asfalto modificado con grano de caucho reciclado en bogotá
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ASFALTO MODIFICADO CON GRANO DE CAUCHO RECICLADO EN BOGOTÁ
GENERALIDADES Y NORMATIVA
En Bogotá según estudios realizados por parte del IDU, por medio de tramos de prueba utilizando mezclas asfálticas tipo MDC-2 y asfaltos con bajos porcentajes de caucho, se encontró que este mejora la rigidez, la resistencia bajo carga monotónica, al ahuellamiento, la fatiga, al envejecimiento, y disminuye la susceptibilidad térmica, esto gracias a que dentro de sus componentes se encuentran diversos tipos de polímeros, como el Látex, SBS, SBR y el negro de humo.
Existen dos técnicas de utilización del grano de llanta triturado (GCR) para modificar las propiedades de mezclas asfálticas, vía húmeda y seca. Para la vía húmeda se estudia la dosificación del GCR y para el diseño de la mezcla se emplean criterios dinámicos y volumétricos, en vía seca las mezclas se diseñan por el método Marshall, considerando como parte del diseño parámetros como la ley de fatiga, resistencia a la deformación plástica, y módulos.
Para el caso de Bogotá D.C., la ciudad cuenta con una especificación para la ―Aplicación de Grano de Caucho Reciclado (GCR) en mezclas asfálticas en caliente (vía húmeda)‖ según Resolución No. 3841 del 5 de septiembre de 2011 (Instituto de Desarrollo Urbano – IDU y Alcaldía Mayor de Bogotá D.C., 2011).
Según la especificación técnica del IDU, el GCR puede ser el producto del raspado de llantas de camión, o vehículos ligeros en procesos de reencaucho, o del troceado de llantas, este deberá ser uniforme, libre de metal, u otros contaminantes. Deberá tener un tamaño inferior a 595 µ.
Se recomienda los siguientes intervalos de valores para modificar el ligante.
TABLA 1
El ligante modificado deberá cumplir con las propiedades de la siguiente tabla:
TABLA 2
Si al menos una de las propiedades especificadas, no se llega a cumplir se deberá calcular el porcentaje óptimo de GCR para modificar un ligante puro, mediante un programa experimental siguiendo las recomendaciones señaladas en la tabla 1.
Si la mezcla de asfalto no se usa dentro de las primeras 4 horas después del tiempo de reacción, manteniéndose a una temperatura superior a 155°C y es nuevamente calentada, esto se debe considerar como un ciclo de calentamiento, el número total de ciclos de calentamiento no debe ser superior a 2, mientras la mezcla se mantenga a altas temperatura se debe mantener en agitación constante, para evitar separación del GCR y el cemento asfaltico.
INVESTIGACIONES Y PROYECTOS REALIZADOS EN BOGOTA CON GCR
El IDU junto con la universidad de los Andes, desarrollaron una investigación entre los años 2001 – 2005, el objetivo de la investigación era estudiar la factibilidad de la aplicación, establecer los beneficios y proponer especificaciones iniciales. El corredor escogido por el IDU para llevar a cabo el proyecto se encuentra ubicado sobre la carrera 96, comprendido entre la calle 67A y la calle 63 más conocida como Avenida José Celestino Mutis. Como para toda obra vial, sobre el corredor escogido se llevó a cabo una completa caracterización de la subrasante y de las capa granulares existentes. Sobre el corredor fueron colocadas cinco (5) tipos de mezclas con ligantes diferentes pero de igual granulometría, entre las mezclas colocadas se incluyeron dos tipos de mezclas con ligantes comerciales modificados con polímeros para que sirvieran de comparativo con las mezclas objeto del estudio. Terminada la construcción de la pista de prueba, se dio inicio a un año de auscultación y seguimiento de los tramos construidos, Se examinaron los procesos por vía húmeda y vía seca.
Algunas de las conclusiones de este estudio de acuerdo con IDU y Universidad de Los Andes son las siguientes:
El costo/eje (beneficio-costo) puede disminuirse en un 20% y 57% cuando se modifica la mezcla por vía seca utilizando 1% y 2% de GCR respectivamente con respecto al peso total de la mezcla. Las mezclas modificadas con asfalto-GCR son más durables y por lo tanto con menor necesidad de mantenimiento.
El grano de caucho reciclado (GCR) obtenido de llantas usadas puede ser utilizado confiablemente para mejorar las propiedades mecánicas de las mezclas asfálticas usándolo como un modificador del ligante (proceso húmedo).
