concordia y los campos
elíseos en Paris.
1852 Se utilizó para la construcción de la carretera Paris – Perpiñan, siendo
este el comienzo de una nueva forma de construcción vial.
1869 Se introduce la utilización de asfalto en la construcción de carreteras en
Londres.
1870 Se introduce la utilización de asfalto en la construcción de carreteras en
Estados Unidos.
1870 Se implanta el asfalto como un material apto para uso vial
1876 Se realiza el primer pavimento tipo “ShettAsphalt “en Washington D.C. con
asfalto natural importado.
1900 Aparece por primera vez la mezcla asfáltica en caliente. Se utilizó en “la
rue du lovre” y en la avenida victoria en Paris. Utilizando asfalto natural.
1902 Se inicia la utilización del asfalto derivado del petróleo en Estados Unidos.
Actualidad Se utilizan principalmente el asfalto derivado del petróleo, por economía y
por pureza. Ya que el natural contiene muchos minerales que requieren de
la implementación de varios procesos para su separación generando altos
costos.
4 POLÍMEROS
Los polímeros se pueden encontrar de dos formas: En estado natural y artificial.
Entre los naturales se pueden encontrar polímeros como el algodón, la seda, la lana, el
hule, el almidón entre otros.14
Sin embargo, los polímeros más comunes y los usados a diario son aquellos que
provienen de un proceso de polimerización (sintéticos).
Los polímeros son sustancias de alto peso molecular, formados por pequeñas moléculas
denominadas monómeros, estos tienen diferentes formas de unirse como: cadenas
unidas o termo fijas, cadenas largas y sueltas, cadenas en forma de escalera entre otras.
Estas diferentes formas de unión entre los monómeros le dan ciertas propiedades al
polímero, es decir una cadena termo fija o unida, al estar en presencia de calor no se
ablanda.15
En el presente trabajo se utilizaran dos tipos de polímeros: El poliestireno expandido
(EPS), en Colombia más conocido como icopor y el hule (residuo de llanta)
4.1 EL POLIESTIRENO EXPANDIDO (EPS -EXPANDED POLYSTYRENE)
El poliestireno expandido proviene de un proceso de expansión del poliestireno, se define
técnicamente como “Un material plástico celular rígido, fabricado a partir del moldeo de
perlas preexpandidas de poliestireno expandible, que presenta una estructura celular
cerrada y rellena de aire”16.
En los países hispanohablantes se conoces por diferentes nombres, en algunas
ocasiones derivados del ente que lo produce. En Colombia es conocido como icopor, por
su fabricante, Industria Colombiana de Porosos.
Remontando un poco al origen del poliestireno, este fue sintetizado por primera vez en la
industria en 1930, en la década de los 50 la empresa BASF, desarrollo e inicio la
producción de un producto conocido como Styropor17.
14
(Educar-Chile, 2007) 15
(Maxil Coyopotl & Salinas Hernández, 2006) 16
(Textos científicos, 2005) 17
(Textos científicos, 2005)
4.1.1 Propiedades
Los artículos realizados con poliestireno expandido presentan las siguientes propiedades
Son livianos y resistentes al impacto.
Presentan una excelente capacidad de aislamiento térmico.
No son buenos absorbentes de agua.
Bajo la acción prolongada de los rayos UV (ultravioleta), la superficie del artículo
se puede tornar amarillenta y frágil, volviéndola susceptible a la erosión del agua u
otros agentes.
4.1.2 Usos y aplicaciones
Las aplicaciones del poliestireno expandido son principalmente las relacionadas con el
aislamiento térmico y la resistencia mecánica.18
Sus usos se manejan principalmente en la industria de la construcción, el empaque de
alimentos y el embalaje.
Debido a sus características higiénicas e inertes es de gran utilidad en el empaque de
alimentos ya que no genera un medio propicio para la formación de bacterias.
Gracias a sus características mecánicas (gran resistencia) y su bajo peso, se convierte en
un elemento de gran utilidad en la industria de los embalajes, ya que por su bajo peso
reduce los costos de envió y su capacidad de absorber la energía producida por golpes y
vibraciones ayuda a la protección del objeto a enviar.
También sus propiedades de aislamiento térmico y acústico le permiten ser un elemento
de gran utilidad en la construcción, ya que puede generar un alto ahorro energético a la
hora de construir en países de clima templado o tropical.
Además su bajo peso también resulta tentativo en la construcción para su utilización como
aligerante de losas de edificios y aligerante para concretos19.
4.2 CAUCHO (HULE)
Existen dos tipos de caucho, el caucho natural y el sintético.
El caucho naturales derivado de un fluido llamado látex, proveniente de gran cantidad de
árboles presentes en las regiones tropicales.
18
(Textos científicos, 2005) 19
(Textos científicos, 2005)
El caucho sintético es el proveniente del procesamiento de hidrocarburos. El más utilizado
a nivel mundial, es el estireno butadieno (SBR (Styrene-ButadieneRubber)), este es
considerado como un copolímero.20
4.2.1 Propiedades
Los artículos realizados con Caucho SBR (Styrene-ButadieneRubber), presentan las
siguientes propiedades:
Tienen alta resistencia al agrietamiento por fatiga.
Bajas resistencia a la ruptura.
Posee alta resistencia al ozono, envejecimiento por oxidación, por esto se
considera un material apto para estar a la intemperie.
Repelente al agua
Aislante eléctrico
Presenta resistencia ante ácidos y sustancias alcalinas.
Goza de una buena resistencia al desgaste, especialmente a aquel que responda
principalmente a mecanismos de fatiga por rozamiento.21
4.3 USOS Y APLICACIONES
El caucho es principalmente utilizado en la fabricación de llantas, neumáticos, artículos
impermeables y aislantes.
20
(Textos científicos, 2005) 21
(Textos científicos, 2005)
5 POLÍMEROS Y RECICLAJE
En Colombia actualmente se generan 10 millones de toneladas de basura por año, de
estos 10 millones el 65% corresponde a residuos orgánicos (abono), el 35% restante
puede ser reutilizado (reciclado), dentro este 35% se encuentran residuos como polímeros
(14%), Caucho (1%), papel (5%), metal (1%) entre otros22.
De estospolímerosse reutilizan solo el 6,44%, el resto es arrojado a rellenos sanitarios,
botaderos a cielo abierto o incinerados causando un grave daño ambiental. A demás de
su disposición que causa un grave daño ambiental, al producir polímeros se aprovecha el
petróleo, que es un recurso natural no renovable, utilizando cerca del 4% del total del
petróleo mundial.23
El 6,44% que se recicla, se realiza de dos formas, por medio del reciclaje mecánico o el
reciclaje químico, aunque algunas empresas realizan incineración para usarlos como
recurso energético, esta forma de reciclaje no es amigable con el ambiente ya que esta
incineración genera gases muy tóxicos como CO, CO2, acetaldehído, benzoato de vinilo y
ácido benzoico24.
