UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES

CARACTERIZACIÓN DE ASFALTO MODIFICADO CON CAUCHO MOLIDO

PROVENIENTE DE NEUMÁTICOS USADOS.

Realizado por:

Vanessa A. Fernandes A.

Informe Final de Cursos en Cooperación

Presentado ante la ilustre Universidad Simón Bolívar como requisito parcial para optar al título de Ingeniero de Materiales

Opción Polímeros

Sartenejas, Marzo del 2008

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLIVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES

CARACTERIZACIÓN DE ASFALTO MODIFICADO CON CAUCHO MOLIDO

PROVENIENTE DE NEUMÁTICOS USADOS.

Realizado por:

Vanessa A. Fernandes A

Bajo la tutoría de:

Prof. Marianella Hernández

Ingeniero Pablo Joskowicz

Aprobado por:

Prof. Miren Ichazo

Sartenejas, Marzo del 2008

ii

CARACTERIZACIÓN DE ASFALTO MODIFICADO CON CAUCHO MOLIDO

PROVENIENTE DE NEUMÁTICOS USADOS.

Realizado Por:

Vanessa A. Fernandes A.

RESUMEN

El deterioro de las vías pavimentadas en Venezuela, así como también el aumento de la

población, ha motivado la búsqueda de alternativas que permitan la circulación segura de los

pasajeros y el incremento en el tiempo de servicio del asfaltado. Para esto, se han usado asfaltos

modificados que logran propiedades no obtenidas con las técnicas de refinación convencionales.

Una de las formas de modificación consiste en la incorporación de polímeros, como los cauchos

provenientes de neumáticos en desuso, reduciendo también el impacto ambiental generado por

los desechos en todo el país. En este proyecto se estudió las variaciones fisicoquímicas y

reológicas de mezclas del asfalto proveniente de crudo Boscán, con caucho molido (CRM) de

neumáticos de camiones tipo 350. Se analizaron dos de las marcas más comerciales,

incorporando diferentes porcentajes de adición (5y 10% p/p) y con tamaños de partículas entre

212-425 y 425-600 µm. También se analizó el cambio en las propiedades al utilizar dos tiempos

de mezclado del asfalto con el caucho (45 y 180 min).

Los resultados muestran que las dos marcas modifican las propiedades del asfalto de

manera similar. Con un tiempo de mezclado de 45 min se logró aumentar la recuperación

elástica hasta 47% y se incrementó la viscosidad rotacional 2,5 veces con 5% y 11,7 veces con

10% de CRM, haciendo esta última muy poco manejable. Usando la mezcla de 5%, se encontró

que al aumentar el tiempo de mezclado, la capacidad de interacción entre los componentes de la

muestra incrementa. Además, se obtuvo una disminución del 30% en la penetración, un aumento

de 12% del punto de ablandamiento y una menor pérdida de compuestos por emisión en relación

al asfalto original. En términos generales, la incorporación de CRM aumenta el grado de

PG 70-22 a PG 76-22 con tan solo 5% p/p de CRM, permitiendo una mayor resistencia a la

deformación permanente, creando un asfalto más atractivo para la pavimentación.

iii

AGRADECIMIENTOS

A mi papá que me cuida en cada paso que doy y está a mi lado en cada momento de mi

vida. A mi familia por estar conmigo siempre y apoyarme en todas las decisiones que he tomado

en mi vida. A Arquímedes gracias por soportarme y quererme.

A mis tutores Marianella Hernández y Pablo Joskowicz por apoyarme y ayudarme durante

toda mi pasantía, gracias por la dedicación para lograr el éxito de este proyecto. A Lourdes Arias,

Carlos, Ingrid y José Manuel, gracias por el aprendizaje y la ayuda que recibí de ellos.

iv

INDICE GENERAL.

I. INTRODUCCÍON ………………………………………………………………………….. 1

II. MARCO TEÓRICO

II.1 Asfalto ……………………………………………………………………………………..…3

II.1.1 Composición del asfalto ………………………………………………………………. 4

II.1.1.1 Química …………………………………………………………………………. 4

II.1.1.2 Física ……………………………………………………………………………. 5

II.1.2 Proceso de fabricación ……………………………………………………………… 5

II.1.2.1 Refinación del petróleo ………………………………………………………… 6

II.1.2.2 Refinación del asfalto ……………………………………………………….….. 6

II.1.3 Características del asfalto ………………………………………………………….. 7

II.1.4 Ensayos de caracterización …………………………………………………………. 8

II.1.4.1 Ensayo de Penetración …………………………………………………………. 8

II.1.4.2 Ensayo de Viscosidad ……………………………………………………………8

II.1.4.3 Ensayo de Ablandamiento ………………………………………………………9

II.1.4.4 Ensayo de la resistencia a la deformación

remanente a altas temperaturas ………………………………………………... 9

II.1.4.5 Ensayo de Viscosidad rotacional …………………………………………….. 10

II.1.4.6 Ensayo de Resistencia a la Fatiga ……………………………………………. 10

II.1.4.7 Ensayo de agrietamiento a bajas temperaturas ……………………………… 11

II.2 Elastómeros …………………………………………………………………………….. 12

II.2.1 Caracterización del caucho ……………………………………………………….. 12

II.2.1.1 Espectroscopia infrarroja ……………………………………………………. 12

v

II.2.1.2. Cromatografía de gases ……………………………………………………...13

II.2.2 Neumáticos ………………………………………………………………………......13

II.2.2.1 Partes y composición del neumático ………………………………………......15

II.2.2.2 Principales cauchos usados en las llantas …………………………………… 18

II.2.2.3 Tipos de llantas ………………………………………………………….……. 20

II.2.2.4 Confección de un neumático …………………………………………………. 23

II.3 Modificación del asfalto con caucho …………………………………………………... 24

III. OBJETIVOS ……………………………………………………………………………… 33 IV. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL IV.1 Materiales empleados en la mezcla …………………………….………………………. 34

IV.1.1 Proceso de molienda y tamizado del caucho ……………………………………... 34

IV.1.2 Preparación de las mezclas ………………………………………………………... 35

IV.2 Caracterización del caucho proveniente de los neumáticos …………………………... 36

IV.2.1 Identificación de elastómeros por espectroscopia infrarroja …………………… 36

IV.2.2 Análisis cualitativo por fluorescencia de Rayos X ……………………………….. 36

IV.2.3 Determinación de Azufre por inducción de aleaciones,

catalizadores y muestras geológicas ………………………………………………………. 37

IV.2.4 Determinación de la dureza superficial …………………………………………… 37

IV.3 Caracterización del asfalto modificado con caucho molido ………………………….. 37

IV.3.1 Métodos de evaluación fisicoquímicas .……………………………………………. 38

IV.3.1.1 Punto de ablandamiento ……………………………………………………… 38

IV.3.1.2 Penetración ……………………………………………………………………. 38

vi

IV.3.1.3 Recuperación elástica ………………………………………………………… 39

IV.3.2 Métodos de evaluación reológica ………………………………………………….. 39

IV.3.2.1 Viscosidad Rotacional …………………………………………………………39

IV.3.2.2 Ensayo de Horno de película delgada rotativa (RTFOT) ………………….. 40

IV.3.2.3 Envejecimiento del asfalto a cámara a presión (PAV) ……………………... 41

IV.3.2.4 Determinación de la resistencia a la flexión a bajas

temperaturas en el reómetro de flexión ………………………………………………. 42

IV.3.2.5 Determinación de propiedades reológicas del asfalto

modificado en el reómetro de corte dinámico ………………………………………… 42

IV.3.2.5.1 Resistencia a la deformación permanente a altas ……………………... 43

temperaturas

IV.3.2.5.2 Resistencia a la fatiga …………………………………………………..... 43

IV.3.2.6 Ensayo de punto de inflamación (Flash Point) ……………………………… 43

IV.3.3 Estabilidad del asfalto modificado con caucho molido ………………………….. 44

V. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

V.1 Caracterización de los neumáticos …………………………………………………... 45

V.2 Molienda y tamizado del caucho …………………………………………………… 51

V.3 Mezclas de asfalto modificado con caucho molido ………………………………….. 53

V.3.1 Selección de las condiciones de mezclado ……………………………………….. 53

V.3.2 Determinación de las propiedades finales de la mezcla ……………………….. 55

VI. CONCLUSIONES …………………………………………………………………………66 VII. RECOMENDACIONES …………………………………………………………………67 VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ………………………………………………..68 IX. APÉNDICE ………………………………………………………………………………...74

vii

INDICE DE TABLAS

Tabla II.2.2.1.1 Formulaciones típicas de una cubierta sin cámara.

Partes por cien de la formulación (ppc) …………………………………………………………16

Tabla II.2.2.1.2 Formulaciones típicas de bandas de rodamiento de

neumáticos de camión y pasajeros. Formulación expresada en partes

por cien (ppc) ………………………………………………………………………………...…. 17

Tabla II.2.2.1.3 Formulaciones típicas de las paredes laterales de

neumáticos tipo radial y convencional. Formulación expresada en

partes por cien (ppc) ………………………………………………………………………….… 17

Tabla II.2.2.3.1 Tabla comparativa entre los neumáticos radiales y convencionales ………….. 22

Tabla II.3.1 Componentes de un neumático según tipo de vehículo …………………………... 30

Tabla IV.1.2.1 Descripción de las mezclas de asfalto modificado con caucho

molido. Tamaño de la partícula (Tp). Tiempo de mezclado (tm). Porcentaje

de aditivación (%p/p) …………………………………………………………………………… 35

Tabla V.1.1 Bandas características del caucho natural (NR). Grupo Funcional

y Longitud de onda (λ) ………………………………………………………………………… 45

Tabla V.1.2 Porcentaje de azufre encontrado en los cauchos Firestone y

Goodyear ………………………………………………………………………………………... 49

Tabla V.1.3 Elementos detectados en los neumáticos por medio de

Fluorescencia de rayos x ………………………………………………………………………... 50

Tabla V.1.4 Resultados de ensayo de dureza realizado a los neumáticos

Firestone y Goodyear …………………………………………………………………………… 51

viii

Tabla V.3.1 Valores de la temperatura máxima de uso (Grado PG) y del

Ángulo de fase (δ) de las mezclas de asfalto modificado y original.

Neumático Firestone (F) y Goodyear (G) ………………………………………………………. 56

Tabla V.3.2 Propiedades Fisicoquímicas y reológicas de las muestras de asfalto

modificado con CRM para la determinación del Grado PG por SHRP ………………………... 63

Tabla V.3.3 Ángulo de fase de muestras de asfalto virgen y modificado.

Ángulo de fase (δ). Antes de RTFO (RTFO1) y después de RTFO (RTFO2) ………………….. 64

Tabla V.3.4 Temperatura de ablandamiento de muestras de asfalto modificado

después de ensayo de estabilidad ……………………………………………………………….. 65

ix

INDICE DE FIGURAS

Figura I.1 Falla por agrietamiento ………………………………………………………………. 1 Figura I.2 Carretera pavimentada con asfalto modificado ……………………………………... 2 Figura II.1.2.1.1 Productos y temperaturas de destilación del petróleo ………………………… 6 Figura II.1.4.1.1 Ensayo de penetración ………………………………………………………... 8 Figura II.1.4.5.1 Ensayo para determinar la viscosidad rotacional ……………………………. 10 Figura II.2.2.1 Evolución del diseño de neumáticos para automóviles ……………………..… 14 Figura II.2.2.2 Especificaciones colocadas al costado de un neumático ……………………… 15 Figura II.2.2.1.1 Partes de un neumático tipo radial …………………………………………... 15 Figura II.2.2.2.1 Estructura del Caucho Natural NR ………………………………………….. 18 Figura II.2.2.2.2 Estructura general del Caucho Estireno-Butadieno SBR ………………….... 19 Figura II.2.2.2.3 Estructuras posibles del Caucho Butadieno BR ……………………………... 19 Figura II.2.2.2.4 Estructura del Caucho Butílico IIR …………………………………………. 20 Figura II.2.2.3.1 Representación del sentido de las capas en un neumático

Convencional …………………………………………………………………………………… 21

Figura II.2.2.3.2 Representación del sentido de las capas en un neumático radial ……………. 21 Figura II.2.2.4.1 Esquema del proceso de confección de una llanta …………………………... 23 Figura II.3.1 Esquema de la incorporación de caucho molido en lechadas

asfálticas para pavimentación …………………………………………………………………... 24

Figura II.3.2 Representación de los tamaños de partículas de caucho

producido por molienda. (a) Gránulos mayores a 10mm. (b) CRM granulado.

(c) Caucho Molido y (d) Microgranulado.……………………………………………………… 25

Figura II.3.3 Aspecto de pavimento empleando asfalto modificado con caucho ……………... 29

x

Figura II.3.4 Cortante o “Shredder” para el corte inicial del neumático ………………………. 30 Figura II.3.5 Esquema de los pasos de molienda de un neumático usado …………………….. 31

Figura II.3.6 Diseño de una empresa trituradora de neumáticos usados ………………………. 31 Figura IV.1.1.1 Tamizador Marca Gilson empleado para el tamizado

del caucho molido ………………………………………………………………………………. 35

Figura IV.2.4.1 Durómetro de mano marca Shore Instrumente & MFG ……………………… 37 Figura IV.3.1.1.1 Equipo automático de ensayo de punto de ablandamiento

marca Herzog …………………………………………………………………………………… 38

Figura IV.3.1.2.1 Penetrómetro marca Herzog-Lauda modelo 7301-000-00 …………………. 39 Figura IV.3.2.1.1 Viscosímetro rotacional Brookfield modelo DV-II ………………………… 40 Figura IV.3.2.2.1 Horno de película delgada rotativa marca James Cox

modelo CS-325 …………………………………………………………………………………. 40

Figura IV.3.2.3.1 Horno presurizado PAV marca Prentex modelo 9300 ……………………… 41 Figura IV.3.2.3.2 Horno de vacío marca Prentex modelo 9900 ……………………………….. 41 Figura IV.3.2.4.1 Reómetro de flexión marca Cannon modelo TE-BBR ……………………... 42 Figura IV.3.2.5.1 Reómetro de corte dinámico DSR marca TA Instrument

AR2000 …………………………………………………………………………………………. 42 Figura IV.3.2.6.1 Equipo de determinación del punto de inflamación.

