1 ANTECEDENTES

Este proyecto hace parte de un estudio contratado por El Instituto de Desarrollo Urbano, IDU, con la Universidad de Los Andes como parte de un pro-grama de investigación para mejorar el comporta-miento de las mezclas asfálticas que se colocan en la ciudad de Bogotá.

2 MARCO TEÓRICO

Algunos estudios iniciales en la década de los cin-cuenta involucraron la adición de caucho natural con el objeto de aprovechar su flexibilidad y lograr una superficie del pavimento eficiente y duradera, obte-niendo resultados que proporcionaban pequeños o nulos beneficios en un pavimento asfáltico modifi-cado con un mayor costo y una vida de servicio más

corta que la de un convencional. Sólo hasta la déca-da de los sesenta se encontró una formulación satis-factoria al realizar estudios con caucho sintético.

3 METODOLOGÍA

La investigación abarca desde la caracterización de los materiales, el diseño y estudio de las propiedades mecánicas de las mezclas asfálticas mejoradas con caucho, y la evaluación de las mejoras en la vida útil del pavimento. En la modificación del ligante se es-tudiaron las condiciones de incorporación del GCR, y su posterior uso en mezclas asfálticas en caliente. Para el mejoramiento de las mezclas asfálticas se es-tudió la incorporación del GCR como un árido fino, manteniendo los husos granulométricos convencio-nales. Las mezclas asfálticas se analizaron bajo una perspectiva mecánica y volumétrica.

Mezclas asfálticas mejoradas con caucho molido proveniente de llantas usadas

M. Ocampo, B. Caicedo & D. González Universidad de Los Andes, Bogotá D.C., Colombia

RESUMEN: El objetivo principal de este estudio fue el de establecer de manera confiable la metodología a seguir para mejorar las propiedades mecánicas y de durabilidad de las mezclas asfálticas utilizando caucho molido. Estas eventuales mejoras se deberán traducir en un aumento en la vida útil del pavimento, lo que al ser complementado con un análisis beneficio-costo permita concluir sobre las bondades en el uso del caucho molido como mejorador de mezclas asfálticas. El caucho es obtenido de forma económicamente viable usan-do llantas desechadas las cuales deben ser molidas hasta obtener tamaños apropiados, resolviendo de paso el problema ambiental que estos generan al finalizar su vida útil; este caucho recibe el nombre de grano de cau-cho reciclado ó GCR. Este caucho reciclado puede ser adicionado a las mezclas asfálticas mediante dos pro-cesos, mezclándolo con el ligante o proceso húmedo, y mezclándolo con los agregados o proceso seco.

ABSTRACT: The principal objective of this study was of establishing of reliable way the methodology to be used to improve the mechanical properties and the permanence of the hot mix asphalt using crumb rubber. These eventual improvements will have to be reflected in an increase in the lifetime of the pavement, which complemented on an analysis benefit - cost allows to conclude on the kindnesses in the use of the rubber as modifier of hot mix asphalt. The rubber is obtained in a economically viable way using waste tire rubber which must be reduced up to obtaining appropriate sizes, resolving the environmental problem that these gen-erate when their lifetime is over; this rubber receives the name of crumb rubber modifier, CRM. This recycled rubber can be introduced into the hot mix asphalt by either blending it into the hot asphalt cement, wet proc-ess, or by blending it in with the aggregates, dry process.

3.1 Características fisicoquímicas de las llantas Las principales materias primas utilizadas en la fa-bricación de llantas son cauchos naturales ó látex, y sintéticos como el SBS y SBR, acero, textiles y adi-tivos, entre los que se destacan el negro de humo, aceites, óxido de zinc activado con cadmio, dióxido de titanio, sulfuro, sílica, resinas fenólicas y ácidos grasos.

3.2 Las llantas desechadas La quema directa de las llantas desechadas provoca graves problemas medioambientales, ya que produce emisiones de gases que contienen partículas nocivas para el entorno. El almacenamiento provoca pro-blemas de estabilidad por la degradación química parcial que éstas sufren, ocupan un espacio considerable, e imposibilitan la compactación de los vertederos. Las montañas de llantas forman arrecifes donde la proliferación de roedores, insectos y otros animales dañinos constituye un problema añadido.