5.1 RECICLAJE MECÁNICO
El reciclaje mecánico es un proceso físico, por el cual el plástico es recuperado
permitiendo su reutilización, el plástico que se recicla mecánicamente proviene de dos
fuentes:
Los plásticos provenientes del proceso de fabricación, denominados scraps, estos
residuos presentan una mayor facilidad a la hora de reciclarlos ya que están limpios y son
homogéneos.
Los plásticos provenientes de los residuos sólidos urbanos, su reciclaje es un poco más
complejo ya que estos se pueden encontrar en combinación con otros plásticos y además
sucios.
Del reciclaje mecánico pueden surgir dos productos:
1) Un producto cuyas propiedades físicas y químicas sean idénticas a las del material
original, se realiza principalmente con termoplásticos como PET (Polietileno
22
(Alcaldía mayor de Bogota, 2009) 23
(Compromiso empresarial para el reciclaje (CEMPRE), 2003) 24
(Compromiso empresarial para el reciclaje (CEMPRE), 2003)
Tereftalato), PEAD (Polietileno de alta densidad), PEBD(Polietileno de baja
densidad), PP(Polipropileno), PVC(Cloruro de vinilo) y PS(Poliestireno), en este
proceso se separan los polímeros, luego se muelen formando gránulos, después se
limpian y por último se funden y se extruyen.
2) Un producto cuyas propiedades físicas y químicas son inferiores a las del material
original, se realiza a plásticos termoestables o contaminados, en este proceso no se
separan y se limpian los plásticos se funden y se extruyen.
5.2 RECICLAJE QUÍMICO
El reciclaje químico surgió con la idea de optimizar el proceso de reciclado, en ocasiones
sin tener la necesidad de separar los plásticos o de limpiarlos, obteniendo un producto de
muy buena calidad.
Se realizan diferentes procesos químicos, pero el objetivo principal de todos es lograr que
las moléculas de los polímeros se rompan dando origen a la materia prima básica.
Los principales procesos químicos existentes son:
1) Pirolisis, es el rompimiento de las moléculas por calentamiento al vacio, genera
hidrocarburos líquidos o sólidos para su posterior procesamiento en refinerías.
2) Hidrogenación, es el rompimiento de las cadenas poliméricas con hidrogeno y
calor, genera petróleo sintético para su uso en refinerías o plantas químicas.
3) Gasificación, Calentamiento de los plásticos con aire uoxígeno, produciendo
monóxido de carbono e hidrogeno, para su uso en la producción de metanol o
amoniaco.
4) Quimiólisis, se aplica solo a poliésteres, poliuretanos, poliacetales y poliamidas, se
aplican procesos como hidrólisis, glicolisis o alcoholisis para transformarlos
nuevamente en sus monómeros bases y su uso en la realización de nuevos
plásticos.
5) Metanólisis, se aplica a PET (PolietilenTeleftalato), al aplicarle metanol a este
polímero se descompone a sus moléculas básicas, para su posterior uso en la
fabricación de resina virgen.25
25
(Compromiso empresarial para el reciclaje (CEMPRE), 2003)
6 RECICLAJE DEL POLIESTIRENO EXPANDIDO (EPS)
Del 14% de los residuos poliméricos generados en Colombia, el 0,1 % corresponde al
poliestireno expandido (EPS)26, más conocido como icopor por su empresa fabricante
industria Colombiana de porosos.
Al ser tan poca la cantidad de poliestireno expandido que se desecha, se espera que sea
muy poco el que se encuentra en los rellenos sanitarios y los vertederos, esta es una idea
errónea, ya que en los vertederos se encuentra gran cantidad de poliestireno expandido
debido a su alto tiempo de descomposición (hasta 500 años27) y a su amplio uso en
objetos desechables, además de ser un producto de alto volumen y poco peso.
También se debe tener en cuenta que el poliestireno expandido es uno de los productos
más dañinos con el medio ambiente ya que la polimerización de estireno no es reversible.
A la hora de su disposición muchas empresas optan por triturarlo para no incurrir en altos
costos de transporte, pero al hacer esto están cometiendo un grave error puesto que este
icopor triturado llega a las corrientes de agua dulces o marinas donde los animales suelen
confundirlos con alimento y consumirlo28.
Por las razones anteriormente expuestas anteriormente el reciclaje del poliestireno
expandido es muy importante para la preservación del medio ambiente, actualmente
existen varias formas de reciclaje de este residuo:
Reciclaje mecánico: Consiste en moler el icopor y reutilizarlo de las siguientes formas,
fabricación de productos espumados (otros productos de icopor), en la construcción
implementándolo en la fabricación de ladrillos porosos, aligerantes y hormigón liviano,
reutilizarlo en el proceso de producción de las fabricas; en drenajes, aligeramiento y
estabilización de suelos.
Reciclaje químico: Muchas empresas lo realizan para obtener energía calórica, en este
proceso se realiza una combustión completa, liberando agua, energía y dióxido de
carbono29.
26
(Sociedad Nacional Poliestireno Expandido (ANAPE), 1970) 27
(árboles, jardines, medio ambiente y sociedad, 1997) 28
(árboles, jardines, medio ambiente y sociedad, 1997) 29
(Asociación nacional de poliestireno expandido, 2002)
7 RECICLAJE DEL CAUCHO DE LLANTA
En Colombia se desechan anualmente cinco millones de neumáticos o llantas30, de las
cuales generalmente no se realiza una buena disposición causando graves daños
ambientales.
La mayoría de las llantas desechadas actualmente se arrojan en botaderos a cielo abierto,
convirtiéndose en muchas ocasiones en depósitos de aguas lluvias, permitiendo la
formación de mosquitos como los transmisores del dengue (Aedes albopictus), causando
graves problemas de salubridad en la población.
Además de esto la descomposición de las llantas causa un daño ambiental al suelo, ya
que la concentración de contaminantes como óxido de zinc, óxido de cadmio y óxido de
plomo son absorbidos por el suelo.
Al ser arrojadas a las fuentes de agua, algunas sustancias de las llantas son solubles al
agua causando una contaminación en esta, además de afectar la vida animal presente en
las corrientes de agua.