Tenaka ACO-5 ………………………………………………………………………………...... 43

Figura V.2.1 Corte transversal de los neumáticos empleados para la

molienda. Firestone (a) y Goodyear (b) ……………………………………………………...…. 51

Figura V.2.1 Granulometría encontrada después del tamizado para el

neumático Goodyear ……………………………………………………………………………. 53

xi

INDICE DE GRÁFICAS

Gráfica II.1.3.1 Comportamiento viscoelástico del asfalto frente a una carga ………………….. 7 Gráfica II.1.4.7.1 Patrón de carga y deflexión de la probeta en un ensayo de

agrietamiento a bajas temperaturas ………………………………………………………………11

Gráfica V.1.1 Espectros infrarrojos del caucho Firestone (a) y Caucho

Natural NR (b) ………………………………………………………………………………….. 46

Gráfica V.1.2 Espectros infrarrojos del caucho Firestone (a) y el caucho

estireno-butadieno SBR (b) …………………………………………………………………….. 47

Gráfica V.1.3 Espectros infrarrojos del caucho Firestone (a) y el caucho

butadieno BR (b) ……………………………………………………………………………….. 48

Gráfica V.1.4 Espectro infrarrojo del caucho Goodyear ………………………………………. 48 Gráfica V.2.1 Distribución del tamaño de partícula de neumáticos

molidos con esmeril ……………………………………………….…………………………..... 52 Gráfica V.3.1 Porcentaje de deformación durante el tiempo de ensayo

para muestras de asfalto modificado con caucho ……………………………………………… 54

Gráfica V.3.2 Representación de la deformación en muestras de asfalto

modificado con caucho molido ………………………………………………………………… 55

Gráfica V.3.3 Representación de la recuperación elástica en muestras

de asfalto modificado con CRM ………………………………………………………………... 57

Gráfica V.3.4 Viscosidad rotacional de las muestras de asfalto modificado

con CRM ……………………………………………………………………………………….. 58

Gráfica V.3.5. Porcentaje de deformación con el tiempo de ensayo del

creep para muestras con un tiempo mezclado de 45 min y 180 min …………………………… 59

xii

Gráfica V.3.6 Comparación de la viscosidad rotacional de mezclas

con 5% p/p de CRM a diferentes tiempos de mezclado ……………………………………….. 60

Gráfica V.3.7 Comparación del porcentaje de recuperación elástica

de mezclas con 5% p/p de CRM a diferentes tiempos de mezclado ………………………....... 61 Gráfica V.3.8 Penetración de asfalto original y modificado con 5% p/p

de CRM a 180 min de mezclado ………………………………………………………………... 61

Gráfica V.3.9 Porcentaje de recuperación elástica de muestras

antes y después de pasado en el horno de película rotatoria RTFO …………………………… 64

xiii

SIMBOLOS Y ABREVIATURAS CRM: Crumb Rubber Modifier, Caucho molido modificador

NR: Caucho Natural

SBR: Caucho Poli estireno-butadieno

BR: Caucho Poli butadieno

IR: Caucho Poli-isopreno

IIR: Caucho Butílico

δ: Ángulo de Fase

G*: Módulo Complejo de corte

PG: Grado de desempeño del asfalto (Performance Grade)

SHPR: Programa de investigación estratégico de carreteras (Strategic Highway Research

Program)

SUPERPAVE: Sistema de especificación de asfaltos de pavimentos (Superior Preforming

Asphalt Pavement)

RTFOT: Ensayo en horno rotativo de película delgada (Rolling Thin-Film Oven Test)

PAV: Equipo de horno presurizado (Pressurized Aging Vessel)

DSR: Reómetro de corte dinámico (Dynamic Shear Rheometer)

1

I. INTRODUCCÍON

El aumento de la población y el desarrollo de las ciudades han producido un aumento en

la demanda de vías de comunicación que permitan un desplazamiento efectivo, impulsando el

desarrollo social y la competitividad económica entre ciudades. Por este motivo, se han buscado

infraestructuras que permitan la circulación segura de los pasajeros. Los estudios se han basado

principalmente en encontrar un sistema efectivo y económico que permita obtener mejores

resultados en las propiedades del asfalto usado en la pavimentación.

El proceso de pavimentación de una carretera consiste en la combinación de asfalto con

agregados como la arena, grava, piedra, escoria y polvo de roca. El proceso de mezclado se lleva

a cabo luego del calentamiento del asfalto en plantas a temperaturas no mayores a 163°C, para

evitar daños en el asfalto. De esta manera, se consigue una sustancia lo suficientemente fluida

para lograr la adhesión de los agregados. El resultado de esta combinación se conoce como

mezcla asfáltica en caliente. Posterior al mezclado, se realiza el transporte a la zona de

pavimentación, en donde es vertida y compactada a una temperatura entre 163 y 85°C, usando la

mayor temperatura a la cual la mezcla puede resistir el rodillo sin desplazarse horizontalmente

(1). Debido a que el pavimento se encuentra expuesto a una serie de esfuerzos mecánicos durante

su uso, éste va perdiendo progresivamente sus propiedades, debido a procesos comunes como

falla por fatiga, deformaciones y agrietamiento térmico como el mostrado en la Figura I.1. Por

este motivo se ha estudiado la combinación de estos materiales con otros aditivos que permitan

una mayor permanencia de las propiedades.

Figura I.1 Falla por agrietamiento

2

Una de las modificaciones que se ha empleado es el uso de cauchos provenientes de

llantas usadas, logrando un aumento en el tiempo de vida útil del pavimento y con un costo no

muy elevado en comparación con otros métodos de modificación. El comienzo de este proceso

se inició en 1940 en Estados Unidos, cuando Rubber Reclaiming Company empezó a

comercializar un producto llamado RamflexTM que consistía en partículas de caucho reciclado

mezclado con asfalto de pavimento. Posteriormente, en 1960, Charles McDonalds desarrolló un

proceso con mejores propiedades al combinar asfalto ligante con el llamado asfalto molido

modificador (CRM) y lograr un producto con el nombre de Overflex TM(2). A partir de este

descubrimiento, muchos estudios se han realizado para aplicar este material de desecho en la

industria del asfalto. En la Figura I.2 se representa la cantidad de caucho usado en una zona de

carretera.

Figura I.2 Carretera pavimentada con asfalto modificado.

Esta nueva combinación de materiales también beneficia al problema de contaminación

por desechos; ya que con el rápido desarrollo de la industria automovilística, los desechos de

llantas usadas superan hoy los 120 millones de neumáticos tan solo en Estados Unidos y 25

millones en México, en donde aproximadamente el 45% se deposita en vertederos, 15% se

deposita después de ser triturado y el resto no se tiene control absoluto de su destino. Para

eliminar estos residuos se usa con frecuencia la quema directa que provoca graves problemas

medioambientales, ya que produce emisiones de gases que son nocivos para el entorno. Por este

motivo, se ha venido estudiando este proceso desde hace algunos años en Alemania, Portugal,

Estados Unidos, China, entre otros. Así pues, el objetivo de este trabajo está enfocado en el

estudio de las posibilidades de emplear los neumáticos usados para el mejoramiento de las

propiedades del pavimento y la reducción de desechos contaminantes en Venezuela.

3

II. MARCO TEÓRICO

El pavimento se encuentra constituido principalmente de agregados (piedras) con un

porcentaje reducido de asfalto que permite la adhesión de los mismos. Por este motivo es

necesario entender los componentes que lo conforman.

II. 1 Asfalto

La norma internacional American Society for Testing and Materials ASTM define el

asfalto como “un material cementante de coloración marrón a negra, de consistencia sólida o

semisólida, cuya constitución principal son bitúmenes que existen en forma natural o se obtienen

por procesamiento de petróleo” (3).

Desde épocas muy antiguas el asfalto ha sido empleado como combustible, material de

construcción y medicina, entre otros. La palabra Asfalto, deriva del acadio, lengua hablada en

Asiría, en las orillas del Tigris superior, entre los años 1400 y 600 A.C. De aquí la palabra

"Sphalto" que significa "lo que hace caer". Los antiguos egipcios lo usaron como material

impermeabilizante, así como también para otras aplicaciones como el relleno del cuerpo en

trabajos de momificación usando el betún, práctica que se extiende aproximadamente hasta el año

300 A.C. (4). El betún natural fue descubierto por Cristóbal Colón a mediados del siglo XVI, en

la Isla de Trinidad. Posteriormente, Sir Walter Raleigh tomó posesión del Lago de Betún para la

Corona Británica. Fue después de 1870 que se comenzó el uso del asfalto natural en Estados

Unidos para la formación de carreteras. La aparición de Venezuela en este campo fue a finales

del siglo XIX, después de descubiertas las grandes reservas de crudo en el país. Ya en 1873 el

Gobierno le otorga a H. R. Hamilton y a J. A. Philips la concesión para explotar el gran Lago de

Asfalto Natural de Guanoco, ubicado en el Estado Sucre (4). A partir de aquí, comenzó la

explotación del asfalto en Venezuela, siendo hoy en día un gran exportador de esta materia prima.

4

II.1.1 Composición del asfalto

II.1.1.1 Química

El asfalto está compuesto por una combinación de hidrocarburos, lo que le da sus

propiedades y comportamiento característico. Los componentes principales son el carbono y el

hidrógeno, teniendo en menor medida azufre y pequeñas trazas de oxígeno, nitrógeno y metales

como el vanadio y el níquel (1)(5). Si el asfalto se coloca en un solvente no polar como el

pentano, hexano o heptano, es posible dividir este elemento en dos grandes mezclas complejas.

La fracción insoluble son los asfaltenos y estos le dan al asfalto su color y dureza (similar a un

polvo grueso de grafito). Por otro lado está el grupo soluble denominado maltenos; estos son

líquidos viscosos compuestos de resinas, parafinas y aromáticos que le dan las cualidades

adhesivas (pegajosidad) y de aceites que sirven como medio de transporte de estos elementos. De

aquí, la clasificación cromatográfica llamada SARA (saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos)

(1).

La proporción de asfaltenos y maltenos puede variar dentro de la composición y

actualmente no se tiene ninguna prueba de la estructura que toman estos elementos en el asfalto,

debido principalmente a que la composición química y su comportamiento final es todavía

incierto. Sin embargo, se tienen dos consideraciones principales. Uno de los modelos fue descrito

por primera vez por Nellensteyn en 1924 y mejorado posteriormente por Pfeirffer en 1940. Ellos

explican que el asfalto es una mezcla coloidal compuesta por dos fases miscelares; una primera

fase dispersa en donde se encuentran los asfaltenos y otra fase continua donde están los maltenos.

Toda esta descripción se basó en el hecho de que el asfalto presenta exudación de aceites y se

comporta como un fluido no-newtoniano (6). Dentro de este sistema, los maltenos tienen la

función de homogeneizar el sistema mientras que los asfaltenos le van quitando la propiedad no-

newtoniana a medida que aumenta su proporción.

El segundo modelo plantea que el asfalto está constituido por una sola fase que se basa en

una mezcla de gran cantidad de moléculas polares y no polares que forman agrupaciones y redes

dispersas por el asfalto. Estas uniones son enlaces débiles como fuerzas de Van Der Waals y

puentes de hidrógeno. Las propiedades elásticas las da la parte polar del sistema que forman una

red y la no polar da las características viscosas al asfalto (7).

5

II.1.1.2 Física

La razón por la que el asfalto sea el principal material de uso en la construcción de

carreteras es su gran versatilidad, siendo las características de mayor importancia las descritas a

continuación.

Durabilidad: Esta propiedad se determina ya en el uso final del asfalto, indica qué tanto

puede mantener un asfalto las propiedades originales (1).

Adhesión y Cohesión: Es la capacidad que tiene el asfalto de cumplir su función de unión

de los agregados en la mezcla de pavimentación. Al usar el asfalto en carreteras, es de gran

importancia que se produzca una cohesión efectiva de los agregados y lograr que éstos se

mantengan firmes sin cambiar de posición.

Susceptibilidad a la temperatura: En general todos los asfaltos presentan un gran cambio en

su viscosidad con el cambio de temperatura, es decir, volverse más fluidos o blandos con el

aumento de la temperatura. Esta sensibilidad varía entre asfaltos de diferente origen, aún si

tienen el mismo grado de consistencia (8).

Endurecimiento y envejecimiento: El asfalto sufre un proceso muy importante llamado

oxidación que produce un endurecimiento en el mismo a medida que es expuesto al aire.

No todos los asfaltos sufren el mismo grado de endurecimiento con el tiempo, depende de

la composición que cada tipo de asfalto.

II.1.2 Proceso de fabricación

Existen dos principales procesos para la obtención del asfalto, descritos a continuación.

II.1.2.1 Refinación del petróleo

Para generar el asfalto es necesario destilar el crudo de petróleo. Como lo indica la Figura

II.1.2.1.1, a medida que se va agregando calor al crudo, diferentes fracciones son separadas.

6

Inicialmente se produce la destilación simple donde los componentes livianos son separados

hasta llegar a una temperatura de 350°C. Posteriormente se genera un vacío para lograr aumentar

más la temperatura del sistema y lograr que las sustancias más pesadas puedan ser separadas. En

este proceso se puede lograr una temperatura de hasta 480°C. Este proceso de separación se

puede observar en la Figura II.1.2.1.1, donde se tiene la escala de separación de los elementos.

Figura II.1.2.1.1 Productos y temperaturas de destilación del petróleo.

II.1.2.2 Refinación del asfalto

Dependiendo del uso que se le de al asfalto se necesitan características determinadas, por

esto es posible mezclar varios tipos de crudos de petróleo para lograr ciertos requisitos finales. Al

lograr la mezcla, es posible combinar diferentes características de varios tipos de asfaltos.

Finalmente el proceso de obtención final del asfalto se puede producir por medio de la destilación

al vacío y la extracción de solventes. También es posible realizar la mezcla con el asfalto ya

producido para generar características intermedias. Posterior a la obtención del asfalto virgen , es

posible realizar una serie de procesos que permiten producir varios tipos de asfaltos modificados,

dependiendo de las propiedades buscadas y el empleo final del mismo.

7

II.1.3 Características del asfalto

El asfalto tiene lo que es llamado un comportamiento viscoelástico. Presentando a bajas

temperaturas características de un material elástico y a altas temperaturas propiedades de un

material viscoso, tal y como representa la Figura II.1.3.1.

Gráfica II.1.3.1 Comportamiento viscoelástico del asfalto frente a una carga.

Una de las características más destacadas de estos ligantes asfálticos es la capacidad de

cambio de su consistencia con la temperatura. Este efecto es un factor muy importante durante su

procesamiento y uso. Por este motivo, se usa una serie de factores para medir empíricamente esta

propiedad. El índice de penetración es una; se basa en determinar a una temperatura dada, la

penetración que tiene el asfalto. Otro factor determinante en el comportamiento del asfalto es el

tiempo, cuando el tiempo y la temperatura varían se puede obtener comportamientos del flujo

variables. Un ejemplo muy común es el observar el mismo comportamiento del flujo de un

asfalto a 60°C a una hora que a 25°C en 10 horas (7).

