MEJORA DE MEZCLAS ASFALTICAS DE RODADURA 0/10 CERRADAS CON EL USO DE UN ELASTOMERO (CAUCHO) Y UN
PLASTOMERO (TIRAS DE BOLSAS DE LECHE) EN UN ASFALTO 80-100
Ing PhD. Fredy Alberto Reyes lizcano , Ing MsC , Cand PhD Ana Sofia Figueroa
Departamento de Ingenieria Civil – Pontificia Universidad Javeriana, y Universidad de la Salle
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMAProductos manufacturados cuyos componentes no son biodegradables.
polímeros empleados en el sector automotriz y a los desperdicios plásticos
ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN
El principio de estas investigaciones es:
PLASTICOTRABAJO DE GRADO ANTECESORES PANORAMA
MUNDIAL
CEDEX innovaciones Mezclas asfálticas Modificadas con materiales reciclados Norma Colombiana Cauchos
encontrar dos materiales (caucho y plástico) que trabajando simultáneamente, se obtengan mejores o
los mismos resultados.
búsqueda nuevas metodologías que incluyan nuevos materiales brindando la posibilidad de tener mejores pavimentos económicos y
funcionales
CAUCHO
Eliminación de residuos
conservación del medio ambiente
ahorro de materias primas y de energía
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
¿Cuál es el desempeño de las mezclas asfálticas pararodadura 0/10 cerradas, asfalto 80/100, a los cuales sele ha adicionado caucho y tiras de plástico? ¿Será,mejor su comportamiento, mayor su resistencia en losmódulos elásticos, mayor su resistencia a la fatiga yahuellamiento, con relación a las mezclasconvencionales no modificadas?
OBJETIVO GENERAL
Determinar y cuantificar las mejoras de losdesempeños mecánicos de mezclas asfálticas pararodadura con el uso de elastómeros (caucho) yplastómeros (plásticos) y su incidencia en los móduloselásticos, fatiga y ahuellamiento.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS• Seleccionar y caracterizar el material granular y el asfalto
80/100 para la mezcla.
• Determinar el porcentaje óptimo de asfalto de la mezcla
• Establecer el comportamiento dinámico de la mezcladensa para el óptimo del diseño Marshall.
• Establecer el comportamiento dinámico de la mezcladensa para el óptimo de adición de caucho y plástico.
Caracterización MaterialesPLASTICO Y CAUCHO
Por espacio de 6 meses serecolectaron bolsas de lechelarga vida en todas suspresentaciones (1.1 Lt, 900 cc,680 cc y 200 cc)
El caucho de desecho fue producido en elproceso de reencauche de La empresaRenovadora de llantas
CARACTERIZACIÓN DE AGREGADOS Y ASFALTO
• Asfalto 80/100 producido por ECOPETROL y proporcionado por Patria S.A.
• El agregado proporcionado por Patria S.A. fue No. 3/8” y No. 5/8 con el fin de obtener una granulometría 0/10 cerrada
RESULTADOS CARACTERIZACIÓN ASFALTO
RESULTADOS CARACTERIZACION AGREGADO
Ensayos Marshall• Marshall No 1 -Obtención porcentaje optimo
de asfalto
• Marshall No 2 -Obtención porcentaje optimo de plástico
• Marshall No 3 -Obtención porcentaje optimo de caucho
• Marshall No 4 -Obtención Proporción óptima de plástico con caucho
Cantidad de materiales
10
100
1000
240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 305 310 315 320 325 330 335 340
TEMPERATURA (°F)
VIS
CO
SID
AD
CIN
EM
AT
ICA
(c
en
ti-s
toc
ke
s)
Mezclado 294 °F (146 °C) Compactación 266 °F (130°C)
•Granulometría 0/10 Cerrada
•Peso briqueta marshall 1250gr
Temperatura de mezcla y compactación
Curva de calibración - variación de la viscosidad con el cambio de temperatura (ensayo del viscosímetro de Brookfield.)
1. Determinación peso específico “bulk”
2. Ensayo de Estabilidad y Flujo
3. Determinación de peso especifico máximo medido Gmm
Ensayos Probetas CompactadasMezcla y compactación de las Probetas
Diseño Marshall I.N.V. E – 748
Marshall No 1 -Obtención porcentaje optimo de asfalto Marshall No 2 -Obtención
porcentaje optimo de plástico• No briquetas 15, incrementando el porcentajecada 0.5% desde 5% hasta 7%
• Análisis de densidad, relación de vacíos(1),estabilidad (2) y flujo (3).