En algunas ocasiones (ilegalmente) se realiza la quema de llantas a cielo abierto
produciendo emisiones de gases contaminantes, cancerígenos y mutagénicos, tales
como: material particulado, monóxido de carbono (CO), óxidos de azufre, óxidos de
nitrógeno, compuestos orgánicos volátiles (COV’s), hidrocarburos aromáticos policíclicos
(PAH`s), dioxinas, furanos, cloruro de hidrogeno, benceno, policloruros de bifelinos
(PCB`s), además de metales como: arsénico, cadmio, níquel, cinc, mercurio, cromo y
vanadio. Estas emisiones además de ser una gran fuente de contaminación para el medio
ambiente pueden ocasionar graves daños a la salud de los habitantes cercanos al lugar,
estos pueden ser: irritación en piel, ojos y mucosas, depresión del sistema nervioso
central, problemas respiratorios y cáncer31.
Actualmente en Colombia se tienen algunas plantas de procesamiento de llanta, para su
reutilización en la industria como: hule para pasto sintético, hule para impermeabilizantes,
hule para suelas de zapato, hule para asfalto entre otras aplicaciones. En Medellín la más
conocida hasta ahora es Mundo Limpio S.A., es una empresa recicladora de llanta la cual
entrega a sus compradores polvo de llanta o hule molido, es decir mediante ciertos
procesos se extraen las partes metálicas del neumático y se realiza una trituración de este
hasta llegar a un material fino, pasa malla 50 o pasa malla 30.
30
(La Republica, 2010) 31
(Universidad Don Bosco, Departamento de Medio ambiente, 2008)
8 ASFALTOS MODIFICADOS CON POLÍMEROS
Los asfaltos modificados con polímeros elevan la vida útil de un pavimento de dos a tres
veces (según el caso), con un costo adicional de hasta un 25% sobre la mezcla asfáltica.32
“Los asfaltos modificados son producto de la incorporación en el asfalto de un polímero o
de hule molido. Esto se hace con el fin de modificar sus propiedades físicas y reológicas
para disminuir su susceptibilidad a la temperatura, humedad y oxidación e incrementar la
adherencia con el material pétreo. Aumentar la resistencia de las mezclas asfálticas a la
deformación y esfuerzos de tensión repetidos.”(Avellán Cruz, 2007)
La modificación de asfaltos surge en la década de los 60’s en Francia, Italia, Alemania y
Estados Unidos, donde se iniciaron investigaciones para mejorar las propiedades
mecánicas del asfalto y su duración, debido a esto en Francia se construyeron más de
1000 km de carreteras modificadas con polímeros en base seca o látex.
Para garantizar una adecuada realización de la modificación se debe presentar una buena
compatibilidad del asfalto con el modificador, es decir, este debe ser miscible para obtener
una mezcla monofásica. Un polímero es compatible con el asfalto cuando la
heterogeneidad de la mezcla no se puede apreciar visualmente33.
Los asfaltos ricos en fracciones aromáticas y resinas son los más compatibles con los
polímeros ya que son estas fracciones las que permiten la disolución del polímero. Los
asfaltos ricos en asfáltenos y saturados son los menos compatibles, estas propiedades
dependen de la fuente y la refinación del asfalto a utilizar.
En la Figura 4 se puede observar la compatibilidad del asfalto – polímero.
32
(Vásquez Ruiz, 2010) 33
(Avellán Cruz, 2007)
Figura 4 Compatibilidad asfalto - polímero.(Garzon, Introducción a la quimica del asfalto,
2004)
El comportamiento del asfalto depende de tres factores: la temperatura, el envejecimiento
y el tiempo de carga.
A altas temperaturas y bajo la acción de las cargas del tránsito el asfalto se comporta
como un fluido muy viscoso provocando el ahuellamiento de este, a bajas temperaturas y
bajo las cargas del tránsito se comporta como un material frágil ocasionando grietas
transversales.
Con la adición de polímeros al asfalto lo que se busca principalmente es: disminuir la
susceptibilidad térmica, mejorar la adherencia de los agregados, disminuir la
susceptibilidad a los tiempos de aplicación de las cargas y aumentar la resistencia a la
deformación permanente (ahuellamiento) y a la rotura34.
34
(Avellán Cruz, 2007)
Figura 5 Comportamiento asfalto convencional vs asfalto modificado. (Garzon, Introducción
a la reología de los asfaltos modificados, 2004)
Los polímeros más utilizados en la modificación de asfaltos son los elastómeros (Caucho,
SBS, SBR, Isopreno) y los plastómeros (PVC, EVA), los primeros dándole elasticidad al
asfalto y los segundos proporcionándole mayor resistencia (rigidez).
Actualmente en el mercado existen gran cantidad de modificadores a base de polímeros
para el asfalto, siendo la mezcla de varios polímeros dependiendo de las propiedades que
se desean mejorar y de las características principales de la vía. Algunos ejemplos de
estos modificadores pueden ser SBR (caucho-estireno-butadieno), Elvaloy, butonal entre
otros.
8.1 VARIABLES QUE AFECTAN LA INTERACCIÓN O MEZCLADO DE DOS
MATERIALES
Las variables que afectan el mezclado de dos materiales son:
8.1.1. Tamaño de las partículas: Se debe tener un tamaño homogéneo de partículas
para garantizar un buen mezclado, si se tienen tamaños de partículas muy dispersos se
puede producir segregación, donde las partículas más pequeñas tienden a depositarse en
el fondo.
Además de esto se debe tener en cuenta que se debe utilizar el tamaño óptimo de
partícula ya que si se utiliza un tamaño muy pequeño la dispersión en la matriz es mejor
pero se podrían encapsular; mientras que si el tamaño es muy grande las propiedades
mecánicas de la matriz se ve comprometida.
8.1.2. Viscosidad: Es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales, es
decir, que tan unidas están las capas adyacentes. Cuando se tiene una menor viscosidad
la dispersión del polímero en la matriz asfáltica es mucho mejor.
8.1.3. Tiempo de mezclado: Ayuda a romper el flujo laminar en la matriz, generando
un mejor mezclado de las partículas en un flujo turbulento. Se puede lograr con mayores
revoluciones o un mezclado más rápido.
8.1.4. Naturaleza de los materiales: Se refiere a la naturaleza química del material,
es decir, cómo se encuentran organizadas las partículas y los enlaces dentro de este, un
factor muy importante en este ámbito es la tensión superficial la cual nos indica la
mojabilidad entre superficies de los materiales.
9 APLICACIÓN DE POLÍMEROS RECICLADOS A PAVIMENTOS
ASFÁLTICOS
El uso de polímeros reciclados ha ido incursionando en el mundo moderno debido a la
necesidad de reutilizar materiales, implementando una conciencia de “pensamiento
verde”, gracias a esto varios países han incorporado el uso de polímeros reciclados a
pavimentos asfálticos, un ejemplo particular de esto es el desarrollo obtenido en Brasil por
el uso de caucho molido de neumáticos en muchas de sus carreteras.
El uso de miga de caucho (MdC), como modificador del asfalto se inició en 1995, en
Estados Unidos,esto representa un gran avance en la utilización a gran escala de
residuos de caucho provenientes de neumáticos.