Otra característica importante del asfalto es la capacidad de reacción con el oxígeno, para

producir la oxidación en su estructura. Este proceso produce un endurecimiento del asfalto y le da

una mayor fragilidad. La oxidación se produce de manera más acelerada a altas temperaturas; es

por este motivo que durante el procesamiento, el material sufre un cambio llamado

endurecimiento por oxidación.

8

II.1.4 Ensayos de caracterización

Para estudiar las propiedades del asfalto se realizan una serie de ensayos empíricos en

donde se destacan: ensayo de penetración, ensayo de viscosidad y ensayo del punto de

ablandamiento.

II.1.4.1 Ensayo de Penetración

Indica una medida de consistencia del asfalto. Consiste en estabilizar la muestra a una

temperatura de 25°C para posteriormente colocar una aguja en la superficie con una carga de 100

gramos y un tiempo de 5 segundos, como se muestra en la Figura II.1.4.1.1. La penetración de la

aguja en la muestra indica si la consistencia en suave o dura. Esta técnica está regulada bajo la

norma ASTM D5-05 (9).

Figura II.1.4.1.1 Ensayo de penetración

II.1.4.2 Ensayo de Viscosidad

Para asfaltos, el ensayo más usado es la medición de la viscosidad absoluta. Se basa en la

medida del tiempo que tarda una muestra de asfalto en pasar por un tubo capilar a una

temperatura controlada (60°C). Estas condiciones representan la temperatura más alta que puede

experimentar el pavimento durante su tiempo de servicio (1). En esta técnica se aplica vacío al

sistema para pasar la muestra por el capilar, esto debido a que el asfalto no puede fluir fácilmente.

El tiempo se registra y es convertido a poises. Toda esta técnica está descrita en la norma ASTM

D2171-02 (10).

9

II.1.4.3 Ensayo de Ablandamiento

Para la medición del punto de ablandamiento, se busca la temperatura a la cual una

muestra colocada en un anillo bajo la fuerza de un bola de acero, fluye hasta una distancia de 25

mm (11). Esta técnica indica la tendencia del asfalto a fluir a elevadas temperaturas.

Actualmente, se está implementando un sistema de clasificación diseñado por el

programa de investigación estratégico de carreteras SHRP (Strategic Highway Research

Program), en donde se realiza una serie de ensayos que permiten determinar las temperaturas

máximas y mínimas de uso del asfalto en el pavimento y lograr un mejor análisis del

comportamiento que tendrá el ligante durante su uso. Estos métodos se crearon debido a la serie

de errores y desviaciones que pueden demostrarse con los ensayos tradicionales.

Este sistema de especificación es conocido como SUPERPAVE (Superior Performing

Asphalt Pavement) y permite determinar las condiciones en donde las propiedades físicas

permanecen constantes. Por ejemplo, un grado PG (Performance Grade) 52-40 indica que el

asfalto es capaz de garantizar un buen comportamiento con una temperatura máxima de 52 °C en

un promedio de siete días sucesivos, y una temperatura mínima de diseño de –40°C. El sistema

de clasificación de divide en una serie de ensayos descritos a continuación.

II.1.4.4 Ensayo de la resistencia a la deformación permanente a altas temperaturas.

Debido a la característica viscoelástica del asfalto, se usa un reómetro de corte dinámico

(DSR) para estudiar la capacidad de deformación de la muestra. Para esto, se somete el ligante

asfáltico a tensiones de corte oscilatorio. El resultado de esta prueba arroja el módulo complejo

de corte G* y el ángulo de fase del sistema (δ). Estos resultados indican la tendencia del material

hacia un comportamiento viscoso o elástico a una temperatura controlada. Se busca como

especificación del asfalto la relación G*/sen(δ), en donde una mayor relación indica que el

material tendrá mayor resistencia a la deformación permanente (7).

10

Para este ensayo se usa asfalto virgen y asfalto envejecido en un horno de película delgada

rotativa (RTFOT) que simula el proceso de oxidación que pasa la mezcla asfáltica durante las

operaciones de mezclado en caliente. El asfalto virgen debe presentar una relación de al menos

1.00 KPa para poder asegurar su buen funcionamiento y el envejecido de al menos 2.20 KPa (12).

A los resultados del proceso de oxidación también se les mide la pérdida de masa para determinar

la cantidad de elementos de bajo peso molecular que se pierden durante el proceso de mezclado

por el envejecimiento.

II.1.4.5 Ensayo de Viscosidad rotacional

Este método estudia la viscosidad aparente de la muestra a una temperatura de 135°C

usando un viscosímetro rotacional. El torque que ejerce este aparato permite medir la resistencia

del asfalto a la rotación tanto en unidades de centipoise (cP) como en Pascal por segundo. El

procedimiento empleado para realizar esta técnica se encuentra en la norma ASTM D4402 (13) y

se puede ilustrar en la Figura II.1.4.5.1. Para que el asfalto sea manejable y pueda ser

transportado para su utilización, se determinó que la viscosidad debe estar por debajo de los 3

Pa.s. o 3000 cP (7).

Figura II.1.4.5.1 Ensayo para determinar la viscosidad rotacional.

II.1.4.6 Ensayo de Resistencia a la Fatiga

La fatiga de un asfalto se debe medir después de un tiempo de servicio, para tomar en

cuenta el proceso de envejecimiento que sufre. Por este motivo se realiza la oxidación en el horno

rotativo y luego se pasa por una cámara a presión (Pressure Aging Vessel PAV) que simula años

11

de servicio del pavimento. Este método se realiza a temperaturas intermedias y se busca la

especificación G*.sen(δ) usando nuevamente el DSR, que debe ser mayor a 5000 KPa para

asegurar un buen rendimiento después de varios años de uso.

II.1.4.7 Ensayo de agrietamiento a bajas temperaturas

Usando el reómetro de flexión (BBR) se puede someter una probeta a un ensayo de creep

a bajas temperaturas para medir la rigidez de la pieza (S) y la velocidad de deformación con el

tiempo (m), el proceso se muestra en la Gráfica II.1.4.7.1. Si la rigidez es muy alta, indica que el

material tenderá a un comportamiento frágil y a la ruptura. De igual forma altos valores de m

muestran que el asfalto es más efectivo en la relajación de tensiones y por lo tanto sufrirá menor

tendencia al fisuramiento a bajas temperaturas. En este ensayo el valor de S no debe ser mayor a

300 MPa y de un mínimo de 0,300 para el valor de m (14).

Gráfica II.1.4.7.1 Patrón de carga y deflexión de la probeta en un ensayo de agrietamiento a bajas

temperaturas.

12

II.2 Elastómeros

Los elastómeros son largas cadenas poliméricas en estado amorfo unidas por enlaces o

retículos formados por medio del proceso de vulcanización. Esto hace del caucho uno de los

materiales más elásticos existentes. Este retículo es muy poco denso pero le da la capacidad de

poder deformar sin lograr separar las cadenas. El proceso de vulcanización consiste en la

transformación de un material plástico en goma o caucho vulcanizado. Se descubrió por error en

1839 por Charles Goodyear al mezclar azufre con caucho crudo a altas temperaturas. Hoy en día,

el azufre sigue siendo el agente vulcanizante por excelencia, ayudado por acelerantes y activantes

que mejoran y aceleran el proceso de curado. También se emplean como agentes de

vulcanización compuestos que contienen azufre, óxidos metálicos, compuestos bifuncionales,

peróxidos orgánicos, selenio y telurio (15). Para poder usar como agente el azufre, es necesario

que la cadena tenga un cierto grado de insaturaciones en donde el azufre tiene la mayor

posibilidad de unirse a la cadena. El proceso de vulcanización consiste en la unión por medio de

enlaces covalentes de las cadenas, formando una estructura tridimensional que le confiere al

material alta resistencia elástica. Dependiendo del caucho a utilizar y los componentes de la

formulación para la vulcanización, se tendrá diferentes propiedades y características, donde las

más estudiadas son: la viscosidad, la resiliencia y el grado de vulcanización.

II.2.1 Caracterización del caucho

Modernas técnicas de caracterización se han desarrollado para permitir identificar la

estructura de un caucho determinado, siendo la espectroscopia infrarroja y la cromatografía de

gases las más usadas actualmente. Sin embargo es posible implementar técnicas más elementales

como el análisis preliminar para tener una idea del caucho que se quiere identificar.

II.2.1.1 Espectroscopia infrarroja

Esta técnica se basa en la capacidad de absorción de selectivas radiaciones a determinadas

frecuencias de las diferentes estructuras químicas que pueden componer la cadena del elastómero.

La luz infrarroja usada se encuentra en longitudes de onda que van desde 700 a 4000 cm-1. Para

13

este proceso se debe cumplir las indicaciones de la norma ASTM D-3677 (16). Para que la

radiación pueda atravesar la muestra, hace falta que ésta sea de poco espesor, en especial si tiene

poca transparencia. En el caso de cauchos ya vulcanizados se registra el espectro de los productos

de su pirólisis.

II.2.1.2 Cromatografía de gases

Para realizar la cromatografía se debe inyectar en la columna de un cromatógrafo una

mezcla gaseosa de varios componentes y someterlo a una corriente de gas que va arrastrando a

los distintos elementos dependiendo de su tiempo de retención. Como resultado se tiene una

gráfica con los distintos picos representando los diversos componentes. En el caso de cauchos

hay que hacer pirólisis para obtener productos gaseosos. El análisis y procedimiento se puede

seguir de la norma ISO 7270 (17).

Si el caucho a identificar ya ha pasado por el proceso de vulcanización, este presentará

también los agentes de vulcanización empleados. Para la determinación de la proporción de negro

de carbono se usa la disgregación del caucho por ataque con ácido nítrico concentrado,

separación del negro de humo junto a los materiales inorgánicos insolubles por filtración sobre

amianto y determinación de la carga por calcinación. Esta técnica es explicada en la norma ISO

1408 (18).

Para identificar la cantidad de azufre es un poco más complicado. No es posible obtener

la proporción de azufre en el vulcanizado pero sí existen tres métodos que permiten determinar el

azufre total: combustión en oxígeno, fusión con peróxido sódico en una bomba Parr y la

combustión en horno. La norma ISO 6528 (19) indica los pasos para esta caracterización.

II.2.2 Neumáticos

Las llantas exhiben las características de una membrana flexible con la habilidad de

amortiguar y maniobrar la rueda. Los neumáticos para vehículos constituyen los artículos de

caucho de mayor demanda e importancia en el mundo. La fabricación del neumático comenzó

14

con la combinación de caucho con refuerzo textil en el año 1836 por E.M. Chaffee, quien logró

crear un equipo llamado calandra capaz de aplicar el caucho a las fibras textiles. Inicialmente el

proceso de curado de la llanta se realizaba en autoclaves abiertas de vapor. Esta técnica se

modificó en 1896 cuando H.J. Doughty descubrió el curado por presión, forzando el neumático

contra paredes con el diseño del molde (15). El neumático ha cambiado de tamaño y diseño con

el pasar de los años, lográndose menor tamaño y mayor ancho como se indica en la Figura

II.2.2.1.

Figura II.2.2.1 Evolución del diseño de neumáticos para automóviles.

Las dimensiones de las llantas se indican a partir de la sección transversal del neumático,

seguido por el diámetro nominal del asiento del anillo de la rueda. La capacidad de la carga del

neumático también se indica y depende de su volumen interno y su presión interna del aire.

Generalmente se coloca en el costado de la llanta la descripción de las especificaciones como se

observa en la Figura II.2.2.2, identificando a la llanta por una letra del alfabeto que indica su

capacidad de carga, porcentaje en la relación ancho/altura y el diámetro de la rueda (rin).

15

Figura II.2.2.2 Especificaciones colocadas al costado de un neumático

II.2.2.1 Partes y composición del neumático

El volumen de aire a sobrepresión se encuentra encerrado por la cubierta de caucho en la

que se pueden diferenciar cuatro partes principales. Cada sector está identificado en la Figura

II.2.2.1.1, en donde se muestra una llanta tipo radial con sus respectivas partes.

Figura II.2.2.1.1 Partes de un neumático tipo radial.

Carcasa: Está compuesta principalmente por fibra textil por lo que es poco extensible e

impide la expansión de la cámara bajo la presión del aire. Esto proporciona la estabilidad

dimensional de todo el neumático. La capa interior de la misma puede estar constituida por una

16

cámara que es producida independientemente y tiene como principal función impedir que el aire

pueda salir, por lo que se tiende a fabricar de un caucho altamente impermeable como el caucho

butílico. En caso de que se tenga una cubierta sin cámara, se realiza una pequeña capa de 1,5-2,5

mm de espesor que se une al interior de la carcasa y se produce generalmente del mismo caucho

butílico (20). Una formulación típica de esta zona del neumático se puede apreciar en la Tabla

II.2.2.1.1, en donde se muestra la composición en partes por cien (ppc). Aparte del caucho se

usan otros elementos esenciales para generar la vulcanización y otros aditivos que garanticen una

mejor calidad del producto.

Tabla II.2.2.1.1 Formulaciones típicas de una cubierta sin cámara. Partes por cien de la

formulación (ppc) (15). Componentes ppc ppc

Caucho butílico bromado BIIR 100 70 Caucho natural NR - 30 Negro de carbono N-660 60 60 Caolín 40 40 Aceite mineral naftalénico 10 15 Óxido de Zinc 5 5 Ácido esteárico 1 1 Sulfenamida (Acelerante) 1 1 Azufre 0,5 0,5

Un elemento muy importante en este sector es el tejido “cord”, que se realiza de

filamentos de rayón, poliéster, nylon o polipropileno que son colocados en forma de urdimbre y

se engoma en la calandra para asegurar que cada hilo esté recubierto de caucho y se impida el

rozamiento de hilos que conduce a la ruptura.

Banda de Rodamiento: Está ubicada sobre la carcaza y es la zona de contacto con el

exterior, sufriendo la fricción sobre el pavimento y transmitiendo el par de tracción que hace

avanzar y frenar al vehículo. Esta zona debe soportar y contrarrestar las fuerzas laterales

producidas por la inercia y la fuerza centrífuga. Los componentes que conforman esta banda

deben poseer excelente resistencia a la abrasión además de excelente resistencia a altas

temperaturas y un buen agarre sobre pavimento, tanto seco como húmedo. Esta es la zona de

mayor espesor en la cubierta, por lo que la formulación debe estar limitada por la generación de

calor. El diseño de la banda supone un compromiso; cuanto mayor sea la superficie de contacto

con el pavimento, mayor será el agarre en seco. Pero al mismo tiempo hay que disponer de

17

ranuras, que aún a costa de la reducción de la superficie, permite la evacuación del agua cuando

se está en un ambiente húmedo, evitando que se interponga el agua entre la llanta y el pavimento

y se produzca una reducción de la fricción. Partiendo de estas propiedades necesarias se tiende a

realizar formulaciones como las indicadas en la Tabla II. 2.2.1.1.