Los resultados obtenidos mediante el proceso por vía seca no fueron los esperados, este tipo de mezcla se caracterizó por tener baja adherencia, y poca resistencia durante los ensayos de desempeño practicados. Se recomienda profundizar en este tipo de mezclas en especial en el tema de granulometría de la mezcla.
Entre menor sea el tamaño máximo del GCR que se utilice para mejorar las mezclas asfálticas o modificar el ligante serán mejores los resultados obtenidos, esto por el hecho que facilita la homogenización de la mezcla y disminuye los tiempos de reacción durante el proceso de modificación.
El GCR utilizado para el proceso húmedo mejora la resistencia a la fatiga de las mezclas asfálticas, sin embargo hace que los módulos dinámicos disminuyan.
La deformación plástica en ciertos casos es incrementada por la incorporación de caucho como modificador de ligante o como modificador de la mezcla, sin embargo para las mezclas modificadas mediante proceso húmedo los valores de velocidad de deformación se mantienen dentro del rango admisible (< 30 um/min.). Para la mezcla modificada por proceso seco la velocidad de deformación no cumplió con el rango admisible, ocupando las peores resistencias al ahuellamiento en conjunto con los ligantes no modificados.
Se puede trabajar con husos granulométricos convencionales para la fabricación de mezclas asfálticas mejoradas con caucho.
El empleo del GCR incrementa la vida útil de un pavimento.
Los costos de una mezcla asfáltica mejorada con GCR son mayores que los de una mezcla asfáltica convencional.
Luego de haber construido un tramo de prueba a escala real, sometido al clima y a las cargas reales, se puede concluir que la metodología por proceso húmedo es mucho más confiable que la metodología por proceso seco.
Los ligantes y mezclas con asfalto caucho se postulan como una excelente alternativa ambiental en la disposición de desechos de llantas, de la misma manera se abren paso como el ligante modificado del futuro a corto plazo en Colombia.
PROYECTOS REALIZADOS CON GCR
Rehabilitación de la Avenida Bosa entre la Avenida Agoberto Mejia y Autopista Sur
Desde enero de 2011 se realizan actividades de rehabilitación en la Avenida Bosa, entre la avenida Agoberto Mejía o carrera 80 y la autopista Sur o carrera 57 R sur, a través del Distrito de Conservación de Occidente de la Dirección Técnica de Mantenimiento del Instituto de Desarrollo Urbano.
En algunos segmentos de esta obra se implementó GCR con el objetivo de generar mayor durabilidad del pavimento. La ejecución de esta obra está a cargo de Unión Temporal Mantenimiento Vial Bogotá, con la interventoría del Consorcio Interviales.
VISCOSIDAD DE CORTE CERO (ZSV)
Definición:
Los asfaltos son materiales termoplásticos, A ciertas temperaturas se comportan como fluidos newtonianos y en otras no. El cambio se produce a las denominadas temperaturas de transición.
Existe una primera transición a bajas temperaturas (bajo cero) donde el asfalto pasa de un régimen elástico a uno visco elástico a medida que aumenta la temperatura. Esta temperatura es próxima a -20 ºC para los asfaltos convencionales. La otra transición se da para altas temperaturas donde se pasa del comportamiento visco elástico a uno viscoso puro. Los asfaltos convencionales presentan esta transición a temperaturas de 60 ºC aproximadamente, en cambio los asfaltos modificados con polímeros pueden presentan esta transición a mayores temperaturas. Son necesarias temperaturas superiores a 95 ºC para generar la transición vítrea del poliestireno en el SBS y romper la red de polímero dentro del asfalto.
Por lo antes dicho, para las altas temperaturas del pavimento los asfaltos convencionales tienen una respuesta del tipo newtoniano frente a esfuerzos de corte. Su comportamiento reológico es simple y su viscosidad es independiente de la velocidad de fluir. En los
asfaltos modificados no sucede lo mismo sino que se comportan como un fluido pseudo plástico, en el que la respuesta reológica es fuertemente dependiente de la velocidad de flujo. Sin embargo a muy bajas velocidades de flujo el comportamiento se torna menos complejo y se asemeja al de un fluido newtoniano. Para velocidades muy bajas la energía se va disipando hasta que la resistencia al flujo que ofrece la estructura del material alcanza un valor constante. En este punto la viscosidad se hace independiente de la velocidad de corte. Esta viscosidad se conoce como viscosidad de corte cero (ZSV por su nombre en inglés) y es una propiedad intrínseca del ligante. Este parámetro es un indicador de dos características del ligante relacionadas con las deformaciones permanentes: a) la rigidez del asfalto y b) su resistencia a la aparición de deformaciones permanentes por efecto de cargas sostenidas de larga duración.