Porcentaje optimo de asfalto 6.3 % (Artículo 400,
diseño NAPA)
(1)
(2) (3)
Análisis relación estabilidad/flujo.
Porcentaje optimo de plástico 0.7 %
MEJORA DE MEZCLAS ASFALTICAS DE RODADURA 0/10 CERRADAS CON EL
Marshall No 3 -Obtención porcentaje optimo de caucho 16%
Marshall No 4 - Proporción óptima de plástico con caucho
Análisis relación estabilidad/flujo.Análisis relación estabilidad/flujo.
Porcentaje óptimo de Caucho 0.1 %Combinación óptimo 25 % plástico y 75% Caucho
FatigaSe realizaron 48 briquetas (12para cada mezcla asfáltica sinmodificar y 12 para mezclaasfáltica modificada.
La elaboración y análisis deresultados:
e6=120E-06 B=-0.2 Solo Asfalto
e6=196E-06 B=-0.22 Caucho
e6= 95E-06 B=-0.186 Plástico
e6=153E-06 B=-0.2 Caucho 75% -Plástico 25%
AhuellamientoEl ensayo se realiza en la máquina ahuelladora de la PUJ (INV-E756)
La maquina ahuelladora Trabaja a 42 r.p.m,
El mecanismo aplica una presión de 0.662 Mpa (presión ejercida por un eje de 13 Ton)
Sistema de calefacción con termostato regulable que mantiene la temperatura de Ensayo a 60 °C
Dimensiones de las briquetas son: altura 50 cm base 15 cm, espesor 8.5 cm,
Ensayo de Ahuellamiento
La briqueta es llevada Al horno a 60°C , durante 4 horas
Se monta la briquetaen el molde que lleva el carro móvil
Se carga el Brazo soporte con los pesos requeridos
se apoya la rueda cargada sobre la superficie de la probeta
Se determinan y se anotan
Deformaciones a
1,3,5,10,15,20,25,30,35, 40,45, 60, 75, 90. 105 y 120 min
2 briquetas paracada mezcla,(total 8 briquetas), compactadas en la maquina universal
Una vez finalizado el ensayo, se detienela máquina, se levanta la rueda, y se extrae la
probeta ensayada,
Resultados ahuellamiento en las cuatro mezclas analizadas
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
0 20 40 60 80 100 120 140
Tiempo (min)
Ah
uell
am
ien
to (
cm
)
ASFALTO
CAUCHO 0,10%
PLASTICO
CAUCHO 75% -
PLASTICO 25%
Porcentaje de reducción de ahuellamiento en mezclas asfálticas modificadas con respecto a la mezcla sin modificar
Porcentaje de reducción de ahuellamiento en mezclas asfálticas modificadas con respecto a la mezcla sin modificar
-120,0
-100,0
-80,0
-60,0
-40,0
-20,0
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
1 3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 60
Tiempo (min)
% R
ed
uc
cio
n
MEZCLA MODIFICADA CON CAUCHO
MEZCLA MODIFICADA PLASTICO
-120,0
-100,0
-80,0
-60,0
-40,0
-20,0
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
1 3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 60
Tiempo (min)
% R
ed
uc
cio
n
MEZCLA CON CAUCHO Y PLASTICOMEZCLA CON CAUCHOMEZCLA CON PLASTICO
-120,0
-100,0
-80,0
-60,0
-40,0
-20,0
0,0
20,0
40,0
60,0
1 3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 60
Tiempo (min)
% R
ed
uc
cio
n
MEZCLA MODIFICADA CON CAUCHO 75% Y PLASTICO 25%
Mezcla modificada con plástico
disminuye en un 59%
Mezcla asfáltica con caucho aumenta en un 27%
Mezcla asfáltica modificada con plástico y caucho disminuye un 8%
Módulos DinámicosEL OBJETIVO DEL ENSAYOES LA DETERMINACION DELOS MODULOS DINÁMICOS .