Algunas formas de tratamiento de las llantas usa-das son: termólisis, pirolisis, incineración, tritura-ción criogénica, trituración mecánica, entre otras.

3.3 Aplicación del GCR en los pavimentos El caucho de llantas usadas puede ser incorporado en las mezclas asfálticas por medio de dos métodos diferentes denominados proceso húmedo y proceso seco. En el proceso húmedo, el caucho actúa modifi-cando el ligante, mientras que en el proceso seco el caucho es usado como una porción de agregado fino.

Una de las principales características que presen-ta el cemento asfáltico modificado con GCR es el aumento en la viscosidad de la mezcla resultante, haciéndola más flexible a bajas temperaturas y me-nos plástica a altas. Entre los principales beneficios en los pavimentos están las mejoras a la deforma-ción permanente, a la fatiga, y la resistencia al fisu-ramiento a bajas temperaturas.

En el proceso por vía seca la cantidad requerida de ligante tiende a aumentar, también se requiere un proceso especial para adicionar el GCR en planta, y un mayor tiempo de compactación en obra; el proce-so por vía húmeda requiere un equipo adicional en planta para el mezclado y almacenamiento del asfal-to-caucho, así como cambio de bombas y tuberías, adicionalmente requiere mayor energía para calentar la mezcla a mayores temperaturas con tiempos de reacción prolongados.

El GCR se obtiene por trituración mecánica o molienda de llantas desechadas, y debe ser de con-

textura fina de tamaños menores a 6.3 mm (1/4”). Este posee valiosos componentes que pueden con-tribuir al buen desempeño del asfalto como lo son el negro de humo que es un antioxidante, las aminas, los aceites aromáticos, y los elastómeros SBS y SBR

3.3.1 Proceso por vía húmeda En este proceso el GCR es mezclado con el ligante para producir una mezcla asfalto-caucho, la cual es usada de la misma manera que un ligante modifica-do. La proporción del GCR normalmente se encuen-tra entre el 14% y el 20%, dependiendo del ligante, por peso del total de la mezcla asfalto-caucho.

Figura 1. Esquema de fabricación de asfalto modificado con caucho por la vía húmeda.i

Cuando el cemento asfáltico y GCR son mezcla-dos, el GCR reacciona con el ligante hinchándose y ablandándose por la absorción de aceites aromáticos, no siendo esta una reacción de tipo química. El gra-do de modificación del ligante depende de muchos factores, entre los cuales se encuentran el tamaño y textura del GCR, la proporción y tipo del cemento asfáltico, el tiempo y temperatura de mezclado, el grado de agitación mecánica durante la reacción de la mezcla, el componente aromático del cemento as-fáltico, y el uso de aditivos.

El cemento asfáltico modificado con GCR me-diante el proceso húmedo ha sido usado ampliamen-te como ligante en la reparación de grietas y sello de juntas, tratamientos superficiales, membranas retar-dantes de fisuras, y en la elaboración de mezclas as-fálticas en caliente.ii

El proceso húmedo se llevó a cabo para estudiar la variación en las propiedades del cemento asfáltico al ser mezclado con las partículas de caucho y su posterior comportamiento en las mezclas asfálticas. Este proceso se realizó siguiendo las Especificacio-nes típicas del Departamento de Transporte de Cali-fornia EE.UU., CALTRANS, en el artículo especial para Granulometría discontinua.

Tabla 1. Granulometría de Áridos recomendada por CAL-TRANS para una granulometría discontinua.

Tamiz Tamaño Máximo Nominal Normal Alterno ¾” ½”

19.0 mm 3/4” - 100 12.5 mm 1/2” 90-100 90-100 9.5 mm 3/8” 60-68 79-87

4.75 mm No. 4 32-40 32-40 2.38 mm No. 8 18-24 18-24 595 µm No. 30 9-12 9-12 74 µm No. 200 2-7 2-7

La granulometría que se estudió fue la propuesta

para el tamaño máximo nominal de ½”. Se trabajó con dos tipos de cemento asfáltico, de

Apiay y Barrancabermeja, y porcentajes de adición de caucho de 15% y 20% para Barrancabermeja, y 10, 13, 15 y 20% para Apiay. Adicionalmente se trabajó con otras dos variables, el tiempo de reac-ción y la temperatura de mezclado del asfalto-caucho.

