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 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 Directora de tesis Carolina Carolina Álvarez Valencia por por su confianza y apoyo 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, 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 Marisol Aristizabal, Xavier Xavier Cuellar, Cuellar, Juan Pablo Pablo Bolívar, Andrés Duque, José William Restrepo, Maria Jaqueline Espinosa, Ana María Zambrano, Alejandro Valencia, que gracias a sus conocimientos 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 1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 1.3 OBJETIVOS DEL PROYECTO 1.3.1 OBJETIVO GENERAL 1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1.4 MARCO DE REFERENCIA
14 15 16 16 16 16
2 METODOLOGÍA DEL PROYECTO
22
3 ASFALTO
23
3.1 USOS DEL ASFALTO EN COLOMBIA 3.2 HISTORIA DEL ASFALTO
24 25
4 POLÍMEROS
26
4.1 EL POLIESTIRENO EXPANDIDO (EPS -EXPANDED POLYSTYRENE) 4.1.2 USOS Y APLICACIONES 4.2 CAUCHO (HULE) 4.2.1 PROPIEDADES 4.3 USOS Y APLICACIONES
26 27 27 27 28 28
5 POLÍMEROS Y RECICLAJE
29
5.1 RECICLAJE MECÁNICO 5.2 RECICLAJE QUÍMICO
29 30
6 RECICLAJE DEL POLIESTIRENO EXPANDIDO (EPS)
31
4.1.1 PROPIEDADES
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 8.1.1. TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS 8.1.2. VISCOSIDAD: 8.1.3. TIEMPO DE MEZCLADO: 8.1.4. NATURALEZA DE LOS MATERIALES:
35 35 36 36 36
9 APLICACIÓN DE POLÍMEROS RECICLADOS A PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
37
10 ESPECIFICACIONES DE ASFALTOS MODIFICADOS
38
10.1 DESCRIPCIÓN ENSAYOS A REALIZAR 10.1.1 PUNTO DE ABLANDAMIENTO ANILLO Y BOLA 10.1.2 Í NDICE DE PENETRACIÓN 10.1.3 ESTABILIDAD DE ALMACENAMIENTO
40 40 44 46
11 EXPERIENCIA EN LOS ENSAYOS
48
12 DISEÑO DE EXPERIMENTOS
49
13 MATERIALES UTILIZADOS
51
13.1 CAUCHO DE LLANTA TRITURADA 13.2 POLIESTIRENO EXPANDIDO (EPS)
51 53
14 MODIFICACIÓN DEL ASFALTO
54
14.1 MEZCLA ASFALTO – CAUCHO - AZUFRE 14.2 RESULTADOS OBTENIDOS 14.3 ENSAYO ESTABILIDAD AL ALMACENAMIENTO 14.4 MEZCLA ASFALTO – POLIESTIRENO EXPANDIDO (EPS) 14.5 RESULTADOS OBTENIDOS 14.6 POSIBLES CAUSAS DE LA NO INTERACCIÓN ASFALTO POLÍMERO 14.6.1 TAMAÑO DE LAS PARTÍCULAS 14.6.2 VISCOSIDAD
54 55 60 61 62 64 64 64
14.6.3 TIEMPO DE MEZCLADO 14.6.4 NATURALEZA DE LOS MATERIALES
65 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 otros 1. 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 años 2, 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") (Sociedad Nacional Poliestireno Expandido (ANAPE), 1970)
3
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 polímeros 6. 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 tradicional 7. 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) (Universidad Autónoma de Zacatecas "Francisco García Salinas") 6 (Alvarez, 2010) 7 (Universidad Autónoma Metropolitana) 5
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 m ezcla 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) (ABC (Administradora Boliviana de Carreteras), 2010)
10
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 fraccionamiento y condensación 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, viscoelástico, este comportamiento 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) (Rodríguez Talavera, Castaño Meneses, Martínez Madrid, & Hernández Padrón, 2001)
12
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 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 fabricaci ón 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 utilizació n de asfalto en la construcción de carreteras en Londres.
1870
Se introduce la utilización utilizació n de asfalto en la construcción construcci ón 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 asfálti ca 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 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 Styropor 17.
14
(Educar-Chile, 2007) (Maxil Coyopotl & Salinas Hernández, 2006) 16 (Textos científicos, 2005) 17 (Textos científicos, 2005) 15
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 concretos 19.
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) (Textos científicos, 2005)
19
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) (Textos científicos, 2005)
21
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 otros 22. 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 benzoico 24.
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) (Compromiso empresarial para el reciclaje (CEMPRE), 2003) 24 (Compromiso empresarial para el reciclaje (CEMPRE), 2003) 23
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 años 27) 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 consumirlo 28. 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) (árboles, jardines, medio ambiente y sociedad, 1997) 28 (árboles, jardines, medio ambiente y sociedad, 1997) 29 (Asociación nacional de poliestireno expandido, 2002) 27
7 RECICLAJE DEL CAUCHO DE LLANTA En Colombia se desechan anualmente cinco millones de neumáticos o llantas 30, 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 cáncer 31. 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) (Universidad Don Bosco, Departamento de Medio ambiente, 2008)
31
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 visualmente 33. 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) (Avellán Cruz, 2007)
33
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 rotura 34.