Gracias a esto y a múltiples investigaciones varios países de América Latina (Brasil,
México y Venezuela), España y Estados Unidos (Arizona, Florida y California), han
incorporado el uso de caucho (llanta molida) a los pavimentos asfálticos obteniendo un
incremento de casi el doble de la vida útil de las carreteras.
Actualmente en Colombia aún no se ha implementado el uso de este residuo en las
carreteras nacionales, sabiendo que se tienen empresas recicladoras de llantas en al
país, como es el caso de Mundo Limpio S. A., la empresa MPI(Manufacturas y procesos
industriales), cuenta con una planta de producción de asfalto modificado con caucho llanta
para su comercialización en el país.
El uso de otros materiales reciclados para la modificación de asfaltos aún no se ha
aplicado, aunque existen varias investigaciones en países como México, Venezuela,
Estados Unidos y Colombia sobre el uso de botellas de PET (polietilenteleftalato) y
residuos de icopor (poliestireno expandido) en la modificación de carpetas asfálticas.
El uso de estos residuos genera buenos resultados pero son inferiores a los obtenidos
por los modificadores industriales, se debe tener en cuenta el potencial que se tiene al
reutilizar estos residuos ya que se está contribuyendo a una reducción del daño ambiental
ocasionado por la disposición final de estos y no se está consumiendo más petróleo
(recurso no renovable) para la modificación de los asfaltos.
10 ESPECIFICACIONES DE ASFALTOS MODIFICADOS
En Colombia existe un ente regulador de los proyectos pertenecientes a la infraestructura
de la red vial nacional, INVIAS (Instituto Nacional de Vías), este ente gubernamental
especifica una serie de normas basadas en normas internacionales como la AASHTO
(American Association of StateHighway and TransportationOfficials) y la ASTM (American
SocietyforTestingMaterials), para la regulación de la construcción de carreteras en el país.
Dentro de estas normas se encuentra en el Capítulo 4, Pavimentos asfálticos, donde se
indican todos los requerimientos que debe cumplir un pavimento asfáltico, además de
esto en el artículo 400 – 07 “Disposiciones generales para la ejecución de riegos de
imprimación, liga y curado, tratamientos superficiales, sellos de arena asfalto,
lechadas asfálticas, mezclas asfálticas en frío y en caliente y reciclado de
pavimentos asfálticos”. Se encuentran los requerimientos que debe cumplir una mezcla
asfáltica modificada con polímeros.
En laTabla 2, se muestran los diferentes requerimientos que debe cumplir una mezcla
asfáltica modificada con polímeros.
En esta tabla se indican los ensayos que se deben realizar para cumplir con una mezcla
modificada.
Tabla 2 Especificaciones de cementos asfalticos modificados con polímeros. (Instituto Nacional de Vias, 2005)
Característica Unidad Norma de ensayo INVIAS Tipo I Tipo II Tipo III Tipo IV Tipo V
Asfalto Original 0,1mm E-706 55 70 55 70 55 70 80 130 15 40
Penetración (25ºC,100g,5s) ºC E-712 58 58 65 60 65
Punto de ablandamiento con
aparato de anillo y bola cm E-702 15 15 30
Ductilidad(5ºC, 5cm/min) % E-727 15 40 70 5 70 5 15 5
Recuperaciónelástica por torsión a 25ºC ºC E-726 Y E-712 5 0,2 0,2 0,2 0,2
Estabilidad al almacenamiento (*) Diferencia en el punto de ablandamiento ºC E-704 0,2 230 230 230 230
Contenido de agua % E-709 230
Punto de ignición mediante
la copa abierta Cleveland ºC E-720
Residuo del ensayo perdida por calentamiento en película delgada en movimiento E-720 1 1
Pérdida de masa % E-706 1 1 1
Penetración del residuo luego de la pérdida por calentamiento película delgada
en movimiento % penetración Inicial % E-702 65 65 65 60 70
(*) 1 no se exigirá este requerimiento cuando los elementos de transporte y almacenamiento estén provistos de un sistema de homogenización adecuado, aprobado por el Interventor.
10.1 DESCRIPCIÓN ENSAYOS A REALIZAR
10.1.1 Punto de ablandamiento anillo y bola
¿Por qué se realiza el ensayo de punto de ablandamiento?
Los productos bituminosos son materiales visco elásticos, es decir no cambien de estado
sólido a líquido a una temperatura definida, si no que gradualmente se van tornando más
blandos y van perdiendo la viscosidad a medida que se aumenta la temperatura.
El punto de ablandamiento es de gran utilidad para clasificar productos bituminosos, y es
un valor que nos puede indicar la tendencia del material a fluir cuando está sometido a
temperaturas elevadas durante su vida de servicio.
Resumen del método
“Dos discos horizontales de material bituminoso, fundidos entre anillos de bronce, se
calientan a una rata controlada en un baño líquido, mientras cada uno de ellos soporta
una bola de acero. El punto de ablandamiento se consideracomo el valor promedio de las
temperaturas, a la cuales los dos discos se ablandan lo suficiente, para permitir que cada
bola envuelta en material bituminoso, caiga desde una distancia de 25 mm (1”).”35
Para el ensayo de punto de ablandamiento anillo y bola, se utiliza el aparato de anillo y
bola que consta de un beaker (capacidad mínima 800ml), dos anillos de bronce para el
vaciado de la muestra, dos anillos guías para las esferas de acero que deben estar en la
mitad, dos esferas de acero, y un termómetro. Todo esto debe cumplir con las
indicaciones presentadas en la norma.
En la Figura 6 se muestra el montaje del aparato anillo y bola.
35
(Instituto Nacional de Vías, 2005)
Figura 6 Montaje aparato anillo y bola. (Instituto Nacional de Vias, 2005)
Procedimiento del ensayo
1. Se vacían los anillos de penetración hasta el tope.
2. Se dejan enfriar a temperatura ambiente por media hora.
3. Luego de la media hora se procede a enrasar los moldes para que queden totalmente planos.
4. Se dejan media hora más a temperatura ambiente.
5. Se procede a montar el aparato de anillo y bola, se ubican los anillos en este y se baja la temperatura del agua a menos de 4°C, ya que la norma nos exige que se comience la temperatura a 4°C, se baja a un poco más para garantizar su inicio exactamente en la temperatura especificada por la norma.
6. Se ubican las esferas metálicas encima de los anillos y se nivela el soporte.
7. Se procede a la realización del ensayo que consiste en calentar el agua aumentando 1°C cada 12 segundos, para esto se utiliza una rata de calentamiento.
8. Cuando el asfalto se baje hasta la parte inferior del soporte se culmina el ensayo y se anota la temperatura obtenida.