Tabla II.2.2.1.2 Formulaciones típicas de bandas de rodamiento de neumáticos de camión y pasajeros.

Formulación expresada en partes por cien (ppc) (15). Pasajero (ppc) Camión (ppc)

Materiales Radial Diagonal Radial Diagonal Diagonal

Caucho Natural NR - - - 100 40 SBR 82,5 82,5 137,5 - - BR 55 55 - - 82,5 Negro de carbono 70 70 70 55 70 Ácido esteárico 2 2 2 2 2 Cera parafínica 3 3 2 2 2,5 Óxido de Zinc 3 3 4 3 3 Sulfenamida 1 1 0,8 0,7 1 Azufre 1,75 1,5 2,0 1,8 1,5

Paredes laterales o Flancos: Protegen la carcaza de la intemperie y laceraciones

mecánicas. También sirven de unión entre los talones y la banda de rodamiento. Esta zona ha de

tener flexibilidad y una excelente resistencia a la fatiga y al ozono. Se fabrican a base de

combinación de caucho natural (NR) y caucho estireno-butadieno (SBR) o polibutadieno (BR), e

incluso se agregan pequeñas proporciones de antiozonantes y otros polímeros para reforzarlo. De

igual manera se usan los agentes vulcanizantes indicados en la Tabla II.2.2.1.3.

Tabla II.2.2.1.3 Formulaciones típicas de las paredes laterales de neumáticos tipo radial y convencional.

Formulación expresada en partes por cien (ppc) (15). Pasajero (ppc) Camión (ppc)

Materiales Diagonal Radial Radial Radial

Caucho Natural NR - 50 50 100 SBR 82,5 - 35 - BR 40 50 - - XIIR - - 35 - EPDM - - 15 - Negro de carbono 70 50 60 50 Antioxidante 4 4 3 3,5 Ácido esteárico 2 2 2 2 Óxido de Zinc 3 2 5 3 Acelerante 1,75 1,5 0,5 1,8 Disulfuro de alcohilfenol - - 0,5 -

18

Pestañas o talón: consta de un aro metálico formado por un conjunto de alambres de

acero que se encarga de mantener la llanta inflada sobre el rin (15). Esta zona se une a los flancos

por medio del ápice que va variando el espesor para unir estas dos secciones. Su formulación ha

de ser una mezcla rígida para que las flexiones de la cubierta durante el funcionamiento se

concentren sobre la zona de los flancos y no se produzca desgaste en este sector.

II.2.2.2 Principales cauchos usados en las llantas

En general, los cauchos más importantes en la fabricación de los neumáticos son:

Caucho Natural (NR): Este elastómero es proveniente del latex que se segrega por los

canales laticíferos del árbol del caucho llamado Hevea brasiliensis. Posterior a su recolección, se

realiza una serie de procesos de tratamientos para lograr su coagulación. La aplicación de este

material se enfoca en un 68% en la producción de llantas. La estructura (Figura II. 2.2.1.1) 99,6%

cis de este elastómero lo hace uno de los más elásticos y resilientes del mercado, así como

también de excelentes propiedades mecánicas, superado por muy pocos elastómeros sintéticos

(15), tiene una alta estabilidad con la temperatura. Su proceso de vulcanizado se realiza con el

azufre como agente vulcanizante, debido al alto grado de insaturaciones que presenta la cadena.

Figura II. 2.2.2.1 Estructura del Caucho Natural NR

Caucho Poliisopreno (IR): Presenta la misma estructura que el NR pero éste es de

naturaleza sintética, por lo que presenta una mayor pureza pero menor estereoregularidad de cis

(llega hasta un 96% cis), por este motivo no tiende a cristalizar de igual manera que el NR dando

mayor flexibilidad a menores temperaturas y propiedades de rigidez, tensil, y de desgarre

menores, así como también menor retención de las propiedades con el aumento de la temperatura.

Sin embargo, por presentar sólo un 1.5% de impurezas, posee una menor deformación remanente

por compresión que el caucho natural, el cual tiene hasta un 6% de impurezas.

19

Caucho Estireno-Butadieno (SBR): Este copolímero utiliza un 23,5% aproximadamente

de estireno y el resto es butadieno, para crear un arreglo al azar de los monómeros como se

muestra en la Figura II.2.2.2.2. La incorporación del butadieno en la cadena le da la posibilidad

de entrecruzar con azufre, mientras que el estireno le da un grado de rigidez a la estructura.

Debido a esta irregularidad, tiene ausencia de cristalinidad, por lo que presenta deficiente

pegajosidad y pobre resistencia del producto. Por este motivo, es muy común agregar cargas

reforzantes como el negro de humo que aumente las propiedades tensiles y de abrasión, para

poder competir con el caucho natural. De igual manera, presenta buenas propiedades a bajas

temperaturas (21). La composición del SBR hace que pueda ser atacado por agentes oxidantes,

ácidos, combustibles, aceites y grasas minerales, entre otros.

Figura II.2.2.2.2 Estructura general del Caucho Estireno-Butadieno SBR

Caucho Polibutadieno (BR): Es el tercer caucho de consumo mundial y se basa

principalmente en la alta flexibilidad que tiene por su estructura, tal y como se muestra en la

Figura II.2.2.2.3. Esto le da una muy buena resiliencia a bajas temperaturas. Sin embargo, debido

a su regularidad, cuando se aplican altas deformaciones tiene la capacidad de cristalizar y de

reducir su resiliencia. Al compararlo con los cauchos ya descritos se observa que presenta una

menor resistencia a la tracción y al desgarre. Su uso en la fabricación de llantas se emplea en

mezclas con SBR o NR debido a su capacidad de cristalización; al disminuir la resiliencia genera

calor en las llantas y puede crear la falla del neumático. Su proceso de vulcanizado se realiza

principalmente con azufre por el contenido de dobles enlaces en la cadena.

Figura II.2.2.2.3 Estructuras posibles del Caucho Butadieno BR

20

Caucho Butílico (IIR): Este es un elastómero con estructura más compleja, está

compuesto de un 95-98% de isobutileno y un 1,5-4,6% de isopreno como lo muestra la Figura

II.2.2.2.4. Esto le da una muy baja permeabilidad a los gases, pero por su carácter voluminoso

exhibe una baja resiliencia a temperatura ambiente. Por tener un bajo número de insaturaciones es

altamente resistente al ozono y el oxígeno. La importancia de esta caucho radica en la excelente

impermeabilidad, por eso es usado como lámina interior de la carcasa de los neumáticos. El uso

de halógenos en pequeñas cantidades dentro de la estructura butílica (XIIR), le confiere una

mayor versatilidad de curado, compatibilidad con otros elastómeros, mayor resistencia al calor y

mayor resistencia al ozono.

Figura II.2.2.2.4 Estructura del Caucho Butílico IIR

II.2.2.3 Tipos de llantas

Con el paso del tiempo se han ido confeccionando varios tipos de llantas para lograr un

menor desgaste y mayor agarre. Actualmente se distinguen dos tipos de cubiertas según la

estructura de la carcasa.

Neumáticos convencionales o diagonales: en este caso la carcasa está formada de varias

capas de tejidos que van de extremo a extremo del neumático, con una inclinación de los hilos de

aproximadamente 40° con respecto a la línea central circunferencial como se indica en la Figura

II.2.2.3.1. Cada capa tendrá la inclinación contraria con respecto a su adyacente, es decir,

formando una especie de malla entrecruzada con varias capas dependiendo de la marca

fabricante.

21

Figura II.2.2.3.1 Representación del sentido de las capas en un neumático convencional (15).

Neumáticos radiales: Estos poseen un número menor de telas, en donde el sentido de los

hilos es radial y va de talón a talón. Sin embargo, poseen un cinturón dispuesto debajo de la

banda de rodamiento, cuyos hilos van con cierto ángulo y es también opuesto en las sucesivas

capas del cinturón como se muestra en la Figura II.2.2.2.2. Los tejidos de este cinturón son

generalmente de acero, dándole la posibilidad de generar altas fricciones. Una de las ventajas que

da este diseño es la mejor tracción, maniobrabilidad, resistencia al desgarre, agarre al pavimento

y confort.

Figura II.2.2.3.2 Representación del sentido de las capas en un neumático radial (15).

Todos los cambios producidos en los dos tipos de neumáticos son especificados en la

Tabla II.2.2.2.1 e indican las diferencias más marcadas en cuanto a confección, ensamblaje y

propiedades finales.

22

Tabla II.2.2.3.1 Tabla comparativa entre los neumáticos radiales y convencionales (15).

Convencional Radial Ensamblaje de cubierta

Carcaza formada por varias capas de tejidos

Inclinación de la malla de 40° Capas adyacentes colocadas en

direcciones opuestas

Carcaza formada por menor número de capas de tejidos

La malla se coloca de talón a talón en forma radial

Adición de cinturón de acero debajo de la banda de rodamiento

Confección El proceso de confección se realiza

(incluyendo banda de rodamiento) sobre un tambor colapsable que posteriormente se expande.

El ensamblaje se realiza en el tambor colapsable sin la banda de rodamiento

Luego de la expansión se coloca la banda de rodamiento con los cinturones de acero

Vulcanización y moldeo

El patrón de diseño se coloca en el molde y está conformado de canales cerrados en la banda de rodamiento para el drenaje de agua y especificaciones del neumático en las paredes laterales.

Patrón de diseño con canales abiertos para mayor agarre en húmedo

Propiedades finales Superficie de contacto con el

pavimento deformable por esfuerzos laterales

Mayor desgaste Menor agarre en seco

Superficie de contacto con el pavimento constante en curvas

Menor desgaste Mayor tenacidad y menor

extensibilidad Resistencia al rodaje menor Mejor agarre en seco

II.2.2.4 Confección de un neumático

El proceso de fabricación varía entre los convencionales y los radiales, siendo este último

el más complejo. En general, la banda de rodamiento y los flancos son producidos inicialmente

con una preforma creada por extrusión luego de hacer la mezcla de todos los componentes en un

mezclador interno banbury. Estas son tiras continuas que luego son cortadas con un ángulo a una

longitud que corresponde con la circunferencia de la cubierta. El proceso de fabricación del talón

requiere que previamente se produzca el recubrimiento de los alambres con una mezcla de

caucho para una mejor adhesión.

23

Ya confeccionadas todas las partes del neumático, se procede a ensamblarlo para su

posterior curado. En el caso de un neumático convencional se comienza con un tambor que se

expande para luego colocar la primera capa que durante su funcionamiento estará en contacto con

el aire comprimido. Los bordes de esta capa se colocan por los extremos del tambor para luego

colocar los talones que serán adheridos a este sobresaliente (ver Figura II.2.2.3.1). Posteriormente

se van colocando las telas, cuidando que se tenga una orientación de los hilos contrarias a la

primera capa. De igual manera se refuerza el talón con los extremos de la tela. Luego de

aplicadas todas las capas, se procede a colocar en conjunto los flancos con la banda de

rodamiento, en donde previamente se colocó un adhesivo para la mejor unión entre la banda y la

carcasa. Una vez listas todas las capas se colapsa el tambor y se extrae la preforma (15).

Figura II.2.2.4.1 Esquema del proceso de confección de una llanta (15).

En el caso de un neumático radial, se tiene las capas de acero que no se pueden expandir,

por lo que antes de colocar la banda de rodamiento junto con estas capas, se produce la expansión

de la carcaza con la medida final de la llanta. Para obtener el producto final se pasa a introducir

una cámara inflada para producir la expansión en el caso de los convencionales y colocarla en

una prensa autoclave para su moldeado y vulcanizado. El vulcanizado se realiza bajo una alta

presión de vapor o agua caliente para lograr el grabado correspondiente del patrón de la banda y

el vulcanizado total cuyo ciclo depende del tamaño de la llanta. Por ejemplo, neumáticos de

pasajeros son curados a una temperatura de 300 °C durante 12 a 15 min.

24

II.3 Modificación del asfalto con caucho

El uso de caucho proveniente de las llantas usadas, ha tomado un gran auge en muchos

países, debido al efectivo aumento de propiedades reológicas que no se pueden obtener de la

refinación del asfalto. Esta modificación se debe a las propiedades de los elastómeros como

impermeabilidad, elasticidad y resistencia eléctrica y térmica. Además, esta mezcla ha generado

menores costos, ayudando también al uso de desechos contaminantes.

Para la mezcla de asfalto con caucho se han creado dos técnicas con las cuales se pueden

obtener diferentes resultados. El más usado es el proceso de mezclado húmedo, el cual se basa en

la modificación de las propiedades reológicas y fisicoquímicas del asfalto, con la incorporación

de un 5-20% en peso de caucho molido. Este proceso se lleva a cabo a altas temperaturas e

implica una interacción entre los componentes, en donde los aceites del asfalto son absorbidos

por el polímero. C.H. McDonalds fue el primero en implementar esta técnica y usarla para

mantenimiento y reparación de superficies (2)(20). La mayoría de las experiencias realizadas se

centran en esta técnica en donde la viscosidad es el primer parámetro que se emplea para

monitorear la reacción. En Estados Unidos se han realizado muchos proyectos en este campo;

uno de ellos fue a finales de 1980 llamado el proceso húmedo de Florida, este difiere del proceso

de McDonalds en varios aspectos: menores porcentajes de caucho (8% en peso), menor tamaño

de partícula (0,18 mm) y menor temperatura y tiempo de mezclado. El proceso común de

incorporación de caucho se ilustra en la Figura II.3.1, en una primera etapa se realiza la molienda

del caucho, para posteriormente ser mezclado con el asfalto en caliente.

Figura II.3.1 Esquema de la incorporación de caucho molido en lechadas asfálticas para

pavimentación.

25

El proceso de molienda del caucho puede producirse por 3 métodos. El proceso de

granulado da partículas cúbicas de un tamaño de 9,5 a 0,4 mm llamado granulado CRM (b). El

segundo método da partículas de forma irregular de tamaños entre 4,75 a 0,42 mm con el nombre

de caucho molido (ground CMR) (c). El último proceso es el micro molido y produce partículas

finas (d) en el rango de 0,42 a 0,075 mm (22). Cada uno de los tamaños de partículas se puede

observar en la Figura II.3.2. El granulado definido como (a) sobrepasa los 20 mm y es muy poco

usado en mezcla con asfalto. El proceso de McDonalds usa el caucho molido, mientras que el de

Florida emplea las partículas finas.

Figura II.3.2 Representación de los tamaños de partículas de caucho producido por molienda. (a)

Gránulos mayores a 10mm. (b) CRM granulado. (c) Caucho Molido y (d) Microgranulado.