Las temperaturas de mezclado analizadas fueron 155ºC y 165ºC, y los tiempos de reacción de 45, 50, 55, 60, 70 y 80 minutos. La energía de agitación se estableció en 100 rpm.

Tabla 2. Granulometría del Caucho utilizada en la modifica-ción del cemento asfáltico por el proceso húmedo

Tamiz Normal Alterno Porcentaje que pasa

595 µm No. 30 100 297 µm No. 50 7.5 74 µm No. 200 1.5

De acuerdo a CALTRANS la viscosidad Brook-

field a 163°C del ligante modificado con GCR debe encontrarse entre 1500 y 3000 cPs. Verificando la viscosidad Brookfield a 163°C, y buscando menores tiempos de reacción y temperaturas de mezclado, se escogieron las mejores mezclas asfalto-caucho para cada ligante estudiado.

3.3.2 Proceso por vía seca. El proceso seco es cualquier método donde el GCR se adiciona directamente a la mezcla asfáltica calien-te, y es usado como un agregado fino que usualmen-te es mezclado con los áridos antes de adicionar el ligante. A diferencia del proceso húmedo, este pro-ceso sólo requiere un sistema de alimentación que proporcione la cantidad adecuada de GCR, y que pueda agregarlo en el momento indicado para que se mezcle con los áridos cuando estos alcancen cierta temperatura; normalmente el GCR es mezclado con los áridos antes de que el ligante sea adicionado.

El proceso seco puede ser usado para mezclas as-fálticas en caliente con granulometrías densas, abier-

tas o discontinuas. Por ser un proceso en el que no se modifica de manera completa el ligante, este no puede ser usado en otro tipo de aplicaciones como mezclas en frío, sellos o tratamientos superficiales.

Las dos tecnologías más comunes en Estados Unidos para el uso del GCR por vía seca son la tec-nología PlusRide y la Genérica ó sistema TAK; existe otra tecnología usada en muchos países de-nominada tecnología convencional, la cual fue des-arrollada en España.

En esta investigación se trabajó con la tecnología convencional, la cual emplea granulometrías con-vencionales que no implican consumos elevados de ligante, pero que aportan menos cantidad de caucho, aproximadamente 2% del peso total de los áridos. Estas mezclas asfálticas han sido evaluadas dinámi-camente en el laboratorio y colocadas en la vía con buenos resultados, empleando menos contenido de ligante que las tecnologías PlusRide y Genérica.

La granulometría de los áridos se escogió como tipo densa con el fin de adaptar a este diseño las granulometrías establecidas por el INVIAS en el Ar-tículo 450-96 para mezcla densa en caliente. Se tra-bajó con asfalto de Barrancabermeja, habiéndose in-corporado el caucho en dos proporciones diferentes, de 1% y 2% del peso total de los áridos. La cantidad óptima de ligante se determinó mediante el proce-dimiento Marshall evaluando el contenido de vacíos, la Estabilidad y el Flujo.

Tabla 3. Granulometría de Áridos para Mezcla Densa en Ca-liente establecida por el INVIAS según el Artículo 450-96

Tamiz Porcentaje que pasa Normal Alterno MDC-1 MDC-2 25.0 mm 1” 100 - 19.0 mm 3/4” 80-100 100 12.5 mm 1/2” 67-85 80-100 9.5 mm 3/8” 60-77 70-88

4.75 mm No. 4 43-54 51-68 2.00 mm No. 10 29-45 38-52 425 µm No. 40 14-25 17-28 180 µm No. 80 8-17 8-17 74 µm No. 200 4-8 4-8 El GCR se incorporó remplazando el porcentaje

adicionado por la porción fina correspondiente de los áridos, con el fin de no alterar la granulometría establecida por el instituto nacional de vías. Tabla 4. Granulometría del Caucho propuesta para vía seca

Tamiz Normal Alterno Porcentaje que pasa

2.00 mm No. 10 100 425 µm No. 40 21 180 µm No. 80 2 74 µm No. 200 0

4 ENSAYOS

4.1 Cemento asfáltico y asfalto-caucho La viscosidad aparente Brookfield sirvió de paráme-tro para la evaluar los ligantes modificados con GCR, y para determinar la curva reológica.