9. El promedio de temperaturas obtenidas para los dos anillos es el punto de ablandamiento del asfalto analizado.
Figura 7. Vaciado de los anillos laboratorio Conasfaltos. Fuente: Elaboración propia.
Figura 8. Anillos con asfalto laboratorio de pavimentos Escuela de Ingeniería de Antioquia.
Fuente: Elaboración Propia.
Figura 9 Realización ensayo punto de ablandamiento laboratorio Conasfaltos. Fuente:
Elaboración Propia.
En la Figura 7 se observa el vaciado de los anillos, en la Figura 9 se puede observar
como a medida que se aumenta la temperatura con la ayuda del mechero, el asfalto va
fluyendo y finalmente se observa su caída.
Figura 10 Finalización ensayo punto de ablandamiento laboratorio pavimentos Escuela de
Ingeniería de Antioquia. Fuente: Elaboración Propia
En la Figura 10 se puede observar la finalización del ensayo, con las esferas tocando la
parte inferior del soporte.
Figura 11 Anillos después de realizado el punto de ablandamiento laboratorio de pavimentos
Escuela de Ingeniería de Antioquia. Fuente: Elaboración Propia
En la Figura 11 se puede observar el estado en que quedan los anillos, siempre la esfera
ubicada en la mitad.
10.1.2 Índice de penetración
¿Por qué se realiza el ensayo de penetración?
Se calcula a partir del valor de la penetración a 25°C y 5 segundos.
En función del índice de penetración se pueden clasificar los cementos asfalticos en tres
grupos.
IP > +1: Son cementos asfálticos con poca susceptibilidad a la temperatura, Se les
denomina tipo gel o soplado, ya que la mayoría de los asfaltos oxidados pertenecen a
este grupo.
IP < -1: Cementos asfálticos con mayor susceptibilidad a la temperatura; ricos en resinas
y con comportamiento algo viscoso.
IP entre +1 y -1: Características intermedias entre los dos anteriores; pertenecen a este
grupo la mayoría de los cementos asfálticos que se utilizan en la construcción de
carreteras.
Resumen del método
“La penetración se define como la distancia, expresada en décimas de milímetro hasta la
cual una aguja normalizada penetra verticalmente en el material en condiciones definidas
de carga, tiempo y temperatura. Normalmente, el ensayo se realiza a 25°C (77° F)
durante un tiempo de 5 segundos y con una carga móvil total, incluida la aguja, de 100 g,
aunque se pueden emplear otras condiciones previamente definidas.” 36
Para el ensayo de penetración se utilizan, moldes de penetración, penetrometro y baño
maría.
Procedimiento del ensayo
1. Se vacían los moldes hasta el tope.
2. Se dejan enfriar los especímenes para penetración a temperatura ambiente por una hora, se deben tapar con un recipiente de vidrio invertido para evitar que partículas de polvo se adhieran a este.
3. Luego se introducen en el baño maría a una temperatura de 25°C, y se dejan allí por una hora.
4. Se retira un espécimen del baño, y se introduce en un recipiente más pequeño con agua del baño para conservar la temperatura.
5. Se lleva al penetrómetro y se realizan tres penetraciones en este espécimen. Si estas penetraciones no presentan una desviación mayor a 2, se acepta esta muestra y no se falla la otra, de lo contrario se procede a realizar el mismo procedimiento con la otra muestra.
En la Figura 12 se observan los moldes para el ensayo de penetración con asfalto.
Figura 12 Moldes penetración laboratorio de pavimentos Escuela de Ingeniería de Antioquia.
Fuente: Elaboración Propia.
36
(Instituto Nacional de Vías, 2005)
En la Figura 13 se observa la realización del ensayo de penetración.
Figura 13 Ensayo de penetración laboratorio de pavimentos Escuela de Ingeniería de
Antioquia. Fuente: Elaboración Propia.
10.1.3 Estabilidad de almacenamiento
¿Por qué se realiza el ensayo de estabilidad de almacenamiento?
Es importante saber si el asfalto modificado cumple con este requisito ya que muchos
asfaltos en su almacenamiento pierden sus propiedades por fenómenos de cremado y
sedimentación, este fenómeno puede darse por mala compatibilidad entre el polímero y el
asfalto o una incorrecta dispersión del polímero en la matriz asfáltica.
Resumen del método
“En el procedimiento que se describe, una muestra del ligante modificado, contenido en
un recipiente conveniente, se somete a la acción de temperatura elevada durante 5 días
determinándose, al final de este tiempo, el punto de ablandamiento (norma INV E – 712),
la penetración (norma INV E – 706), u otras características especificadas, en partes de
muestra tomadas en el tercio superior e inferior del recipiente”.37
Para este ensayo se utiliza un recipiente metálico, balanza, estufa y capsulas.
Procedimiento del ensayo
1. Se transfieren 180g de la muestra al recipiente de ensayo
37
(Instituto Nacional de Vías, 2005)
2. Se tapa el recipiente y lleva al horno a una temperatura de 165ºC, durante 5 días.
3. Luego de transcurridos los 5 días, se dejan fluir 60ml de la parte superior y 60 ml
de la parte inferior, previamente rotulados.
4. Se realiza el ensayo de punto de ablandamiento a las muestras obtenidas del
tercio superior e inferior.
5. Los datos obtenidos se comparan con los tomados inicialmente y debe tener una
diferencia máxima de 4ºC.
Figura 14. Aparato ensayo estabilidad de almacenamiento. (Instituto Nacional de Vías, 2005)
11 EXPERIENCIA EN LOS ENSAYOS
Para la realización del presente trabajo de grado se tuvo una capacitación de tres días en
la empresa Conasfaltos, empresa asfaltadora de la ciudad de Medellín, allí se capacitó a
la estudiante Lina Marcela Ramírez Jiménez para realizar los ensayos de punto de
ablandamiento y penetración los cuales presentan cierta dificultad a la hora de su
realización ya que requiere de cierta precisión con el manejo de las temperaturas (punto
de ablandamiento) y la correcta ubicación de la aguja de penetración.
Al finalizar esta capacitación se realizaron dos ensayos con la ayuda del laboratorista
encargado obteniendo resultados con una variación de 1ºC en punto de ablandamiento.
El ensayo de estabilidad al almacenamiento no requiere de mucha experiencia ya que el
ensayo se realiza según lo indicado en la norma INVIAS, y requiere de poca manipulación
de la muestra, solo es necesaria la experiencia con el punto de ablandamiento que ya se
tiene.
El ensayo de recuperación elástica por torsión también tuvo una capacitación, pero no se
realizó la comparación como con el punto de ablandamiento.
12 DISEÑO DE EXPERIMENTOS
Se plantea un diseño de experimentos basado en investigaciones anteriores para la iniciación del proceso experimental.