LOS ENSAYOS SE REALIZARON PARA LAS SIGUIENTES CONDICIONES:
TEMPERATURA: 10, 20 Y 30 °C
FRECUENCIA: 2.5, 5.0 Y 10 Hz
El ensayo NAT debe aplicarse amuestras cilíndricas preparadas enel laboratorio con diámetros entres100 y 150 mm y alturas entre 30 y
75 mm.
Se realizaron 3 briquetas tipoMarshall para cada una de lasmezclas modificadas y sinmodificar (total 12 briquetas)
Se aplica un pulso de carga de compresión a una temperatura y una frecuencia de carga establecidas, aplicando tensión y deformaciones horizontales.
Resultados Módulos Dinámicos en las cuatro mezclas analizadas
CURVAS ISOTERMAS DEL TOTAL DE COMBINACIONES
100
1000
10000
100000
0 2 4 6 8 10 12
Frecuencia (Hz)
Lo
g M
od
ulo
(M
Pa)
10 °C
ASFALTO20 °C
ASFALTO30 °C
ASFALTO10 °C
CAUCHO20 °C
CAUCHO30 °C
CAUCHO10 °C
PLASTICO20 °C
PLASTICO30 °C
PLASTICO10 °C A+P+C
20 °C A+P+C
30 °C A+P+C
2.55
10
-25% -21% -19%
-46% -43% -42%-50%
-40%
-30%
-20%
-10%
0%
FR EC U EN C IA ( Hz)
TEMPERATURA 200 C
0.1 % CAUCHO 0.7% PLÁSTICO
2.55
10
-44%-45% -42%
-33% -31% -30%
-50%
-40%
-30%
-20%
-10%
0%
FRECUENCIA (Hz)
TEMPERATURA 300 C
0.1% CAUCHO 0.7% PLÁSTICO
Análisis de datos por Frecuencia
(1) Variación porcentual del módulo para 10°C
(2) Variación porcentual del módulo para 20°C
(3) Variación porcentual del módulo para 30°C
(1)
(3)
(2)
Análisis de datos por Temperatura
1020
30
-16%
-46%-33%
40%
-25%-44%
-20%
-10%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
TEMPERATURA OC
FRECUENCIA 2.5 Hz
PLÁSTICO CAUCHO
1020
30
-16%
-43%
-31%
30%
-21%
-42%-50%
-40%
-30%
-20%
-10%
0%
10%
20%
30%
TEMPERATURA OC
FRECUENCIA 5 Hz
PLASTICO
CAUCHO
1020
30
-16%
-43%-31%
32%
-19%
-43%-50%
-40%
-30%
-20%
-10%
0%
10%
20%
30%
40%
TEMPERATURA 0C
FRECUENCIA 10 Hz
PLASTICO
CAUCHO
(1) Variación porcentual del módulo para 2.5Hz
(2) Variación porcentual del módulo para 5.0 Hz
(3) Variación porcentual del módulo para 10 Hz
(1) (2)
(3)
SARA
resinas aromáticos
asfaltenos saturados
sdispersado ntesconstituye
floculados ntesconstituye
IC
Este ensayo es utilizado para la caracterización química del cemento asfáltico
IATROSCAN
Resultados Análisis ensayo SARAAsfalto 80 /100 (sin modificar)
Asfalto 80/100 Modificado con caucho y tiras de bolsa de leche
Análisis Termogravimétrico (TGA) Bolsa de Banana, LANAMME UCR
29
DSC, en plástico
DSC en poliestireno expandido
Conclusiones
• Por medio de la metodología Marshall se determinó el contenido óptimo de asfalto(6.3%), contenido optimo de caucho (0.1 %), contenido óptimo de plástico (0.7%) ycombinación óptima de los materiales (75% caucho y 25% plástico).
• La selección de los porcentajes óptimos de caucho, plástico y combinación de los dosmateriales se realizó mediante un análisis de relación estabilidad/flujo, teniendocomo principio que un buen comportamiento de una mezcla asfáltica tiene valoresde esta relación ente 300 a 500.
• La mezcla modificada con caucho presenta mayores valores de flujo, con respecto alas demás, lo que indica que será una mezcla más susceptible a la deformación.
• Las mezclas modificadas (con caucho o con plástico), a medida que elporcentaje de caucho y plástico aumenta, el porcentaje de vacíos en la mezclatambién, al aumentar las proporciones del modificantes en la mezcla, sedificulta la unión entre el agregado y asfalto.