El mezclado de los componentes se produce en caliente, con temperaturas entre 166°C a

220°C dependiendo del diseño del método de mezclado. El tiempo de mezclado varía entre 15

min a más de 2 horas, siendo el tipo de caucho y tamaño de partículas los dos parámetros más

importantes (23).

El segundo método empleado es el proceso seco que se concentra en la sustitución de

agregados por partículas de caucho. Esta técnica consiste en la mezcla del caucho y los agregados

antes de mezclarlo con el asfalto. El porcentaje no excede el 2% en peso de la mezcla total y usa

un tamaño de molienda entre 2 y 4,2 mm. En varios lugares de Estados Unidos como Florida,

New York y Oregon se ha utilizado esta mezcla para la pavimentación. Para mezclar el caucho

con el agregado, ambos componentes deben estar totalmente secos para evitar problemas por

humedad. Posteriormente, el mezclado con el asfalto se realiza a una temperatura entre 149°C a

177°C. Este proceso fue estudiado por Takallou, quien argumenta que este aditivo, por ser

(a) (b) (c) (d)

26

mezclado en un tiempo corto tiene la posibilidad de ser un proceso reversible. Sin embargo, no

describe claramente cómo puede ser posible (20).

Al mezclar el caucho con el asfalto por el proceso húmedo se produce un incremento en la

viscosidad de la mezcla, lo que Abdelrahman (24) atribuye al proceso de interacción que ocurre

entre el ligante y el caucho. Este proceso ha sido reportado como el producto de dos mecanismos:

en el primero ocurre el hinchamiento de las partículas de caucho por la absorción de aceites

aromáticos provenientes del asfalto. En general, los mejores solventes o agentes de hinchamiento

para un polímero serán aquellos con una estructura química parecida. Por ejemplo, elastómeros

hidrocarbonados como NR y el SBR son solubles en líquidos hidrocarbonados como el benceno y

la gasolina, pero insolubles en líquidos polares. Por este motivo, cuando el asfalto y el caucho se

mezclas, los componentes de bajo peso molecular del bitumen como los maltenos, logran

difundirse entre las cadenas poliméricas causando el hinchamiento (25). Mediante estudios

realizados por Heitzman, si la temperatura es muy alta, el hinchamiento se lleva a cabo

rápidamente, dando la posibilidad de que se llegue al segundo mecanismo, en donde el caucho

sufre un proceso de depolimerización y devulcanización, que si se da en gran medida, se

disminuyen las propiedades del sistema llevando a la reducción de su viscosidad (24). Este

proceso de devulcanizado consiste en la ruptura de los enlaces vulcanizantes, generalmente S-S,

debido a la acción térmica sobre los enlaces. En el proceso de depolimerización la ruptura ya es a

nivel de las cadenas con las uniones C-C.

El mismo problema sucede si el tiempo empleado es muy largo. Si el caucho se mantiene

a una muy alta temperatura por un largo período de tiempo, una alta depolimerización puede

ocurrir, perdiendo la mayoría de las propiedades modificadas. Por este motivo Green y Tolonen

enfatizan la importancia de controlar el proceso de hinchamiento por medio de las condiciones de

mezclado. De igual manera, indican que la temperatura puede variar dos condiciones del sistema:

la velocidad de hinchamiento que es dependiente directamente de la temperatura y la extensión

del crecimiento que es inversamente proporcional a la temperatura (24). Burckley y Berger

demostraron que el tiempo de hinchamiento incrementa con el radio de partícula. Igualmente,

Abdelrahman y Carpenter encontraron que partículas finas hinchan y depolimerizan rápidamente

27

afectando la fase líquida del sistema. También S. Kim y S.W Loh (26) encontraron que a

menores tamaños de partículas es posible aumentar la viscosidad de la mezcla.

Abdelrahman estudió el efecto de la temperatura de mezclado en un sistema con 10% en

peso de caucho proveniente de llantas de camiones al asfalto, cuidando que el tamaño de

partícula no pasara los 40 mesh. El mezclado se realizó por tres minutos a 200 rpm para luego

bajar a 80 rpm por tres horas. Se usó para el mezclado tres temperaturas para observar el proceso

de hinchamiento y la depolimerización que ocurre en el sistema. Las propiedades del módulo

dinámico (G*) y el ángulo de fase (δ) son usados para explicar estos fenómenos. Al realizar la

mezcla a 160°C, el hinchamiento continúa durante todo el período. En cambio, al usar 200°C ya a

los 30 min se llega al máximo de esta primera etapa, pasando luego a la fase de

depolimerización. Al realizar el proceso a 240°C la mayor actividad que se lleva a cabo es la

depolimerización (24). Estos resultados se encontraron al analizar la disminución del ángulo de

fase (δ) y el incremento de G* con la adición de caucho.

Botasso, González et al. (27) observaron el proceso de digestión del caucho y su afinidad

con el tipo de asfalto, empleando una mezcla en caliente con 6% de caucho molido por

criogénesis a –60°C para obtener un tamaño de 100 mesh. El mezclado se llevó a cabo a 5000

rpm por 20 min a 180°C. El resultado indicó una diferencia en el punto de ablandamiento de

3,6°C con respecto a los 46°C del asfalto virgen. También la penetración de la mezcla bajó en

relación con el asfalto base. Todos los estudios a esta mezcla confirmaron que se logra bajar la

susceptibilidad térmica al incorporar este modificante al asfalto.

Otro investigador que ha estado al tanto de este tipo de modificaciones asfálticas es V.H.

Rivero (28) quien evaluó las propiedades fisicoquímicas y reológicas que da este modificante en

el asfalto. En este proyecto se usó el asfalto 60/70 del crudo Boscán que equivale al asfalto de

grado PG 64-22 y se mezcló con llantas usadas de vehículos livianos con un tamaño de partícula

de 0,212 mm a distintas proporciones (5, 10 y 15% en peso). Este tipo de llantas usadas poseían

mayoritariamente el caucho polibutadieno, junto con negro de humo, óxido de zinc, azufre y

otros aditivos. La mezcla se llevó a cabo a una temperatura de 190°C durante 3 horas para lograr

la dispersión e hinchamiento efectivo del caucho. Posterior a la mezcla se pudo determinar que el

28

punto de ablandamiento incrementó en un 29 % a medida que se aumentaba el porcentaje de

caucho. También se tuvo una mejora en la recuperación elástica en un 45%. Por otra parte, la

penetración se vio reducida en un 27 %, al igual que la pérdida de compuesto por evaporación en

un 18 %. Otro cambio producido fue en la viscosidad rotacional; encontrándose que ya con 15%

de modificador se tiene una mezcla de muy alta viscosidad que la hace muy poco manejable.

Igualmente, la empresa RECIPAV en Portugual (29) ha realizado extensas investigaciones en

esta área, logrando a partir de 1999 implementar este asfalto modificado en las grandes carreteras

de dicho país, así como también en Alemania, Austria y España.

Otro estudio que se realizó a este tipo de modificaciones asfáltica fue la influencia del

contenido de asfaltenos en la mezcla. M.L. Leni et al.(30) indicaron que la presencia de un mayor

contenido de ácidos carboxílicos en el sistema ayuda a mejorar las propiedades reológicas, dando

una mayor resiliencia. El alto contenido de asfaltenos puede producir un bajo grado de

hinchamiento y una alta depolimerización del caucho, por la mayor proporción de interacción

entre los componentes. También estudiaron el cambio en las medidas del ángulo de fase (δ) al

incorporar caucho, encontrando una disminución en δ a medida que la concentración de

modificador incrementaba.

Estudios realizados por Caltrans (31) exponen los beneficios y limitaciones de estas

modificaciones en la pavimentación de carreteras. El principal beneficio es la mejora en las

propiedades del asfalto virgen, incrementando la elasticidad y resiliencia a altas temperaturas,

mejorando la durabilidad y resistencia a la fatiga. También demostraron que reduce la

susceptibilidad a la temperatura y mejora la seguridad de los pasajeros al producirse menores

deformaciones y fallas. En cuanto a costos, disminuye el mantenimiento, bajando los costos de

reparación y recursos naturales usando productos de desechos. Otro de los beneficios que se ha

descubierto es la disminución del ruido generado por el contacto con el pavimento y el

neumático; esto debido a que el caucho en el asfalto tiene la capacidad de absorber el sonido (32);

en la Figura II.3.3 se puede observar como es la textura más rugosa del pavimento al usar un

asfalto modificado, dando un excelente comportamiento en términos de confort y reducción de

ruido. Sin embargo, hay una serie de limitaciones que pueden afectar tanto los costos como el

rendimiento. El equipo de producción es una de ellas; para largos proyectos es posible observar la

29

disminución de costos en el menor mantenimiento y mayor vida de servicio. Pero si se habla de

proyectos pequeños, el costo de la maquinaria de reciclaje del caucho puede generar menor

rentabilidad. Debido al aumento de la viscosidad del mezclado, el manejo durante la

pavimentación puede ser mucho más complejo. El proceso de mezclado debe realizarse máximo

48 horas antes de la pavimentación, ya que después las propiedades pueden disminuir debido a la

sedimentación en el fondo de los tanques de almacenamiento de las partículas no digeridas (33).

Figura II.3.3 Aspecto del pavimento empleando asfalto modificado con caucho.

En Venezuela se han realizado varias investigaciones sobre este tipo de modificaciones.

Una de ellas fue realizada por el Ingeniero E. Colina (34); en donde usa tres marcas de neumático

de vehículos en el país (Pirelli, Fiestone y Goodyear) y analiza las variaciones con respecto al

asfalto virgen. Llegó a la conclusión de que la diferencia entre las marcas de neumáticos no son

muy marcadas, siendo la mezcla con 20 % de caucho Goodyear la que cumple con la mayoría de

las especificaciones para su uso como material de pavimentación. De igual forma determinó que

se logra una mejor resistencia a altas temperaturas, una disminución de la penetración e

incremento del punto de ablandamiento al ir aumentando el porcentaje de caucho en la mezcla.

Para la modificación con caucho existen dos tipos principales de neumáticos, los de

vehículo y los de camión. Debido a que los neumáticos de camión deben soportar condiciones

más severas como mayor proporción de carga y presión, se tiende a utilizar distinta composición

a la llanta de pasajeros. Entre ellos la diferencia principal es la composición del componente

elastomérico que se indica en la Tabla II.3.1. La mayor composición de caucho natural en los

neumáticos de camión indican como lo demostró I. Artamendi (25) que los grados de absorción

de los aceites pueden variar, así como también la energía necesaria para lograr la interacción

30

entre los componentes es distinta. Los neumáticos de camión mostraron una mejor absorción del

asfalto, así como también una menor energía de activación para lograr la interacción.

Tabla II.3.1 Componentes comunes de un neumático según tipo de vehículo.

Pasajero Camión Componentes % en peso % en peso Caucho Natural 14 27 Caucho sintético 27 14 Negro de humo 28 28 Azufre 1 1 Acero 14-15 14-15 Fibras, antiozonantes, otros 15-16 15-16

Para usar los neumáticos como modificantes se debe pasar por un proceso de molienda y

de separación de los metales provenientes de las mallas. El método más común empleado es el

molido con molinos, en donde se lleva a cabo una serie de pasos para separar los componentes

del neumático. Primero se pasa la llanta por el molino triturador o “shredder” (Figura II.3.4), este

equipo consta de cuchillas contrarrotantes que en pocos minutos llevan a los neumáticos, aún los

de mayores dimensiones, a trozos. Estos molinos poseen trituradoras de 2 o más ejes, con

cuchillas que giran entre 15 y 20 rpm (35) y se usan para la obtención de molido grueso inicial.

Posteriormente se lleva a un molino desgarrador para la separación del metal y las telas. Se

requieren molinos potentes que trabajan produciendo la separación.

Figura II.3.4 Cortante o “Shredder” para el corte inicial del neumático.

Para separar el metal de la goma y tela se usan magnetos de alta potencia. Por último se

puede usar un sistema de aspiración para separar la fibra textil. Una vez removidos todos los

31

elementos metálicos y textiles se pasa al proceso de trituración final para obtener tamaños de

partícula finos. Al final del proceso se pasa a través de tamices para separar los gránulos de

distintos diámetros. Todo este proceso se puede ilustrar en la Figura II.3.5.

Figura II.3.5 Esquema de los pasos de molienda de un neumático usado.

El proceso de molienda a temperatura ambiente implica una serie de pasos que van desde

la recolección de neumático usado hasta los silos de recolección del granulado. Existen varias

empresas encargadas de la trituración de este material. Entre ellas está TPA TRITURATORI

(36), encargada de la producción de instalaciones para el tratamiento de desechos industriales,

incluyendo el caucho. Las máquinas empleadas consisten en molinos y trituradoras que cortan el

caucho y van reduciendo su tamaño. Así como esta empresa existen muchas en varios países del

mundo como Portugal, Italia, Brasil, Estados Unidos y muchos otros con una tecnología capaz de

producir tamaños de partículas menores a 0,75 µm, con el mínimo de impurezas de fibras y

metales y capacitadas para la trituración de cualquier tipo de neumático. El diseño de una planta

de molienda de neumático se puede apreciar en la Figura II.3.6, perteneciente a la empresa

NIMBY Tecnologies (37), encargada de la producción de trituradoras para desechos comerciales.

En esta planta se usa una etapa se separación de acero poco vista, en donde con un gran imán y

con el neumático aún sin cortar, se logra separar el aro de acero de forma completa (en Figura

II.3.6: (1) Máquina de división).

32

Figura II.3.6 Diseño de una planta trituradora de neumáticos usados.

Otro proceso de molienda es usado para generar el tamaño deseado de las partículas de

caucho. El proceso de criogénesis representa un mayor avance tecnológico, obteniéndose un

producto limpio de impurezas, pero con un costo mayor. La técnica consiste en colocar el caucho

a temperaturas por debajo de su punto de transición vítrea, logrando que el material se transforme

en frágil y quebradizo. Se basa en introducir el neumático en nitrógeno líquido para reducir su

temperatura y alcanzar hasta los -100ºC, para posteriormente pasarlo por un proceso de triturado.

Los investigadores A. Neto et al. (20), estudiaron la diferencia entre estos dos procesos de

molienda. Encontraron que el proceso de criogénesis logra una menor viscosidad y un menor

punto de ablandamiento en la mezcla, sin alterar el punto de penetración y la resiliencia en

comparación con el molido a temperatura ambiente. Atribuyen este cambio a la diferencia en la

geometría de los gránulos, en donde en la técnica de criogénesis se logra una estructura con

forma más regular, dando una menor área superficial, disminuyendo la capacidad de interacción.