Tabla 3 Diseño de experimentos
Asfalto Modificador Concentraciones, %
60-70
Caucho (%) 15 20 25
Azufre (%) 1 1,5 2%
Temperaturas,(°C)
135 150 180 135 150 180 135 150 180
Ensayos
Penetración
Punto de ablandamiento
Penetración Punto de
ablandamiento Penetración
Punto de ablandamiento
EPS (%)
3 6 9
Temperaturas, (°C)
135 150 180 135 150 180 135 150 180
Ensayos
Penetración Punto de
ablandamiento Penetración
Punto de ablandamiento
Penetración Punto de
ablandamiento
Los valores utilizados en el presente diseño de experimentos fueron obtenidos de
diferentes investigaciones bibliográficas así:
El valor de 15% de llanta como mínimo se obtuvo de la norma ASTM D 6114 – 97donde
se define el asfalto con hule molido como: “una mezcla de cemento asfáltico y hule
recuperado de llanta de desecho, con algunos aditivos en donde el componente de hule
es como mínimo el 15% del peso volumétrico de la mezcla, que ha reaccionado con el
cemento asfaltico caliente lo suficiente para lograr una dilatación e integración de las
partículas de hule”38.
Teniendo el valor mínimo se decidió aumentar en 5% el porcentaje en peso de adición de
llanta, de aquí se obtuvieron los otros dos valores, para una investigación se requieren
mínimo tres valores para tener un resultado confiable.
La variación del EPS, se hizo en base a investigaciones realizadas con Polietileno en la
Universidad EAFIT, gracias a la asistencia al Primer simposio Internacional de Materiales
y sus aplicaciones desarrollado el día 15 de Diciembre del año 2010, donde se una realizó
una ponencia por los estudiantes y profesores: Juan Camilo Múnera, MónicaÁlvarez y
Alexander Ossa “Fabricación y análisis de asfaltos modificados con polímeros”, al ser el
polietileno un termoplástico y el poliestireno pertenecer a esta familia se consideraron los
mismos porcentajes utilizados en su investigación con la adición de uno el de 9%, para
completar los tres mínimos.
Se utiliza el azufre como catalizador necesario entre el asfalto y el caucho.
El porcentaje de azufre se obtuvo con el valor máximo de azufre que se puede adicionar
al asfalto sin causar envejecimiento (2%)39, se varió cada 0,5 % debido a que se tienen
tres porcentajes de caucho diferentes.
Las temperaturas a analizar fueron, 135ºC,150ºC y 180ºC, la de 150ºC se obtuvo del
simposio mencionado anteriormente, la de 180ºC se obtuvo de información bibliográfica
donde dice que a temperaturas inferiores a 180ºC el azufre no reacciona lo suficiente para
realizar una buena adherencia entre el asfalto y el caucho40, finalmente la temperatura de
135ºC se propone como prueba ya que si se logra una mezcla óptima a temperaturas
inferiores se incurre en un ahorro energético a la hora de su aplicación.
38
(American Society for Testing Materials (ASTM), 2002) 39
(Arias, Joskowicz, Rojas, Villegas, Escobar, & Colina, 2008) 40
(Arias, Joskowicz, Rojas, Villegas, Escobar, & Colina, 2008)
13 MATERIALES UTILIZADOS
Para el presente trabajo de utilizaron dos modificadores caucho de llanta triturada,
proveniente de la empresa Mundo Limpio S.A. y poliestireno expandido (tratado
térmicamente reduciéndole los vacíos) proveniente de la empresa Durapanel como
residuo industrial.
13.1 CAUCHO DE LLANTA TRITURADA
El caucho de llanta triturada utilizado para el presente trabajo proviene de la empresa
Mundo Limpio S.A.
“La composición del producto es caucho vulcanizado granulado proveniente de la
unidad estratégica orientada al reciclaje, aprovechamiento y valoración de las llantas
en desuso. Se obtiene a través de un proceso que se realiza por trituración mecánica y
separación de los materiales que conforman las llantas”41.
En la Tabla 4 se presenta la descripción técnica del producto realizada por el distribuidor.
Tabla 4 Ficha técnica del caucho. (Mundo Limpio S.A., 2008)
Ficha técnica
Descripción Caucho vulcanizado Granulado
Densidad 1.109 gr/cm3 a 25°C (según norma ASTM D792)
Forma Física Gránulos de forma irregular
Rango de dimensión 0.50 – 0.85 mm
% de presencia de acero Menos de 0.1%
% de presencia de textiles Menos de 0.1%
En la Figura 15 se muestra la curva granulométrica correspondiente al caucho
vulcanizado granulado, entregada por el distribuidor.
41
(Mundo Limpio S.A., 2008)
Figura 15 Curva granulométrica del caucho vulcanizado granulado
Para el presente trabajo se utilizó caucho vulcanizado granulado pasa malla 30, tamizado
en el laboratorio de pavimentos de la Escuela de Ingeniería de Antioquia.
Figura 16 Caucho vulcanizado granulado pasa malla 30, laboratorio de pavimentos Escuela
de Ingeniería de Antioquia. Fuente: Elaboración Propia
13.2 POLIESTIRENO EXPANDIDO (EPS)
El origen del poliestireno expandido es de la empresa Durapanel (Sistemas constructivos
avanzados), como residuo industrial de su producción.
Este residuo es tratado mediante un proceso mecánico para eliminar los vacíos y
disminuir su volumen generando un menor impacto a la hora de su disposición final,
obteniendo como producto final poliestireno.
Para el presente trabajo se utilizó poliestireno pasa malla 30, tamizado en el laboratorio
de pavimentos de la Escuela de Ingeniería de Antioquia.
Figura 17Poliestireno pasa malla 30, laboratorio de pavimentos Escuela de Ingeniería de
Antioquia. Fuente: Elaboración Propia.
14 MODIFICACIÓN DEL ASFALTO
Para la modificación del asfalto según el diseño de experimentos se inició con la mezcla
asfalto – caucho- azufre.
14.1 Mezcla asfalto – caucho - azufre
Para la realización de la modificación se utiliza un mezclador que alcanza las 2000 rpm,
para la unión de los materiales se requiere de un mezclado lento por lo tanto se utilizó a
un mínimo de revoluciones por minuto aproximadamente 500 o 600 rpm.
Se inicia incorporando el azufre al asfalto previamente caliente a la temperatura a analizar
135ºC, 150ºC Y 180ºC respectivamente, luego de tener el asfalto caliente se adiciona el
azufre, calentándolo hasta llegar a su punto de fundición.
Se inicia el mezclado por un tiempo de 10 minutos, transcurrido este tiempo se adiciona el
caucho vulcanizado triturado previamente calentado a la temperatura actual del asfalto
(135ºC, 150ºC Y 180ºC), se continua con el mezclado por una hora.