Sobre el cemento asfáltico no modificado y los modificados con caucho se realizaron ensayos con-vencionales como ductilidad, penetración, punto de ablandamiento y densidad, así como ensayos reoló-gicos y de envejecimiento incluidos en la metodolo-gía Superpave. Otra propiedad analizada fue la com-posición del ligante mediante el ensayo de cromatografía líquida en columna SARA.

4.1.1 Viscosidad Brookfield Este ensayo se realizó según la norma ASTM D

4402-87.

Tabla 5. Resultados de viscosidad Brookfield para Apiay Tiempo [min.] 45 50 55 60 70 80

Código Viscosidad Brookfield [cPs] A-10-155 800 600 1400 1200 1400 1400 A-10-165 1000 600 1200 1200 1600 600 A-13-155 1400 1200 1600 2000 1200 1200 A-13-165 1667 2000 2400 1600 3400 2800 A-15-155 3800 4000 5200 5200 6667 3867 A-15-165 4867 4667 5267 4000 3867 5467 A-20-155 5200 8400 6000 9400 10267 7600 A-20-165 7933 7800 6000 12200 10600 9200

De acuerdo a estos valores se escogió el diseño A-13-165-55 que corresponde a un cemento asfáltico de Apiay con 13% de GCR, en el cual el cemento asfáltico reaccionó con el caucho a una temperatura de 165°C por 55 minutos.

Tabla 6. Resultados de viscosidad Brookfield para Barranca-bermeja Tiempo [min.] 45 50 55 60 70 80

Código Viscosidad Brookfield [cPs] B-15-155 2200 2467 2000 2800 2533 1800 B-15-165 2133 1867 1867 2467 1933 2267 B-20-155 5200 8400 6000 9400 10267 7600 B-20-165 7933 7800 6000 12200 10600 9200 Para el ligante de Barrancabermeja se escogió el

diseño B-15-155-50 que corresponde a un cemento asfáltico de Barrancabermeja con 15% de GCR, en el cual el cemento asfáltico reaccionó con el caucho a una temperatura de 155°C por 50 minutos.

4.1.2 Ensayos reológicos Se realizaron ensayos con el reómetro de corte di-námico DSR, y con el reómetro de viga a flexión

BBR, con el fin de determinar el grado de desempe-ño de los ligantes estudiados.

Tabla 7. Resultados del ensayo de viga a flexión en el BBR. Paráme-

tro Tempe-ratura A B A-13-

165-55 B-15-

155-50 s(t) - - 63.5 - m(t) -6°C - - 0.314 - s(t) 171.5 140.0 117.0 131.5 m(t) -12°C 0.325 0.300 0.290 0.312 s(t) 320.0 486.0 - 249.0 m(t) -18°C 0.288 0.227 - 0.285

Ensayo realizado en TexPar Energy inc. Claremore EE.UU.

0

1

10

46 52 58 64 70 76 82 88

Temperatura [°C]

Mód

ulo

Com

plej

o [k

Pa]

Apiay BarrancabermejaA-13-165-55 B-15-155-50

Figura 3. Módulo complejo vs. Temperatura ligantes origina-les.

55

60

65

70

75

80

85

90

46 52 58 64 70 76 82 88Temperatura [°C]

Ángu

lo d

e fa

se [g

rado

s]

Apiay BarrancabermejaA-13-165-55 B-15-155-50

Figura 4. Ángulo de fase vs. Temperatura ligantes originales.

0

1

10

100

46 52 58 64 70 76 82 88Temperatura [°C]

Mód

ulo

Com

plej

o [k

Pa]

Apiay BarrancabermejaA-13-165-55 B-15-155-50

Figura 5. Módulo complejo vs. Temperatura ligantes depuse de RTFO.