33

III. OBJETIVOS

III.1 Objetivo general

Evaluar las propiedades reológicas y fisicoquímicas de asfaltos modificados con caucho

provenientes de neumáticos usados de camiones tipo 350.

III.2 Objetivos específicos

∗∗∗ Realizar la caracterización de dos marcas de neumáticos de camiones tipo 350 empleados

para la mezcla: Firestone y Goodyear.

∗∗∗ Evaluar las propiedades reológicas y fisicoquímicas del asfalto modificado con caucho y

comparar estos resultados con el asfalto virgen de penetración 60/70 o grado PG 70-22

proveniente de Boscán.

∗∗∗ Determinar la influencia del uso de dos marcas de neumático comerciales en el asfalto

modificado.

∗∗∗ Estudiar los cambios que se pueden generar en las propiedades reológicas y fisicoquímicas de

la mezcla asfalto-caucho al usar diferentes porcentajes de adición (5% y 10% p/p) y tamaños

de partículas del elastómero (212-425 µm y 425-600 µm).

∗∗∗ Analizar las variables de temperatura, tiempo y agitación durante el mezclado que pueden

influir en las propiedades finales de la muestra.

34

IV. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

IV.1 Materiales empleados en la mezcla

El tipo de asfalto seleccionado para su modificación con caucho molido fue el cemento

asfáltico clasificado según el sistema SUPERPAVE como: Asfalto PG 70-22. Este asfalto es

comúnmente empleado para la pavimentación de las carreteras en Venezuela.

Para la modificación del asfalto se empleó material de desecho proveniente de neumáticos

usados de camión tipo 350 recogidos en el área de Caracas. Para la selección de las marcas de

neumáticos a emplear se realizó un análisis entre caucheras y reencauchadoras pertenecientes al

estado Miranda para identificar las marcas más comerciales en este sector. De esta manera, se

seleccionaron los modelos convencionales de las marcas Goodyear y Firestone más vendidos: Hi

Miller y Shogun respectivamente.

IV.1.1 Proceso de molienda y tamizado del caucho

Para la reducción del tamaño de partícula del neumático se procedió a moler la banda de

rodamiento del neumático hasta llegar a la malla de nylon. La molienda se realizó con un esmeril

de disco de piedra que trabaja a 3500 rpm. Para poder realizar la molienda se debió cortar el

neumático en varias secciones para un mejor manejo. El material recogido del esmeril se llevó a

un tamizador en donde se emplearon las siguientes mallas: 1000 µm (N° 18), 710 µm (N° 25),

600 µm (N° 30), 425 µm (N° 40) y 212 µm (N° 70), de esta manera se pudo obtener la

distribución del tamaño de partícula. De los tamaños encontrados se escogieron los rangos más

pequeños para realizar las mezclas con el asfalto. El equipo de tamizado empleado se muestra en

la Figura IV.1.1.1.

35

Figura IV.1.1.1 Tamizador Marca Gilson empleado para el tamizado del caucho molido.

IV.1.2 Preparación de las mezclas

Las modificaciones realizadas consistieron en agregar 5% y 10% en peso de caucho ya

molido con los dos rangos de menor tamaño de partícula: 212-425 µm y 425-600 µm. Las

mezclas generadas se muestran en la Tabla IV.1.2.1.

Tabla IV.1.2.1 Descripción de las mezclas de asfalto modificado con caucho molido. Porcentaje de aditivación (%p/p).Tamaño de la partícula (Tp). Tiempo de mezclado (tm).

Caucho molido Muestra % p/p Tp (µm) tm (min) ACM 1 10 % 425-600 180

ACM 2 10 % 425-600 45

ACM 3 10 % 212-425 45

ACM 4 5 % 425-600 45

ACM 5 5 % 212-425 45

Firestone

ACM 5* 5 % 212-425 180

ACM 6 10% 425-600 45

ACM 7 10 % 212-425 45

ACM 8 5 % 425-600 45

ACM 9 5 % 212-425 45

Goodyear

ACM 9* 5 % 212-425 180

36

El proceso de mezclado consistió en calentar el asfalto virgen hasta 190 ± 1°C antes de

agregar el caucho. Una vez alcanzada la temperatura requerida se inició la agitación a 500 rpm

con agitador de paleta inclinada y se adicionó el caucho molido de forma continua cuidando de

no generar aglomerados en los bordes durante la incorporación del mismo. Las condiciones de

mezclado, de temperatura y agitación se mantuvieron a 190 ± 1°C y 500 rpm durante todo el

tiempo de mezclado. Para determinar el tiempo óptimo de agitación se monitoreó las variaciones

del porcentaje de deformación con el tiempo en un ensayo de creep, hecho en el reómetro de

corte dinámico. Para esto se tomaron muestras cada 15 min durante dos horas y 45 min en una

mezcla con 10% de caucho marca Firestone con tamaño de partícula 425 a 600 µm. Una vez

comparadas todas las muestras, se seleccionó un tiempo de mezclado de 45 min para asegurar el

mezclado homogéneo.

IV.2 Caracterización del caucho proveniente de los neumáticos

Para estudiar las posibles diferencias en composición entre las dos marcas comerciales de

neumáticos, se realizaron los siguientes análisis:

IV.2.1 Identificación de elastómeros por espectroscopia infrarroja

Se enviaron muestras de los cauchos ya molidos para la identificación del elastómero por

medio de espectroscopia infrarroja. Este análisis fue realizado por el Laboratorio de Química

General de PDVSA Intevep. Debido a que las muestras son vulcanizadas, el ensayo fue realizado

por pirolización siguiendo la norma ASTM D-3677 (16).

IV.2.2 Análisis cualitativo por fluorescencia de Rayos X

Del caucho ya molido se enviaron muestras al Laboratorio de Química General para

conocer los elementos que componen los neumáticos usados. El ensayo se realizó siguiendo el

programa analítico interno que acompaña al equipo llamado: SUPERQ SOFTWARE DE AXIOS

PETRO PW 2450.

37

IV.2.3 Determinación de Azufre por inducción de aleaciones, catalizadores y

muestras geológicas

Para determinar un aproximado de la cantidad de azufre empleada en la composición del

neumático, se enviaron muestras de los cauchos ya molidos al Laboratorio de Química General

para obtener un porcentaje del azufre libre en las muestras. El ensayo se basó en la norma ASTM

E- 1019 (38).

IV.2.4 Determinación de la dureza superficial

Para la determinación de la dureza de los neumáticos se empleó un durómetro de mano

como el mostrado en la Figura IV.2.4.1, con el cual se realizó la medición de la dureza en cinco

puntos a lo largo de la banda de rodamiento de los dos neumáticos, como lo indica la norma

ASTM D-2240 (39), para luego calcular la media de los valores.

Figura IV.2.4.1 Durómetro de mano marca Shore Instrumente & MFG. co.

IV.3 Caracterización del asfalto modificado con caucho molido

Una vez realizadas las mezclas, se sometieron a una serie de ensayos fisicoquímicos y

reológicos para estudiar las diferencias en comparación con el asfalto original de grado PG 70-22.

En primer lugar se les realizaron a todas las muestras los ensayos de: recuperación elástica,

viscosidad rotacional y resistencia a la deformación permanente a altas temperaturas.

38

Posteriormente se escogieron las muestras con un tiempo de mezcla de tres horas (ACM5* y

ACM9*) y el asfalto original para hacerles el resto de los ensayos y determinar su grado PG.

IV.3.1 Métodos de evaluación fisicoquímicas

IV.3.1.1 Punto de ablandamiento

Usando el equipo mostrado en la Figura IV.3.1.1.1 se realizó el ensayo cumpliendo con el

método de la norma ASTM D-36 (11). En este equipo es posible determinar el punto de

ablandamiento colocando en un anillo la muestra a ensayar y con ayuda de una bola colocada

sobre la misma, encontrar la temperatura a la cual el material fluye.

Figura IV.3.1.1.1 Equipo automático de ensayo de punto de ablandamiento marca Herzog.

IV.3.1.2 Penetración

Según lo establecido en la norma ASTM D-5 (9), se determinó la distancia de penetración

de una aguja con una carga vertical de 100 g sobre una muestra de asfalto a 25,0 ± 0,1°C. En

cada muestra se realizaron tres mediciones, reportándose el promedio de ellos. El equipo

empleado para este ensayo se puede observar en la Figura IV.3.1.2.1.

39

Figura IV.3.1.2.1 Penetrómetro marca Herzog-Lauda modelo 7301-000-00

IV.3.1.3 Recuperación elástica

Para determinar el porcentaje de recuperación elástica que posee el asfalto modificado, se

realizaron probetas que fueron sometidas a una deformación de 10 cm en un tiempo de 2 min y a

una temperatura de 25,0 ± 0,5°C para luego ser cortadas en el centro y esperar una hora para

determinar el porcentaje final de recuperación elástica. Este ensayo se realizó según las

condiciones establecidas en la norma ASTM D-6084 (40) y con un ductilómetro marca Petrotest

modelo FP 40. Se le realizó este ensayo a las muestras antes y después de envejecidas en el horno

de película delgada rotativa (RTFO).

IV.3.2 Métodos de evaluación reológica

IV.3.2.1 Viscosidad rotacional

El método empleado para la determinación de la viscosidad se explica en la norma ASTM

D-4402 y se empleó el equipo mostrado en la Figura IV.3.2.1.1. El ensayo se realizó a una

temperatura de 135 ± 1°C y cuidando que el torque se encontrara entre 10 % y 98 %.

40

Figura IV.3.2.1.1 Viscosímetro rotacional Brookfield modelo DV-II

IV.3.2.2 Ensayo del Horno de película delgada rotativa (RTFOT)

Este ensayo se realiza para simular las condiciones que va a sufrir la mezcla durante las

etapas de mezclado y compactación del asfalto en el pavimento. Este método se realiza a una

temperatura de 163,0 ± 0,5°C y siguiendo la norma ASTM D-2872 (41). El equipo usado para el

ensayo es mostrado en la Figura IV.3.2.2.1. Dos de los recipientes empleados para el ensayo son

pesados antes y después del proceso para medir la pérdida de masa del material. Posterior al

envejecimiento en el RTFO, se realizó recuperación elástica de las muestras y deformación

permanente a altas temperaturas.

Figura IV.3.2.2.1 Horno de película delgada rotativa marca James Cox modelo CS-325ª

41

IV.3.2.3 Envejecimiento del asfalto en cámara de presión (PAV)

Una vez realizado el ensayo de RTFOT se llevaron las muestras a un envejecimiento en

una cámara a presión para simular aproximadamente 10 años de servicio del asfalto en el

pavimento. Todo el ensayo se realizó en base a la norma ASTM D-6521 (42) y con el equipo que

se muestra en la Figura IV.3.2.3.1

Figura IV.3.2.3.1 Horno presurizado PAV marca Prentex modelo 9300

Una vez que se saca la muestra del horno presurizado se lleva a un horno de vacio (Figura

IV.3.2.3.2) a una presión de 15,0 ± 2,5 kPa y a una temperatura de 170 ± 5 °C por 30 ± 1 min

para luego determinar la resistencia a la fatiga y la resistencia a la flexión.

Figura IV.3.2.3.2 Horno de vacío marca Prentex modelo 9900

42

IV.3.2.4 Determinación de la resistencia a la flexión a bajas temperaturas en el

reómetro de flexión

Una vez que las muestras salen del PAV, se realizan una serie de probetas que son

llevadas a temperaturas por debajo de 0°C para determinar la temperatura de fragilización de la

muestra y la capacidad de amortiguar una carga determinada. El ensayo realizado está basado en

la norma ASTM D-6648 (43) y se realizó con el reómetro de la Figura IV.3.2.4.1

Figura IV.3.2.4.1 Reómetro de flexión marca Cannon modelo TE-BBR

IV.3.2.5 Determinación de propiedades reológicas del asfalto modificado en el

reómetro de corte dinámico

Para la determinación del grado PG según el sistema de SUPERPAVE se realizó una serie

de pruebas con el reómetro de corte dinámico (DSR: Dynamic Shear Rheometer) mostrado en la

Figura IV.3.2.5.1

Figura IV.3.2.5.1 Reómetro de corte dinámico DSR marca TA Instrument AR2000

43

IV.3.2.5.1 Resistencia a la deformación remanente a altas temperaturas

Para determinar la temperatura máxima de trabajo del asfalto se realizó la medición del

parámetro G*/sen(δ), tanto en el asfalto modificado como al original, antes y después de

envejecido en el horno de película delgada rotativa (RTFO). Para el asfalto virgen (sin envejecer)

se debió buscar la temperatura a la cual el parámetro de G*/ sen(δ) es de 1,00 kPa y para el

asfalto envejecido se buscó la temperatura a la cual el parámetro arroje un valor de 2,20 kPa.

Todo el ensayo está establecido en la norma ASTM D-7175.

IV.3.2.5.2 Resistencia a la fatiga

Para determinar la resistencia a la fatiga se buscó el parámetro G*.sen(δ) de las muestras

de asfalto modificado, luego de pasar por el envejecimiento a presión (PAV). Este ensayo indica

la capacidad de soportar la fatiga luego de años de servicio. El método empleado fue según lo

establecido en la norma ASTM D-7175.

IV.3.2.6 Ensayo del punto de inflamación (Flash Point)

Se realizó el ensayo de Flash Point al asfalto original y a un asfalto modificado con 5%

p/p de caucho molido (ACM 4), basándose en la norma ASTM D-92. Este método se realizó con

el equipo mostrado en la Figura IV.3.2.6.1

Figura IV.3.2.6.1 Equipo de determinación del punto de inflamación. Tenaka ACO-5

44

V.3.3 Estabilidad del asfalto modificado con caucho molido

Este ensayo fue realizado en los asfaltos modificados con 5% p/p de caucho y un tiempo

de mezclado de 180 min. Para la determinación de la estabilidad se dejó una muestra de cada

asfalto en un horno a 163 °C por 48 horas. Posteriormente, se llevó a un refrigerador por 6 horas.

Al terminar el tiempo se dividió el envase en tres parte iguales y se realizó el ensayo de punto de

ablandamiento al fondo y el tope de las muestras.