¿Que intenta reemplazar?
Investigadores estudiaron reemplazar dentro de la especificación SHRP el G*/senδ por la ZSV como parámetro de especificación para las altas temperaturas en asfaltos modificados.
Se ha comprobado que el G*/sen δ clasifica eficientemente el desempeño de asfaltos vírgenes sin embargo no define satisfactoriamente el comportamiento de asfaltos modificados con polímeros; asfaltos modificados que presentaron menores G*/sen δ mostraron mejores resultados frente al ahuellamiento que otros con mayor valor de G*/sen δ.
El parámetro G*/sen δ no tiene una aceptable correlación con los resultados de ahuellamiento cuando se consideran en conjunto, sin embargo el parámetro representa bien el comportamiento de los asfaltos convencionales y los multigrados.
En base al criterio de ZSV los asfaltos modificados presentaron aproximadamente 12 ºC más de temperaturas de alta a la obtenida a través del criterio tradicional del G*/senδ. Esto equivale a un salto de dos grados en la valoración del grado de desempeño de los ligantes modificados.
Mediante el uso de la ZSV es posible poner en un mismo plano de comparación asfaltos convencionales y modificados.
¿Cómo se determina?
Existen diversos procedimientos experimentales para medir la ZSV, entre ellos:
El ensayo de barrido de frecuencias (frequency sweep test).
La muestra de asfalto es sometida a diferentes frecuencias de oscilación utilizando un DSR a una dada temperatura. Durante el ensayo se mantiene la amplitud de oscilación constante. Para cada frecuencia se evalúa la viscosidad del asfalto. Esta viscosidad es denominada compleja ya que se calcula a partir del módulo complejo (G*)
donde ω es la velocidad angular.
La viscosidad decrece con el incremento de la velocidad de carga entre dos valores de viscosidad bien definidos, una superior (ho, la ZSV) tendiendo a velocidades de carga cero y la viscosidad limite (h∞) para velocidades tendiendo a infinito.
El ensayo de barrido de velocidades de corte (shear rate sweep test).
El ensayo de barrido de velocidades de corte es similar al de frecuencias. La muestra se somete a diferentes velocidades de corte y se evalúa la viscosidad cinemática del asfalto.
El ensayo de fluencia a tension constante y posterior relajacion hasta alcanzar un estado estable de fluir (creep test).
En un ensayo de fluencia, la muestra de asfalto es sometida a una tensión constante y se mide la evolución de las deformaciones en el tiempo. En estas condiciones el asfalto presenta primero una deformación elástica instantánea, seguida de una deformación visco-elástica para, finalmente, si el tiempo de ensayo es suficientemente largo, presentar una deformación viscosa pura.
La fluencia (creep) se puede modelar a través de un simple sistema de resortes y amortiguadores hidráulicos colocados en configuraciones de serie y paralelo, que se conoce como modelo de Burger.
Usualmente este modelo se escribe en términos de lo que se conoce como “compliance” en lugar de las deformaciones. El creep compliance se define como la deformación medida dividida la tensión aplicada, y es proporcional a la deformación e independiente del nivel de tensión aplicado si se está dentro del rango lineal visco-elástico del ligante. En el modelo de Burger las deformaciones viscosas puras están representadas por el término t/ηo. Durante el ensayo es necesario alcanzar el estado de deformación viscosa puro que se denomina estado estable de fluir, en estas condiciones la tasa de deformación en función del tiempo se vuelve constante y la ηo obtenida de aplicar el modelo de Burger es la ZSV del asfalto.
γ(t): deformacion.
τ0: tension de corte constante aplicada.
J0 : compliance elastico (deformacion elastica).
Jdѱ (t): compliance visco-elastico retardado (deformacion visco-elastica).
t/h0: compliance viscoso puro (deformacion viscosa).
ѱ(t): funcion de memoria.
h0: viscosidad de corte cero (ZSV).
La tensión aplicada durante el ensayo de fluencia debe ser lo suficientemente baja como para mantener las mediciones dentro del rango lineal visco-elástico del asfalto.
Para asfaltos convencionales se está dentro de este rango con tensiones de corte menores a 5000 Pa (Groupement Professionnel des Bitumes, 2001), pero para asegurar el régimen lineal con asfaltos modificados con polímeros es necesario aplicar tensiones entre 10 y 50 Pa (Dezmanes et al., 2002). En ciertas ocasiones esta tensión se puede llevar hasta 100 Pa para los asfaltos modificados (Morea et al. 2010).