55

60

65

70

75

80

85

90

46 52 58 64 70 76 82 88Temperatura [°C]

Ángu

lo d

e fa

se [g

rado

s]

Apiay BarrancabermejaA-13-165-55 B-15-155-50

Figura 6. Ángulo de fase vs. Temperatura ligantes después de RTFO.

1000

10000

100000

13 16 19 22 25 28 31 34 37Temperatura [°C]

Mód

ulo

Com

plej

o [k

Pa] Apiay Barrancabermeja

A-13-165-55 B-15-155-50

Figura 7. Módulo complejo vs. Temperatura ligantes después de PAV.

30

35

40

45

50

55

60

65

13 16 19 22 25 28 31 34 37Temperatura [°C]

Ángu

lo d

e fa

se [g

rado

s]

Apiay BarrancabermejaA-13-165-55 B-15-155-50

Figura 8. Ángulo de fase vs. Temperatura ligantes después de PAV.

4.1.3 Ensayos Convencionales

Tabla 9. Resultados de recuperación elástica en %, a 25°C. Cemento asfál-

tico A B A-13-165-55

B-15-155-50

Original 6.25 5.00 42.50 20.00 RTFO - - 72.50 22.50

Ensayo realizado en los laboratorios de TexPar Energy inc. Claremore EE.UU

Los ensayos de la tabla 9 se realizaron siguiendo

las normas del INVIAS.

Tabla 8. Resultados de ensayos convencionales sobre cemento asfáltico no modificado y modificado con GCR

Ensayo Ducti-lidad

[25ºC]

Penetra-ción

[25ºC, 100 g,

5 s]

Punto de ablan-

damien-to

Densi-dad

[25ºC]

Pérdida de masa

Código [cm] [1/10 mm] [ºC] g/cm³ [%]

Original A > 100 65 51.0 1.02 - B > 100 71 44.8 1.02 -

A-13-165-55 10.25 48 54.9 1.06 - B-15-155-50 11.50 52 54.7 1.03 -

RTFO A 48.50 45 51.7 0.97 1.14 B > 100 54 48.8 1.03 1.00

A-13-165-55 13.75 59 70.3 0.97 0.87 B-15-155-50 18.25 55 64.0 1.04 0.58

PAV A 9.90 38 62.3 0.89 - B 7.75 18 66.9 0.99 -

A-13-165-55 5.75 28 85.9 1.02 - B-15-155-50 12.75 40 94.1 1.05 -

4.2 Mezclas asfálticas convencionales y mejoradas con caucho. En el proceso seco, una vez determinado el conteni-do de ligante mediante el diseño Marshall, se proce-dió a la buscar el porcentaje óptimo de GCR me-diante evaluación dinámica con deformación permanente, resistencia a la fatiga y módulos diná-micos. En el húmedo la valoración del módulo di-námico a 25°C y 10 Hz sirvió para determinar el contenido óptimo de ligante modificado con GCR, complementándolo con el análisis del contenido de vacíos. Una vez determinado el contenido de ligante se evaluó la mezcla asfáltica mediante ensayos de deformación permanente y resistencia a la fatiga.

4.2.1 Diseño Marshall Tabla 10. Resultados de los diseños Marshall

Ensayo Vacíos con aire

Conte-nido de ligante

Estabili-dad Flujo Peso

Unitario

[%] [%] [kg] [mm] [g/cm3]

Norma INV E-736 - INV E-

748 INV E-

748 INV E-

733 Especifica-

ción 4-6 min. 750 2-3.5 -

MDC-1 0% 5.0 4.7 1796 2.5 2.18 MDC-1 1% 5.0 5.7 898 3.1 2.07 MDC-1 2% 5.0 5.8 1012 3.6 2.09 Especifica-

ción 4-6 mín. 750 2-3.5 -

MDC-2 0% 5.0 5.4 1538 2.6 2.18 MDC-2 1% 5.0 6.5 1429 3.0 2.13 MDC-2 2% 5.0 6.6 1077 3.0 2.10

4.2.2 Módulo Dinámico Este ensayo se realizó dé acuerdo con la norma

INV E-754.