Al terminar el mezclado se procede a vaciar los moldes de penetración y los anillos de
punto de ablandamiento para la realización de los ensayos.
Figura 18 Mezclado del asfalto - caucho – azufre. Laboratorio de pavimentos Escuela de
Ingeniería de Antioquia. Fuente: Elaboración Propia.
Figura 19Espécimen para prueba de penetración asfalto - caucho– azufre. Laboratorio de
pavimentos Escuela de Ingeniería de Antioquia. Fuente: Elaboración Propia.
Figura 20Espécimen para prueba de punto de ablandamiento aparato anillo y bola asfalto -
caucho – azufre. Laboratorio de pavimentos Escuela de Ingeniería de Antioquia. Fuente:
Elaboración Propia.
14.2 Resultados obtenidos
En laTabla 5 se pueden observar los resultados obtenidos con los diferentes porcentajes
de caucho vulcanizado triturado de los ensayos penetración y punto de ablandamiento
realizados en el laboratorio de la Escuela de Ingeniería de Antioquia.
Al realizar los ensayos se observa que la mezcla a 135ºC, no se obtiene homogeneidad
entre el asfalto y el caucho, por lo tanto se procede a realizar las mezclas a 150ºC y
180ºC, descartando la temperatura propuesta inicialmente de 135ºC.
Tabla 5 Resultados obtenidos mezcla asfalto - caucho - azufre
Mezcla
(caucho/azufre)
Punto de ablandamiento
(°C)
Penetración
(mm)
Temperatura
(°C)
25% - 2% 54 83 150
25% - 2% 51 39 180
15%-1,5% 42 46 150
15%-1,5% 47 32 180
20% - 1,5 % 54 85 150
20% - 1,5% 53,5 87 180
Asfalto 60 -70 52 68 150 - 180
Debido a que en las normas del INVIAS (Instituto Nacional de Vías), no se tiene regulado
el uso de caucho vulcanizado triturado por su carencia de uso en Colombia, es erróneo
comparar estas mezclas de asfalto – caucho – azufre con las normas Colombianas por lo
tanto para la validación de los resultados obtenidos se utilizaron las normas
internacionales ASTM (American Society for Testing Materials) en las cuales se basan las
normas Colombianas, en la ASTM se encuentra regularizado el uso de llanta triturada en
los pavimentos asfalticos.
En la Tabla 6 se muestran las especificaciones para el cumplimiento de la normativa
internacional, se puede observar que los resultados obtenidos con la modificacion asfalto
– caucho – azufre (20% caucho, 1,5% azufre a 150ºCy 180ºC) cumplen para un asfalto
modificado con polvo de llanta TipoIII.
Tabla 6 Especificaciones asfaltos modificados con polvo de llanta. (ASTM D-6114-97)
PROPIEDADES NORMA
TIPO I
Min.
Max
TIPO II
Min.
Max.
TIPO III
Min.
Max.
Viscosidad. Cp a 175ºC
(347ºF)
Método A
(ver
5.4)B.C.
1500 5000 1500 5000 1500 5000
Pen. 25ºC (77ºF) 100g,
5s:1/10mm D5 25 75 25 75 50 100
Pen. 4ºC (39.2ºF) 200g,
60s:1/10mm D5 10 --- 15 --- 25 ---
P. de Ablandamiento.
ºC (ºF) D36
57.2
(135) ---
54.4
(130) ---
51.7
(125) ---
Resiliencia %, 25ºC
(77ºF) D5329 25 --- 20 --- 10 ---
P. de Chispa: ºC (ºF) D93 232.2
(450) ---
232.2
(450) ---
232.2
(450) ---
TFOT% D1754 ----- ----- ----- ----- ----- -----
Penet. Ret. %
(Después de
envejecida), 4ºC
(39.2ºF)
D5 75 --- 75 ------ 75 -----
En las imágenes siguientes se muestran las texturas observadas en las mezclas a las
diferentes temperaturas (150ºC y 180ºC).
Figura 21 asfalto con 2% de azufre y 25% caucho (150ºC)Fuente: Elaboración Propia.
Figura 22 asfalto con 2% de azufre y 25% caucho (180ºC)Fuente: Elaboración Propia.
Figura 23 asfalto con 1,5% de azufre y 15% caucho (150ºC) Fuente: Elaboración Propia.
Figura 24 asfalto con 1,5% de azufre y 15% caucho (180ºC) Fuente: Elaboración Propia.
Figura 25asfalto con 1,5% de azufre y 20% caucho (150ºC) Fuente: Elaboración Propia.
Figura 26asfalto con 1,5% de azufre y 20% caucho (180ºC) Fuente: Elaboración Propia.
14.3 Ensayo estabilidad al almacenamiento
El ensayo de estabilidad al almacenamiento se realiza a las mezclas que cumplen con las
especificaciones para asfaltos modificados con polvo de llanta estipuladas en la norma
ASTM D-6114-97, para el presente trabajo las mezclas que cumplen con esta norma son
aquellas que tienen 20% caucho y 1,5% azufre a 150 y 180°C, para objeto del presente
estudio se analizó el cambio del punto de ablandamiento de las mezclas asfálticas
después de 5 días a una temperatura de 165°C.
Los resultados obtenidos en el ensayo son los siguientes:
Tabla 7 Resultado ensayo estabilidad de almacenamiento
Mezcla (caucho/azufr
e)
Punto de ablandamiento inicial(°C)
Punto de ablandamiento final (°C)
Temperatura (°C)
Δ Puntos de ablandamien
to (°C)
Δ < 4 si cumple Δ > 4 no cumple
20% - 1,5 % 55 48 150 7 No cumple
20% - 1,5 % 54 52 180 2 Cumple
Rigiéndose por los resultados encontrados, se puede decir que la mezcla de 20% caucho,
1,5 % azufre a 180°C de mezclado, cumple con las especificaciones de estabilidad al
almacenamiento por lo tanto se puede considerar como una mezcla óptima para su
almacenamiento en planta.
14.4 Mezcla asfalto – poliestireno expandido (EPS)
Para la realización de la modificación se utiliza un mezclador que alcanza las 2000 rpm,
para la unión de los materiales se requiere de un mezclado lento por lo tanto se utilizó a
un mínimo de revoluciones por minuto aproximadamente 500 o 600 rpm.
Se inicia calentando el asfalto a la temperatura a realizar la mezcla 135ºC, 150ºC y180ºC
respectivamente, después de esto se incorpora el poliestireno previamente calentado
(70ºC u 80ºC), se deja mezclando por una hora.
Al terminar el mezclado se procede al vaciado de los moldes de penetración y los anillos
de punto de ablandamiento.