45

V. RESULTADOS Y DISCUSIÓN V.1. Caracterización de los neumáticos

Los neumáticos de camión tipo 350 empleados para la modificación del asfalto se

escogieron en base al estudio de ventas en una pequeña zona del área de Caracas. De esta manera,

las marcas Firestone y Goodyear fueron las escogidas para este proyecto. En búsqueda de las

diferencias en las formulaciones de ambos neumáticos, se llevaron a cabo una serie de análisis

para determinar si existe alguna variante entre marca que pueda generar cambios en la interacción

con el asfalto. El principal análisis fue la determinación de los elastómeros que forman parte en la

formulación de los neumáticos. Una variación del tipo de elastómero puede generar cambios en la

interacción con el asfalto. Para este análisis se realizó la espectroscopia infrarroja de ambas

marcas de neumáticos, en donde se pudo conocer qué cauchos hay en la muestra. Por revisión

bibliográfica se conoce que los neumáticos de camión poseen un alto porcentaje de caucho

natural (NR) debido a la mayor carga que tienen que soportar por largos períodos de tiempo, en

comparación con los neumáticos de pasajeros. El poseer un caucho de alta flexibilidad permite un

menor desgaste del neumático y una alta resiliencia. Sin embargo, no se usa sólo caucho natural,

se tiende a mezclar con algún caucho sintético como el caucho estireno-butadieno (SBR) o el

polibutadieno (BR) para mejorar las propiedades de desgaste y adherencia a pavimentos

húmedos. Debido a la estructura del caucho natural, en su espectro se deben encontrar bandas

cercanas a las indicadas en la Tabla V.1.1.

Tabla V.1.1 Bandas características del caucho natural (NR). Grupo Funcional y Longitud de onda (λ). Grupo Funcional λ (cm-1)

>C=CH- 835 -CH3 1040 y 1090 >C=C< 1130 -CH3 1370 -CH2- 1460

46

Así, al comparar estos datos con el espectro del caucho Firestone mostrado en la Figura

V.1.1 (a), se puede observar que existen bandas muy parecidas a las del caucho natural. Para

lograr un análisis más confiable, se obtuvo un espectro de caucho natural con el mismo equipo

empleado para el neumático Firestone, tal y como se muestra en la Figura V.1.1 (a)(b).

Figura V.1.1 Espectros infrarrojos del caucho Firestone (a) y Caucho Natural NR (b).

La comparación de espectros de elastómeros como el NR, BR y SBR es muy complicada,

ya que poseen bandas muy parecidas por la estructura de las cadenas, por este motivo el análisis

se enfocó en bandas características de cada caucho que se encuentran por debajo de los

2000 cm-1. En primer lugar, se comparó con el espectro de caucho natural, encontrando una alta

Caucho 1

692

887

966

1375

1451

163

91711

2862

2925

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

%T

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Wavenumbers (cm-1)

M12778. Caucho 3.

42854

2

798

887

1376

1438

1645

2921

2964

3082

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

%T

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Wavenumbers (cm-1)

(a)

(b)

47

similitud en las bandas características de este caucho. De esta manera se puede confirmar la

presencia del NR en el neumático Firestone.

Figura V.1.2 Espectros infrarrojos del caucho Firestone (a) y el caucho estireno-butadieno SBR

(b)

Al observar los espectros de cauchos sintéticos como el SBR y el BR tomados del mismo

equipo de infrarrojo, se puede observar que el espectro del SBR posee una banda cercana a

1700 cm-1 que también posee el caucho Firestone en 1711 cm-1 (ver Figura V.1.2). Esta banda es

debida al grupo bencénico (C6H5) proveniente del estireno en la cadena. Sin embargo, al

comparar el caucho Firestone con el BR (ver Figura V.1.3), la banda en 1700 cm-1 no aparece en

el BR. De igual manera, en el rango de 600-700 cm-1 existen un conjunto de bandas en el SBR

correspondientes a los enlaces en el benceno que también se presentan en el espectro del

neumático Firestone.

(a)

(b)

48

Figura V.1.3 Espectros infrarrojos del caucho Firestone (a) y el caucho butadieno BR (b) De igual forma se analizó el espectro generado a partir del neumático Goodyear,

encontrándose las mismas similitudes con el espectro de caucho natural y de SBR. El espectro de

neumático Goodyear se puede apreciar en la Figura V.1.4.

Figura V.1.4 Espectro infrarrojo del caucho Goodyear.

Caucho 269

9

751

908

966

1375

1452

1492

1601

164017

09

2859

2925

3021

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

%T

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavenumbers (cm-1)

(a)

(b)

49

Un factor que hay que tomar en cuenta en el momento del análisis, es la metodología

empleada para la determinación del espectro. Debido a que los cauchos estudiados son

vulcanizados, se requirió una preparación previa de la muestra, en donde el material es sometido

a una extracción soxhlet con 2-propanol y acetona para separar cualquier elemento empleado en

la vulcanización que pueda absorber en el rango de longitud de onda estudiado y afectar los

resultados. Posteriormente la muestra se pirolizó y se analizó en el equipo infrarrojo los

productos de la degradación. Debido a que la temperatura de pirolización usada fue de

450-500°C, y la temperatura de degradación del caucho natural está entre 287-400 °C (45) y los

del SBR y BR están en el rango de 327-432 °C y 325-475 °C respectivamente (45), se tiene

seguridad de que todos los elastómeros de la muestra se degradan en el ensayo de pirolización. A

partir de este ensayo se observa la similitud en estructura química que poseen tanto Firestone

como Goodyear, por lo que ambas marcas poseen caucho natural y SBR en su composición.

Otro ensayo que se realizó fue la determinación del porcentaje de azufre en el sistema. El

método consiste en utilizar oxígeno de alta pureza para crear dióxido de azufre que se detecta por

absorción infrarroja y poder obtener el porcentaje de azufre libre que queda en la muestra. Por

este ensayo no se pudo determinar el porcentaje de azufre que es utilizado en la vulcanización. En

la Tabla V.1.2 se muestra el porcentaje de azufre libre de las dos marcas de neumáticos.

Tabla V.1.2 Porcentaje de azufre encontrado en los cauchos Firestone y Goodyear.

Neumático Porcentaje de azufre (%) Goodyear 1,31 Firestone 1,50

El azufre libre encontrado en las muestras puede ayudar durante el proceso de mezclado

con el asfalto. El hecho de poseer azufre en el medio, da la posibilidad de crear interacciones

químicas entre los componentes del asfalto y el caucho con el azufre como enlazante, junto con

la ayuda de temperatura y agitación durante el mezclado. De esta manera, existirán otros

elementos de enlace además de las reacciones entre el caucho y el asfalto. La pequeña diferencia

de 0,2 % de más que tiene Firestone puede aumentar el efecto del azufre en el sistema y aumentar

el enlace asfalto-caucho.

50

Para estudiar algún otro factor que pueda influir en las propiedades del asfalto

modificado, se determinó la cantidad de elementos metálicos en el caucho molido. Se pudo

encontrar los metales identificados en la Tabla V.1.3. Hay que tomar en cuenta que ambos

cauchos incorporados al asfalto poseen impurezas que pueden interferir o ayudar en las

reacciones. Muchos de los elementos encontrados en las muestras se deben al método de

molienda empleado. El disco del esmeril usado va desgastándose a medida que se va raspando el

caucho y éste arrastra los metales que el disco desprende.

Tabla V.1.3 Elementos detectados en los neumáticos por medio de Fluorescencia de rayos x

Neumático Elementos Detectados

Firestone Zn, Fe, Cu, K, Ca, Ni, Cl y Si

Goodyear Zn, Fe, Cu, K, Ca, Ti, Cl y Si

Después de la realización de estos ensayos, se determinó que ambas marcas de

neumáticos poseen características químicas muy similares en cuanto a los tipos de elastómeros

usados en la banda de rodamiento y elementos metálicos detectados en la muestra.

Como ensayo mecánico se buscó la dureza de la banda de rodamiento. El caucho

Firestone presentó una menor dureza que el Goodyear tal y como lo indica la Tabla V.1.4. A

pesar de las similitudes encontradas en los análisis químicos, se encontró una gran diferencia en

cuanto a dureza. Dentro de la formulación de los neumáticos se tienen varios elementos que no se

pudieron determinar por falta de la instrumentación indicada, uno de ellos es la carga reforzante

como el negro de humo. Este compuesto aumenta el módulo de rigidez del neumático, por lo que

existe la posibilidad de que Goodyear presente un porcentaje mayor de negro de humo en su

formulación. También influye el tipo de negro de humo empleado: el tamaño, la estructura y la

naturaleza física y química, la cual puede impartir mayor o menor reforzamiento. Otro motivo

para esta diferencia es el grado de entrecruzamiento del caucho. A medida que se tiene un mayor

vulcanizado, la unión entre las cadenas es mayor y el material se vuelve más rígido. El porcentaje

de azufre determinado anteriormente indica el azufre que está libre en el sistema, es decir, que no

reaccionó en el proceso de vulcanización y no se tiene el porcentaje de vulcanizado que tienen

ambos sistemas. Por lo tanto, existe la posibilidad de que Goodyear tenga un mayor grado de

51

entrecruzamiento y así le imparta mayor dureza al caucho. Otra variable que puede influir en la

diferencia de dureza es el porcentaje de caucho natural y SBR que tengan las formulaciones.

Debido a la estructura menos compleja del caucho natural (sin presencia de grupos estirénicos),

este tiene mayor flexibilidad que el SBR, por lo que el neumático Firestone puede poseer mayor

cantidad de caucho natural que Goodyear.

Tabla V.1.4 Resultados de ensayo de dureza realizado a los neumáticos Firestone y Goodyear.

Neumático Dureza Firestone 55 ± 5 Goodyear 73 ± 5

V.2 Molienda y tamizado del caucho

La molienda de los neumáticos se realizó con un esmeril de disco de piedra, con el que se

fue raspando la banda de rodamiento del neumático hasta llegar a la malla textil. La formulación

de las diferentes partes del neumático varía dependiendo de la función que tengan, por este

motivo se utilizó sólo el caucho ubicado en la banda de rodamiento. Así, se tiene una mayor

seguridad del elastómero que se está empleando en la modificación. Otro motivo para escoger

esta zona del neumático es que la banda de rodamiento presenta el área con mayor cantidad de

caucho y de mayor facilidad de moler con el esmeril. Hay que tomar en cuenta que cuando se

produce el triturado de neumáticos en una planta, este se realiza de forma completa sin separar las

secciones del mismo. Sin embargo, el porcentaje de caucho proveniente de los laterales y el ápice

es muy pequeño y tiene poca influencia en la interacción con el asfalto durante el mezclado. En la

Figura V.2.1 se muestran los cauchos Firestone y Goodyear con un corte transversal en donde se

puede apreciar la malla textil.

Figura V.2.1 Corte transversal de los neumáticos empleados para la molienda. Firestone (a) y Goodyear

(b)

(a) (b)

52

El proceso de molienda con el esmeril no es el más adecuado para obtener caucho

granulado. Existen equipos y plantas especializadas en la molienda de cauchos, en donde se

puede obtener una amplia gama de granulometrías con la seguridad de tener menor porcentaje de

impurezas en el producto. Sin embargo, para este proyecto el esmeril fue el único método

disponible para la obtención del caucho molido. Al producto de la molienda se le llamó por su

nombre comercial, caucho molido modificador (CRM: “crumb rubber modifier”). La

granulometría encontrada por este método estuvo en el rango de 212-1000 µm, en donde se

obtuvo para ambas marcas la distribución del tamaño de partícula mostrada en la Gráfica V.2.1.

En general, de ambos neumáticos se pudo obtener el mismo rango; sin embargo, Firestone

presentó una mayor cantidad de partículas con tamaños entre 425-600 µm y Goodyear pudo

generar partículas más pequeñas (212-425 µm). El motivo se basa principalmente en la dureza de

los cauchos. Debido a que Firestone tiene menor rigidez, durante el proceso de molienda se

deforma con mayor facilidad y se dificulta mucho más el raspado del caucho. Por otro lado, la

menor flexibilidad del neumático Goodyear hace que la molienda con el esmeril sea más fácil y

se obtenga tamaños de partículas menores.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

mayor1000

710-1000 600-710 425-600 212-425 menor a212Tamaño de partículas (um)

Porc

enta

je (%

)

GOODYEAR

FIRESTONE

Gráfica V.2.1 Distribución del tamaño de partícula de neumáticos molidos con esmeril.

Para el estudio del asfalto modificado se seleccionó el menor tamaño de partícula

encontrado, ya que se tiene una mayor superficie de contacto entre el asfalto y el caucho,

existiendo así una mayor posibilidad de interacción entre ambos en el momento del mezclado.

53

Por lo tanto, se escogieron los tamaños de 212-425 µm y 425-600 µm. En la Figura V.2.2 se

observa la granulometría encontrada después del tamizado.

Figura V.2.1 Granulometría encontrada después del tamizado para el neumático Goodyear.

V.3 Mezclas de asfalto modificado con caucho molido

V.3.1 Selección de las condiciones de mezclado

Para la mezcla de asfalto modificado se empleó el asfalto Boscán de penetración 60/70 o

grado PG 70-22. El porcentaje empleado de caucho para la modificación se escogió basándose en

referencias bibliográficas, al igual que la temperatura de ensayo y la velocidad de agitación. Los

porcentajes de CRM usados fueron de 5% y 10% p/p, con la finalidad de encontrar la cantidad

óptima para lograr modificaciones en las propiedades fisicoquímicas y reológicas que permitan

un mejor desempeño en el pavimento. La temperatura usada para la mezcla debió ser lo

suficientemente alta para lograr la fluidez del asfalto y poder incorporar de forma eficiente el

caucho. Se conoce que la temperatura promedio de mezclado del asfalto con CRM se encuentra

entre 160 °C y 240 °C, pero a temperaturas por encima de los 200 °C la etapa de hinchamiento

se produce con gran rapidez, dificultando el monitoreo del mezclado y dando mayores

posibilidades de crear un alto grado de devulcanización. Para determinar el tiempo de mezclado

se utilizó una muestra en donde se aplicaran las condiciones extremas de tamaño y porcentaje de

aditivo incorporado, por lo que se requeriría mayor tiempo para lograr una efectiva interacción.

Por lo tanto, se escogió CRM Firestone de 10% y una granulometría de 425-600 µm. Se realizó el

monitoreo tomando cada 15 min una muestra para realizarle el ensayo de creep repetitivo en un

54

reómetro de corte dinámico hasta observar que las curvas fueran constantes. Las deformaciones

dadas durante el ensayo en muestras que iban desde 15 min a 90 min de mezcla se mantuvieron

similares, como lo indica el Gráfico V.3.1.1 Con este resultado, se fijó un tiempo de 45 min para

lograr una mezcla homogénea

15 min.

30 min45 min.

75 min.90 min.

Asfalto original

0

5

10

15

20

25

30

120 219tiempo de ensayo (s)

% d

e de

form

ació

n

Gráfica V.3.1.1 Porcentaje de deformación durante el tiempo de ensayo para muestras de asfalto

modificado con caucho.