MD

C-1

0%

MD

C-1

1%

MD

C-1

2%

MD

C-2

0%

MD

C-2

1%

MD

C-2

2%

McD

onal

d 5.

5%

McD

onal

d 6.

0%

McD

onal

d 6.

5%

McD

onal

d 7.

0%

40°C

25°C

5°C

0

50000

100000

150000

200000

250000

Mód

ulo

Din

ámic

o [k

g/cm

²]

Mezclas asfálticas

Tem

pera

tura

Figura 9. Comparación de los módulos dinámicos de todas las mezclas asfálticas a una frecuencia de 10 hz.

4.2.3 Contenido óptimo de ligante diseño McDo-nald

El contenido óptimo de ligante para un contenido de vacíos con aire de 3% fue de 6.9% con un módu-lo dinámico de 20500 kg/cm² a 25°C y 10 hz.

4.2.4 Deformación permanente Este ensayo se realizó dé acuerdo con la norma es-pañola NLT 173/84.

Tabla 11. Resultados Deformación permanente diseños MDC-1.

Intervalo Velocidad de deforma-ción

Deformación acumula-da

[min] [µm/min] [mm]

Diseño MDC-1 0%

MDC-1 1%

MDC-1 2%

MDC-1 0%

MDC-1 1%

MDC-1 2%

30-45 20.00 20.67 56.67 1.63 2.10 3.55 75-90 14.67 8.67 30.00 2.20 2.70 4.60

105-120 14.00 7.33 31.33 2.53 3.06 5.22

Tabla 12. Resultados Deformación permanente diseños MDC-2.

Intervalo Velocidad de deforma-ción

Deformación acumula-da

[min] [µm/min] [mm]

Diseño MDC-2 0%

MDC-2 1%

MDC-2 2%

MDC-2 0%

MDC-2 1%

MDC-2 2%

30-45 40.00 32.67 32.67 1.53 2.70 3.80 75-90 12.67 8.67 14.67 2.23 3.28 4.40

105-120 9.33 8.67 16.00 2.50 3.55 4.82

4.2.5 Resistencia a la fatiga Este ensayo, junto con el carrusel de fatiga se en-

cuentra aún en ejecución.

5 CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES

− El cemento asfáltico de Apiay y el ligante modi-ficado A-13-165-55 presentan cualidades que los favorecen para controlar mejor mecanismos de falla como la deformación permanente, la fatiga y el fisuramiento térmico.

− Con el ligante de Apiay se logran mejores resul-tados que con el de Barrancabermeja al modifi-carlos con GCR, también es más susceptible a aumentar la viscosidad con la adición de GCR.

− El GCR aumenta la rigidez y elasticidad al modi-ficar el ligante, por lo tanto se puede considerar como un modificador potencial del ligante.

− El GCR absorbe parte de los maltenos, dejando un gran contenido de Asfaltenos, lo que hace me-jor al cemento asfáltico.

− El GCR aumenta la elasticidad y el punto de ab-landamiento del nuevo ligante modificado, dis-minuyendo la ductilidad y la penetración.

− Se puede trabajar con granulometrías convencio-nales en las mezclas asfálticas con GCR.

− Al incorporar GCR a la mezcla asfáltica, la Esta-bilidad Marshall disminuye, mientras que el Flujo y los contenidos de vacíos y ligante aumentan.

− La deformación permanente indica que las mez-clas con caucho son más deformables, lo que se corresponde con el valor de los módulos, sin em-bargo las velocidades de deformación en el inter-valo de 105 a 120 minutos llegan a ser mejores.

− Los módulos señalan menos susceptibilidad tér-mica de la mezcla asfáltica, lo cual favorece que no se fisure fácilmente a bajas temperaturas, ni haya un excesivo riesgo de deformabilidad a ele-vadas.

6 BIBLIOGRAFÍA

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Federal Highway Administration. Design and construction of asphalt paving materials with crumb rubber modifier. State of the practice (FHWA-92-022): 118.

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i http://www.rubberizedasphalt.org/how.htm. ii Federal Highway Administration. Design and construction of

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