Una vez retirada la carga comienza la etapa de recuperación. Las deformaciones que se producen en esta etapa son primeramente una recuperación elástica instantánea seguida de una recuperación visco-elástica retardada quedando finalmente, para suficiente tiempo de relajación, una deformación permanente, Con esta deformación permanente irrecuperable es posible calcular también la ZSV, ecuación , donde Jv es el compliance viscoso resultante de dividir esta deformación irrecuperable por la tensión de corte aplicada en la etapa de carga y tcreep es el tiempo durante el cual se aplicó dicha tensión de corte. Este valor de ZSV debería ser similar al obtenido con el modelo de Burger.
El ensayo de fluencia/cargas repetitivo (multi creep test).
En el ensayo de creep repetitivo una muestra de asfalto es sujeta a múltiples ciclos de carga y descarga en un DSR.. El ensayo de creep repetido se basa en el comportamiento de las cargas cíclicas que ejerce el transito sobre el pavimento. Este ensayo permite medir la respuesta del ligante frente a la acumulación de deformaciones permanentes a la vez que evalúa la respuesta elástica del material mismo.
En el ensayo de creep repetitivo los tiempos de carga y descarga así como la tensión aplicada son seleccionados tratando de simular la posible velocidad y carga del tránsito.
El criterio usado la selección de la tensión va en conjunción con los tiempos de carga y descarga seleccionados de manera que las deformaciones permanentes excedan en 20 veces la resolución de medición de deformaciones mínima del reómetro. Durante el ensayo un total de 100 ciclos son aplicados a la muestra. Luego los datos para el ciclo 50 y 51 son ajustados con el modelo de Burger obteniendo del mismo el resultado de la ZSV.
MEZCLAS TIBIAS
Las Mezclas semicalientes (WMA: Warm Mix Asphalt) son un grupo de tecnologías que permiten reducir las temperaturas de fabricación y puesta en obra del aglomerado. Este tipo de tecnología reporta distintos beneficios.
Ventajas
• Reducción de emisiones: al reducir la temperatura se reduce de manera exponencial las emisiones de gases contaminantes. Hay datos que indican que se reducen entre un 30-40% la cantidad de CO2 y SO2; sobre un 50% la cantidad de compuestos orgánicos volátiles (VOC); entre el 10-30% de CO; entre el 60-70% de NOX.
• Reducción de combustible: La reducción de la temperatura reduce también en gran medida el consumo energético de las plantas. Se estima un ahorro entre el 11 y el 35%.
• Beneficios prestacionales: este tipo de tecnología permite trabajar a temperaturas ambientes más bajas, mayores distancias planta-extendido, y con energías de compactación menores.
• Reducción de la exposición de los trabajadores: se reduce significativamente las emisiones de humos e hidrocarburos policíclicos aromáticos al que los trabajadores están expuestos. Se considera una reducción entre el 30-50
El objetivo: alcanzar el desempeño de las mezclas asfálticas en caliente
• Diferentes tecnologías para reducir la temperatura de mezclado
– Sistemas mediante el uso de aditivos
– Sistemas a base de espuma
– Sistemas basados en tecnología de emulsiones
– Ligantes sintéticos a base de bio componentes
Para modificar el comportamiento reológico de los betunes se pueden utilizar ciertos aditivos. Cada aditivo modifica la curva de viscosidad Vs. Temperatura de un modo concreto. Lo difícil es conseguir rebajar la viscosidad a elevadas temperaturas sin que se rebaje ésta a bajas temperaturas de tal modo que no se comprometa la resistencia de la mezcla frente a las deformaciones plásticas.
Modificadores que reducen la viscosidad
Los aditivos que reducen la viscosidad del ligante a temperaturas superiores a los 100ºC. son conocidas como ceras.
ceras Slack: Las ceras slack son productos comercialmente accesibles que presentan puntos de congelación próximos a los 41/42ºC, están constituidos en un 90% por cadenas de n-alcanos con un número de carbonos que varía entre 19 y 36. El 10% restante es, mayoritariamente, cadenas ramificadas de alcanos. Esta cera es similar a las ceras macrocristalinas parafínicas que se encuentran en la mayoría de los betunes, que están compuestas por n-alcanos con contenidos mínimos en iso y ciclo-parafinas. Tienden a cristalizar como placas o agujas. Los puntos de fusión se encuentran normalmente entre los 50-70ºC cuando están aisladas, cuando están incorporadas en el betún los puntos de fusión suelen disminuir unos 20ºC.