• El comportamiento de la mezcla asfáltica modificada con plástico presentó mejora enahuellamiento, disminuyendo en un 59 %, comparada con la mezcla sin modificar
• La mezcla modificada con adición de caucho presentó el peor comportamiento, estamezcla alcanzó deformaciones de un 27 % por encima de la deformación de la mezclaasfáltica sin modificar.
• La mezcla asfáltica modificada con caucho y plástico, presenta un mejorcomportamiento que la mezcla sin modificar . Esta mezcla presento un 8% dereducción de ahuellamiento.
• Se require estudios de DSC y TGA
• La mayor magnitud en relación con los módulos fue obtenida para la menortemperatura (10 C), y el módulo más alto obtenido fue para las muestras conplástico a 10 C , con una frecuencia de 10 Hz, con un valor de 12553 Mpa.
Se obtuvieron incrementos en el módulo, en las mezclas con adicion de plástico,con un incremento de 36% a 10 0C y 2.5 Hz.
Para un trafico de 3.000.000 de Ejes de 13Ton, conservando 25cm de basegranular y 25 cms de subbase granular, sobre una subrasante de 50Mpa, serequieren de carpetas asfálticas 20cm para la mezcla convencional, 18cm parael caucho, 18 cm para el plástico y 15cm para la combinación de caucho yplástico
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• CEDEX. Alternativas de los residuos plásticos de la automoción y su empleo como aditivos de los betunes asfálticos ParteI; E. López Vidriero, Francisca Castillo; Número 113/1999; Pág. 101-113.
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• CEDEX. Ingeniería Civil. Nº 74, 1990.
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• CEDEX. Ingeniería Civil. Nº 114, 1999.
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• REYES LIZCANO, F. Uso de desperdicio plástico para mejorar las propiedades mecánicas de la estructura de pavimento.Pontificia Universidad Javeriana.
• REYES LIZCANO F. Construcción de un prototipo para el estudio de las leyes de fatiga en mezclas asfálticas. PontificiaUniversidad Javeriana. Bogotá. 2002.
• REYES LIZCANO F. Diseño por Métodos Racionales. Tomo I. Pontificia Universidad Javeriana. Bogotá. 2003.
• REYES LIZCANO, Freddy Alberto; Diseño Racional De Pavimentos, Centro Editorial Javeriana (CEJA), ED, Escuela Colombiana deIngeniería
• MONTEJO, Alonso. Ingeniería de pavimentos para carreteras, Segunda edición. Universidad Católica de Colombia.
• LOZANO ARENAS LEÓN, Hugo, Tecnología del cemento asfáltico.
• CUELLAR Andrea P. Estudio comparativo de las leyes de fatiga de una mezcla cerrada 0/10, con y sin adiciones de icopor. Tesisde Grado, Pontificia Universidad Javeriana. 2003.
• MANTILLA LUIS ALFONSO, Caracterización dinámica de una mezcla asfáltica drenante con adición de desechos plásticosmediante técnicas de banco de fatiga. Tesis de Grado Pontificia Universidad Javeriana director: Fredy Reyes
• MENDEZ LUCIA TERESA Diseño de una mezcla asfáltica drenante con tiras de bolsa de leche, Tesis de Grado, PontificiaUniversidad Javeriana 2002, director Freddy Reyes
• Cartilla del pavimento asfáltico, ASOPAC (Asociación de Productores y Pavimentadotes Asfálticos de Colombia.
• Asphalt Seminar, Caracterization of asphalt in paving materials, PetroCanada, Septiembre 1992.
• Memorias 4as Jornadas internacionales del asfalto (Cartagena –Colombia), Estudio de mezclas densas en Caliente elaboradascon asfaltos modificados con plicloruro de vinilo, látex natural y caucho reciclado; Hugo Alexander Rondon (Colombia) ;universidad Católica de Colombia.
• Memorias 4 as Jornadas internacionales del asfalto (Cartagena –Colombia), Efecto en las propiedades dinámicas de una mezclaasfáltica por adicionar desperdicio de llanta usada; Oscar Javier Reyes Ortiz (Colombia); Universidad Militar nueva Granada.
• Fredy Alberto Reyes Lizcano , [email protected]
• Universidad Javeriana
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