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
Asfalto Original
0,1mm
E-706
55
70 55
70 55
Penetración (25ºC,100g,5s) Punto de ablandamiento con aparato de anillo y bola
ºC
E-712
58
58
cm
E-702
Ductilidad(5ºC, 5cm/min)
%
E-727
Recuperaciónelástica por torsión a 25ºC Estabilidad al almacenamiento (*) Diferencia en el punto de ablandamiento Contenido de agua
ºC
E-726 Y E-712
5
ºC
E-704
0,2 230
%
E-709
ºC
E-720
Punto de ignición mediante la copa abierta Cleveland Residuo del ensayo perdida por calentamiento en película delgada en movimiento
E-720
Tipo II
15
Tipo III
Tipo V
80
130 15
65
60
65
15
15
30
40
70 0,2
70
Tipo IV
5
70
0,2 230
5
15
0,2 230
40
5 0,2
230
230
1
1
Pérdida de masa % E-706 1 1 Penetración del residuo luego de la pérdida por calentamiento película delgada en movimiento % penetración Inicial % E-702 65 65 65 60 (*) 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.
1 70
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, % Caucho (%) Azufre (%)
60-70
EPS (%)
15 20 1 1,5 Temperaturas,(°C) 135 150 180 135 150 180 Ensayos Punto de Punto de Penetración Penetración ablandamiento ablandamiento 6 3 Temperaturas, (°C) 180 135 150 180 135 150 Ensayos Punto de Punto de Penetración Penetración ablandamiento ablandamiento
25 2% 135 Penetración
135 Penetración
150
180
Punto de ablandamiento 9 150
180
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 caucho 40, 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) (Arias, Joskowicz, Rojas, Villegas, Escobar, & Colina, 2008) 40 (Arias, Joskowicz, Rojas, Villegas, Escobar, & Colina, 2008) 39
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) Descripción Densidad Forma Física Rango de dimensión % de presencia de acero % de presencia de textiles
Ficha técnica Caucho vulcanizado Granulado 1.109 gr/cm3 a 25°C (según norma ASTM D792) Gránulos de forma irregular 0.50 – 0.85 mm Menos de 0.1% 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
Temperatura
(mm)
(°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
52
68
150 - 180
Asfalto 60 -70
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
TIPO I
TIPO II
TIPO III
Min. Max
Min. Max.
Min. Max.
NORMA
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 Δ < 4 si
Mezcla Punto de Punto de Temperatu Δ Puntos de cumple (caucho/azufr ablandamien ablandamien ra (°C) ablandamien Δ > 4 no e) to inicial(°C) to final (°C) cumple to (°C) 20% - 1,5 % 20% - 1,5 %
55 54
48 52
150 180
7 No cumple 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 f iguras 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 ABC (Administradora Boliviana de Carreteras). (11 de 02 de 2010). Carreteras. Recuperado el 22 de 08 de 2010, de http://carreterasyvias.blogspot.com/2010/02/la-abc-aplica-asfalto-con-polimerospor.html Alcaldía mayor de Bogota. (2009). Programa de reciclaje de las instituciones de educación superior. Recuperado el 10 de 06 de 2011, de http://www.programadereciclajepries.com/TALLER_CAPACITACION_A_SERVICIOS_GENERALE S%20IES.pdf Alvarez, C. (17 de 08 de 2010). Avances en pavimentos. (L. Ramirez, Entrevistador) American Society for Testing Materials (ASTM). (2002). Asphalt pavements. standar specification for asphalt Rubber Binder. D 6114 - 97 . árboles, jardines, medio ambiente y sociedad. (1997). árboles y medio ambiente. Recuperado el 10 de 06 de 2011, de http://www.arbolesymedioambiente.es/corcho.html Arias, L., Joskowicz, P., Rojas, I., Villegas, C., Escobar, J. M., & Colina, E. (2008). Asfalto venezolano modificado con polimero SBS. Cuarto congreso venezolano del asfalto , (pág. 26). Paraguaná. Askeland, D. R. (1998). Ciencia e ingenieria de los materiales. thomson. Asociación nacional de poliestireno expandido. (2002). ANAPE. Recuperado el 22 de 06 de 2011, de http://www.anape.es/pdf/eco-eps.pdf Avellán Cruz, M. D. (Mayo de 2007). Asfalto modificado con polímeros. Trabajo de grado . San Carlos, Guatemala: Universidad de San Carlos de Guatemala. BASF. ASFALTO MEJORADO CON LATEX DE ESTIRENO-BUTADIENO. Cuarta semana tecnica del asfalto, (pág. 19). Cartagena. Cantanhede, A., & Monge, G. (12 de 2002). Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente . Recuperado el 27 de 08 de 2010, de Estado del arte del manejo de llantas usadas en las americas: http://www.cepis.ops-oms.org/bvsacd/cd24/manejo.pdf Cárdenas, J., & Fonseca, E. (2009). MODELACIÓN DEL COMPORTAMIENTO REOLÓGICO DE ASFALTO CONVENCIONAL Y MODIFICADO CON POLÍMERO RECICLADO, ESTUDIADA DESDE LA RELACIÓN VISCOSIDAD-TEMPERATURA. Revista EIA , p 125 - 137. CEDEX . CEDEX. (s.f.). Recuperado http://www.cedex.es/lg/geofis/cd_hole.htm
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