Figura 27 Mezclado asfalto – EPS laboratorio de pavimentos Escuela de Ingeniería de
Antioquia. Fuente: Elaboración Propia.
Figura 28 Especímenes penetración y punto de ablandamiento asfalto – EPS. Laboratorio de
pavimentos Escuela de Ingeniería de Antioquia. Fuente: Elaboración Propia
14.5 Resultados obtenidos
Hasta el momento se han realizado dos ensayos con poliestireno expandido logrando los
resultados mostrados en la Tabla 8 Resultados obtenidos mezcla asfalto - EPS.
Tabla 8 Resultados obtenidos mezcla asfalto - EPS
EPS (%) Punto de ablandamiento (ºC) Penetración (mm) Temperatura (ºC)
3 54,2 73 135
3 52,2 70 150
Asfalto 60-70 52 68 135 – 150 – 180
Al observar los resultados presentados en la Tabla 8, se observa un aumento en el punto
de ablandamiento y un aumento en la penetración (al ser un elastómero se esperaba una
disminución en la penetración ya que este tiende a endurecer el asfalto).
Pero al observar las mezclas se muestran heterogéneas, presentándose grumos de
poliestireno que nos indica que la modificación realizada no ha sido exitosa.Figura 29,
Figura 30 y Figura 31.
Figura 29Trozos de EPS encontrados en la mezcla. Laboratorio de pavimentos Escuela de
Ingeniería de Antioquia. Fuente: Elaboración Propia.
Figura 30 Trozo de EPS encontrado en la mezcla.Laboratorio de pavimentos Escuela de
Ingeniería de Antioquia. Fuente: Elaboración Propia
Figura 31 Mezcla con trozos de EPS.Laboratorio de pavimentos Escuela de Ingeniería de
Antioquia. Fuente: Elaboración Propia
También se debe tener en cuenta que el éxito de una modificación polimérica depende en
gran medida de la destilación y fuente del asfalto utilizado.
14.6 POSIBLES CAUSAS DE LA NO INTERACCIÓN ASFALTO POLÍMERO
Debido a los resultados obtenidos anteriormente se procede a evaluar las variables que
pueden afectar la interacción entre estos dos materiales.
14.6.1 Tamaño de las partículas
Se realiza la mezcla con dos tamaños de partícula diferente, pasa tamiz malla 30 y pasa
tamiz malla 100, en ambos casos se obtuvo el mismo resultado de aglutinación del
poliestireno mostrado en las figuras anteriores. Figura 30 y Figura 31
14.6.2 Viscosidad
La variación de la viscosidad se realizó aumentando la temperatura para así disminuir la
viscosidad de la matriz asfáltica, se utilizaron temperaturas de 135°C, 150°C y 180°C, en
los tres casos se obtuvo el mismo resultado, se observa siempre una aglutinación del
poliestireno recubierta por el asfalto.
14.6.3 Tiempo de mezclado
El tiempo de mezclado es de una hora, se considera un tiempo suficiente para la unión de
las partículas de poliestireno con el asfalto, ya que los porcentajes de poliestireno
utilizados son relativamente bajos.
14.6.4 Naturaleza de los materiales
Para generar una buena interacción entre los materiales, se utilizó como agente de
afinidad el azufre, sin obtener resultados satisfactorios.
Para comprender mejor esta propiedad de los dos materiales se expondrá brevemente la
naturaleza de estos:
El poliestireno es un polímero vinílico, estructuralmente compuesto por una larga cadena
hidrocarbonada, con un grupo fenilo unido cada dos átomos de carbono.
Se produce debido a una polimerización vinílica de radicales libres a partir del monómero
estireno.
El asfalto tiene su origen en el petróleo, se obtiene de la destilación de este y sus
principales características dependen de la fuente.
Principalmente el asfalto se considera como un sistema coloidal continuo en el cual es
difícil establecer la diferencia entre fase continua y dispersa. El modelo adoptado para
configurar la estructura del asfalto es el modelo miscelar, en el cual se distinguen dos
fases: una discontinua la fase aromática formada por dos asfáltenos y una continua que
rodea y solubiliza a los asfáltenos, denominada máltenos. Los máltenos y los asfáltenos
existen como islas flotando en el tercer componente del asfalto los aceites.(Avellán Cruz,
2007)
15 CONCLUSIONES
Se puede observar que la temperatura de mezclado en la modificación de asfalto –
caucho-azufre, es un factor muy importante ya que a una temperatura de 150ºC se
observa un asfalto con grumos (Figura 21, Figura 23 y Figura 25), mientras que a
una temperatura superior (180ºC) se observa una textura del asfalto homogénea
(Figura 22, Figura 24 y Figura 26).
El caucho se dispersa mejor en la matriz asfaltico, debido a que el caucho - llanta
es un polímero reticulado sus partículas son microporosas, estos poros pueden
servir como punto de anclaje para ser penetrados por las partículas de asfalto,
además debido a la presencia del calor hace que se expandan las partículas de
caucho, y después cuando se enfría la mezcla, las partículas de asfalto que
penetraron los poros formando la unión por adherencia se contraen generando
una mejor unión entre el asfalto y el caucho.
Al observar las variables que afectan el mezclado de los materiales se puede decir
que en este caso la variable que impide la unión entre asfalto y poliestireno es la
naturaleza del material, puesto que todas las otras variables se evaluaron y no
lograron ningún cambio en la mezcla.
La característica principal observada en la mezcla de asfalto – poliestireno, es una
insolubilidad entre la matriz asfáltica y el polímero causando que el polímero
quede embebido dentro del asfalto, esto se da debido a la gran diferencia que
existe entre las temperaturas de fusión vítrea el asfalto y el poliestireno.
Bajo las condiciones presentadas anteriormente la correcta modificación de asfalto
con poliestireno no es posible.
16 RECOMENDACIONES
Se considera que el poliestireno expandido es un material que requiere su reutilización en el mercado, ya que es obtenido del petróleo el cual es un recurso no renovable y su tiempo de utilización en el mercado es muy corto, por lo tanto se encuentra gran cantidad de este material en los vertederos de residuos sólidos. Gracias a esto se plantea la posibilidad de utilizar el poliestireno como un agregado pétreo de la carpeta asfáltica, para su utilización se requiere de la realización de algunos ensayos para verificar que cumpla con las normas que regulan los agregados pétreos. Algunas de las propiedades de gran interés en la pavimentación son la granulometría y el
tamaño de la partícula, limpieza, dureza, forma, capacidad de absorción, textura
superficial y afinidad con el asfalto.
También existe la posibilidad de utilizar un modificador superficial para el poliestireno, para generar una afinidad entre la matriz asfáltica y el poliestireno.
17 BIBLIOGRAFÍA
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