De los ensayos reológicos se observa que los valores del módulo complejo para el betún aditivado con cera slack presenta menores valores del módulo complejo en todo el rango de temperatura, y un mayor ángulo de fase, lo que indica una menor elasticidad comparada con el betún base, en sólido.
Fischer-tropsch: son ceras no parafínicas, 100% sintéticas, obtenidas a partir de gas natural y agua. Se tratan de cadenas hidrocarbonadas alifáticas (C40-C120), con puntos de fusión entre 90-114 ºC. Al contrario que con la cera slack, esta cera aumenta los valores del módulo complejo, G*, por encima de los valores propios del betún base. Esta cera aumenta la rigidez del betún. A su vez, los valores del ángulo de fase son menores que los del betún base, lo que hace que el betún sea más elástico a bajas temperaturas que el betún de referencia
Aumenta la viscosidad a temperaturas de servicio, reduciendo la penetración, aumentando el punto de reblandecimiento y el índice de penetración.
La adición de un 3% no altera las propiedades a bajas temperaturas.
Aumenta el intervalo de plasticidad.
No altera la ductilidad.
No altera la resistencia al envejecimiento.
Confiere algo de elasticidad al ligante.
Modifica sustancialmente la susceptibilidad térmica del ligante: aumenta la viscosidad por debajo de los 100ºC y la disminuye por encima de esta temperatura.
• Reduce las temperaturas de mezclado y compactación.
• Mejora la resistencia a deformaciones plásticas.
amidas de ácidos grasos: se tratan de ceras no parafínicas, parcialmente sintéticas. Tienen un punto de fusión próximo a los 130ºC. Contiene cadenas hidrocarbonadas de 16 átomos de carbono enlazadas por grupos amida, el peso molecular es de 578 g/mol, lo que es relativamente bajo en comparación con las ceras de Fischer-Tropsch.
ceras de polietileno: son 100% sintéticas con puntos de fusión comprendidos entre 110 y 130ºC. Esta cera de polietileno es utilizada como lubricante para plásticos y cauchos, masterbatches, hot melts y para el recubrimiento de papel, pero no se conoce su aplicación como modificador del betún.
Aumenta la rigidez del ligante conforme aumentamos el porcentaje de la cera. Respecto a la viscosidad rotacional se ha encontrado una tendencia parecida al de la cera F-T, pero en este caso la caída figura 11. curvas non-reversing para la cera f-t al 3%.220 de la viscosidad se produce a temperaturas mayores (entre 130-140ºC) que coincide con el punto de fusión de esta cera.
Asfalto Espumado
como ligante en el proceso de maquinado de la mezcla bituminosa, y las características excepcionales de la mezcla resultante permiten que se reduzca la temperatura de compactación para un intervalo de 90 a 130ºC (Mezcla tibia); La durabilidad de los pavimentos se potencia debido a la mejor compactación de la mezcla bituminosa que conduce a un volumen de vacíos menor; • El maquinado a temperaturas más bajas minimiza el envejecimiento del ligante bituminoso por oxidación, preservando su respuesta elástica principalmente en lo que se refiere a la fadiga de los revestimientos asfálticos; Mejora la trabajabilidad de la mezcla bituminosa y facilita/optimiza su compactación de la mezcla bituminosa; Reduce el consumo de combustible de la planta en hasta un 30%; Reduce significativamente la emisión de gases como CO2, CO y NO2,
mejorando la calidad del aire durante la producción de la mezcla bituminosa; Reduce la exposición de los trabajadores a los humos y olores tanto en la planta como en la aplicación; Permite la aplicación de la mezcla bituminosa en regiones geográficas más frías, en estaciones más frías y en períodos más fríos (servicio nocturno o a la gran distancia); Permite el transporte de mezcla bituminosa a distancias mayores por el potencial de enfriamiento menor; Abertura al tráfico sobre la mezcla bituminosa de manera más rápida; • Posibilita la ejecución de remiendos y aplicación de capas delgadas con mejor calidad; Permite la utilización de un volumen mayor de RAP; permite la aplicación en lugares de acceso restringido, trabajo urbano y de conservación (como juntas, trabajos manuales e incluso remiendos superficiales y profundos) con mejor calidad y acabado. Estos servicios por su característica demandan espacio de tiempo mayor para ser ejecutados y en condiciones normales perjudicarían la calidad de la aplicación de una mezcla bituminosa en caliente tradicional.