Se realizaron cuatro mezclas de cada marca de neumático como se indicó en la Tabla

IV.1.2.1 (ver pág. 38) con un tiempo de mezcla de 45 min. Al finalizar el mezclado se realizó un

ensayo de creep a cada muestra para observar la deformación que se produce en el DSR. Los

resultados fueron comparados con el asfalto original. El Gráfico V.3.1.2 muestra el valor de la

pendiente de una curva de deformación contra tiempo de ensayo, que es una relación

proporcional a la deformación plástica sufrida por la muestra. La deformación al agregarle CRM

a la muestra va disminuyendo a medida que el porcentaje de caucho incorporado es mayor. Sin

embargo, no se mostró mayor diferencia entre los dos rangos de tamaño de partículas estudiados.

Durante el proceso de mezclado, los componentes blandos (maltenos) del asfalto van hinchando

el caucho hasta llegar a un punto máximo de absorción de aceites. Si las condiciones de agitación

y temperatura se mantienen por un tiempo mayor, los componentes más pesados del asfalto

(asfaltenos) logran interactuar con el caucho y se produce una devulcanización, creando un

enlace entre ellos. El proceso de hinchamiento que se lleva a cabo en el caucho se debe a la

flexibilidad que existe en las cadenas, permitiendo que las moléculas de líquido ocupen el espacio

55

entre las mismas, pero debido al entrecruzamiento que existe en el caucho, no deja que se

produzca una separación de las mismas y se disperse el elastómero.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Pend

ient

e (%

m)

10% 425-600 um 10% 212-425 um 5% 425-600 um 5% 212-425 um

Muestras

Firestone

Goodyear

Asfalto Original

Gráfica V.3.1.2 Representación de la deformación en muestras de asfalto modificado con caucho

molido. El azufre libre que se encuentra en las muestras de caucho también puede influir en el

sistema, creando enlaces extra entre el asfalto y el elastómero. Al crearse esta unión, el material

resultante poseerá una mayor elasticidad en comparación con el asfalto virgen debido a la acción

del caucho. A medida que se tenga un mayor porcentaje de caucho en la muestra, la capacidad

elástica será mayor, por esto se observa la tan poca deformación remanente que sufre el asfalto

modificado con 10% p/p de caucho. En cuanto al tamaño de partícula, no se encontró un cambio

significativo al variar el rango del tamaño. Se pensaba que al disminuir el tamaño de partícula,

existiría mayor superficie de contacto entre el asfalto y el caucho, además de que la etapa de

hinchamiento sería menor y se crearía mayor grado de interacción entre los materiales. Sin

embargo, la diferencia entre los dos rangos de partículas no es mucha, por lo que sería necesario

lograr tamaños de CRM menor a 212 µm para estudiar con más profundidad el efecto de la

granulometría en las propiedades del asfalto modificado.

V.3.2 Determinación de las propiedades finales de la mezcla

Posteriormente, se realizó un monitoreo de las principales propiedades para determinar

qué asfaltos cumplen con las especificaciones necesarias para ser usados en el proceso de

56

pavimentación, además de cuantificar el porcentaje de cambio sufrido al modificar el asfalto. En

esta etapa se determinó el grado PG de alta, el ángulo de fase (δ), la recuperación elástica y la

viscosidad rotacional. Al comparar los resultados del asfalto original con los modificados se

comprueba el efecto que causa este material de desecho en el asfalto. Al realizar las mezclas se

observó un cambio en la consistencia al finalizar el mezclado, éstas adquirieron una alta

grumosidad debido a la dispersión de las partículas sólidas de caucho.

Para determinar la temperatura máxima de uso de las muestras y el ángulo de fase, se

usaron las especificaciones dadas por SUPERPAVE, para obtener los datos de la Tabla V.3.2.1.

Al comparar los resultados con el asfalto original se puede ver cómo aumenta la temperatura de

uso máxima del asfalto hasta en 22% con 10% p/p de CRM. Los valores encontrados en

paréntesis corresponden a la clasificación donde entran en el rango PG. El aumento en la

temperatura de uso hace que las propiedades del asfalto se mantengan por más tiempo,

disminuyendo la posibilidad de deformaciones permanentes en el pavimento. Al determinar el

ángulo de fase del asfalto original se corrobora el predominio de la componente viscosa, ya que

se este parámetro indica la componente elástica y viscosa que posee el material. El tener un

ángulo de fase cercano a 90º, indica que el material tiende a comportarse como un material

viscoso. Al agregarle caucho se disminuyó hasta un 10% el δ, debido a que la incorporación de

elementos altamente elásticos al asfalto crea un sistema con mayor respuesta elástica.

Tabla V.3.2.1 Valores de la temperatura máxima de uso (Grado PG) y del ángulo de fase (δ) de las

mezclas de asfalto modificado y original. Neumático Firestone (F) y Goodyear (G). Muestras Grados PG δ

Asfalto Original Boscán

70,9 ± 0,1 (70)

84,92 ± 0,01

ACM 2 10% 425-600 µm F. 86,7 ± 0,1 (82) 74,87 ± 0,30

ACM 3 10% 212-425µm F 86,8 ± 0,1 (82) 75,68 ± 0,37

ACM 4 5% 425-600µm F 78,0 ± 0,1 (76) 80,43 ± 0,12

ACM 5 5% 212-425µm F

78,3 ± 0,1 (76) 79,92 ± 0,12

57

Tabla V.3.2.1 Continuación …

Muestras Grados PG δ ACM 6 10% 425-600µm G

86,3 ± 0,1 (82) 76,09 ± 0,30

ACM 7 10% 212-425µm G 85,6 ± 0,1 (82) 77,66 ± 0,39

ACM 8 5% 425-600 µm G

78,6 ± 0,1 (76) 80,30 ± 0,10

ACM 9 5% 212-425µm G

78,1 ± 0,1(76) 81,06 ± 0,10

Otra propiedad estudiada fue la recuperación elástica, al observar la Gráfica V.3.2.1 se

puede ver como al aumentar el porcentaje de CRM en la mezcla, la resistencia a la deformación

permanente es mayor, lograndose hasta 47 % de incremento. La capacidad que tiene el asfalto

original a recuperar su forma inicial luego de una deformación es muy pequeña, esto trae como

consecuencia que el pavimento sufra con mayor facilidad hundimientos y deformaciones por la

aplicación continua del peso de los automóviles.

0

10

20

30

40

50

60

70

Rec

uper

ació

n el

ástic

a (%

)

10% 425-600 um 10% 212-425 um 5% 425-600 um 5% 212-425 umMuestras

Firestone

Goodyear

Asfalto Original

Gráfica V.3.2.1 Representación de la recuperación elástica en muestras de asfalto modificado con CRM.

En este ensayo se encontró una diferencia en cuanto a las marcas de neumáticos

estudiados, observándose que el asfalto modificado con Firestone presenta un incremento en la

recuperación elástica de 47 % con 10% p/p de CRM en comparación con 35 % de aumento con

Goodyear. Esta diferencia se puede atribuir a cambios en la formulación de ambas marcas, la

58

existencia de algún elemento puede influir en las interacciones que se deben producir entre el

asfalto y el caucho. Como se explicó anteriormente, se supone que Goodyear al tener mayor

dureza, puede poseer un mayor contenido de negro de humo, esto hace que la resiliencia del

caucho sea menor y se impida el grado de interacción que ocurre en el Firestone.

Con el ensayo de infrarrojo se determina los elastómeros que forman parte de la

formulación de los neumáticos, pero no la cantidad de cada elastómero. Es conocido por la

literatura que los neumáticos de camión poseen mayor porcentaje de caucho natural que sintético.

La mayor flexibilidad de las cadenas del caucho natural permite una mayor difusión de los

componentes livianos del asfalto entre las cadenas, permitiendo un mayor equilibrio de

hinchamiento. Este efecto da la posibilidad de una mayor interacción entre el asfalto y el caucho,

logrando que las propiedades elásticas del caucho sean un poco más predominantes. En cambio,

la estructura más rígida del SBR requiere de una mayor energía para lograr la separación de las

cadenas y permitir la difusión del asfalto. Por lo tanto, es posible que el neumático Firestone

posea mayor cantidad de caucho natural que el Goodyear. También una alta cantidad de carga

reforzante en el sistema puede representar un obstáculo en las reacciones que se llevan a cabo

entre el asfalto y el caucho. Una tendencia observada fue el aumento de la recuperación elástica a

medida que se incrementa el tamaño de partícula en el caucho Firestone, efecto que no se observó

en el neumático Goodyear. Esta es una tendencia poco esperada, debido a que como ya se

explicó anteriormente, un menor tamaño de partícula debe dar mayor facilidad de interacción,

creándose una mejor unión asfalto-caucho. Para poder estudiar este efecto se debe realizar un

mayor número de ensayos con mayores rangos de tamaños de partícula.

En la Gráfica V.3.2.2 se muestran los valores obtenidos de la viscosidad rotacional para

todas las muestras estudiadas. El aumento en cuanto al asfalto virgen es muy significativo,

encontrándose valores que sobrepasan las especificaciones recomendadas por el programa de

investigación de carreteras (3000 cP) al agregar 10% p/p de CRM. Se pudo aumentar 2,5 veces

la viscosidad con apenas 5% de CRM y hasta 11,7 veces con 10% p/p. Este gran aumento en la

viscosidad confirma la actuación del caucho en el sistema, donde estas partículas absorben parte

de los componentes blandos del asfalto creando estructuras de gel con una menor distancia entre

ellas para generar un alto incremento en la viscosidad. Las diferencias existentes entre las marcas

de neumáticos se encuentran dentro del rango de errores.

59

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

AsfaltoOriginal

5% 212-425um

5% 425-600um

10% 212-425 um

10% 425-600 um

Muestras

Visc

osid

ad R

otac

iona

l (cP

)

Firestone Goodyear

Gráfica V.3.2.2 Viscosidad rotacional de las muestras de asfalto modificado con CRM.

La alta dificultad en la manipulación del asfalto con 10% de CRM hace muy complicado

su uso en pavimentación, por lo que sólo se tomaron las muestras de 5% p/p de CRM para

analizar el cambio con el aumento del tiempo de mezclado a 180 min. Debido a que las

variaciones entre tamaños de partículas son poco significativas, se escogió el tamaño 212-425 µm

de cada caucho para caracterizar. De igual forma que al buscar el tiempo óptimo inicial, se

realizó un ensayo de creep al finalizar el mezclado (Ver Gráfico V.3.2.3). Al incrementar el

tiempo se mezclado se dieron las condiciones necesarias para lograr un mayor grado de

interacción y estudiar qué sucede con las propiedades finales.

Original

180 min

45 min

0

20

40

60

80

100

120

140

121 220Tiempo de ensayo (s)

% d

e de

form

ació

n

Goodyear

Firestone

Gráfica V.3.2.3 Porcentaje de deformación con el tiempo de ensayo del creep para muestras con

un tiempo mezclado de 45 min y 180 min.

60

A las mezclas finales se le realizaron una serie de pruebas para determinar el cambio del

grado PG con respecto al asfalto original estudiado. Uno de los ensayos fue la viscosidad

rotacional. En la Gráfica V.3.2.4 se observan los valores obtenidos para las mezclas con un

tiempo de 45 min y 180 min de mezclado. El aumento de la viscosidad en las dos mezclas indica

que al incrementar el tiempo de mezclado, se dio la posibilidad de un mayor grado de interacción,

por lo que se puede deducir que aún existen posibilidades de lograr un mayor enlace en la

mezcla. Se debe recordar que existe un tiempo tope para lograr el máximo de hinchamiento, por

lo que si el tiempo se aumenta muy por encima de lo estudiado, puede existir un incremento de

deformación, ya que se permitió un hinchamiento total del caucho y comenzar el proceso de

devulcanización.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Asfalto Original 45 180Tiempo de mezcla (min)

Visc

osid

ad R

otac

iona

l (cP

)

Firestone Goodyear

Gráfica V.3.2.4 Comparación de la viscosidad rotacional de mezclas con 5% p/p de CRM a

diferentes tiempos de mezclado.

En la Gráfica V.3.2.5 se observa el aumento de la recuperación elástica que poseen las

mezclas con un mayor tiempo de mezclado, confirmando el hecho de que al mantener las

condiciones de mezclado por un mayor tiempo, se logra un mayor enlace en el sistema asfalto-

caucho. El incremento de la viscosidad entre los dos tiempos de mezclado fue de hasta 21% con

Goodyear y 14 % con Firestone. A los 180 min de mezclado se observa un mejor desempeño del

CRM Goodyear. Una posible explicación es la ya antes descrita de la mayor proporción de SBR

que pueda poseer Goodyear en comparación con Firestone. Este caucho por tener menor

flexibilidad que el NR, necesita mayor tiempo para llegar a su máximo de hinchamiento y

61

comenzar la etapa de devulcanización. Otra causa posible se basa en el grado de

entrecruzamiento que tenga cada caucho. El tener un mayor grado de entrecruzamiento, dificulta

que los maltenos ingresen al caucho e hinchen las partículas, por lo que se requerirá mayor

energía para lograr el hinchamiento máximo y comenzar el devulcanizado.

0

10

20

30

40

50

60

Rec

uper

ació

n el

ástic

a (%

)

Asfalto Original 45 180

Tiempo de mezclado (min)

Firestone

Goodyear

Gráfica V.3.2.5 Comparación del porcentaje de recuperación elástica de mezclas con 5% p/p de CRM a

diferentes tiempos de mezclado

La penetración también fue una propiedad estudiada. La disminución de la penetración en

las muestras con 5% p/p de CRM y 180 min de tiempo de mezcla fue de 30 % con respecto al

asfalto original, tal y como indica la Gráfica V.3.2.6; esto debido al igual que la viscosidad

rotacional, a la incorporación de caucho en el sistema. Al lograrse cierto grado de interacción, el

sistema se vuelve más viscoso y denso, por lo que la penetración del asfalto modificado

disminuirá.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Pene

trac

ión

(mm

/10)

Asfalto original 5% p/p CRM

Muestras

Firestone

Goodyear

Gráfica V.3.2.6 Penetración de asfalto original y modificado con 5% p/p de CRM a 180 min de mezclado.

62

Para la determinación completa del grado del asfalto modificado, se realizaron las

pruebas de punto de ablandamiento, punto de inflamación, pérdida de masa y la simulación del

proceso de oxidación que sufre el asfalto durante la pavimentación y años de servicio. La adición

de un 5% p/p de caucho permite incrementar la dureza del asfalto, generando un aumento en la

temperatura de ablandamiento de 12% e incrementado el grado del asfalto de PG 70-22 a PG 76-

22 con ambas marcas de neumáticos como se muestra en los resultados de la Tabla V.3.2.2. Se

pudo incrementar la temperatura máxima de trabajo del asfalto, pero no reducir la temperatura

mínima. Es decir, el porcentaje de CRM incorporado no ayudó a aumentar la resistencia al

agrietamiento térmico. Se debe estudiar si con un mayor porcentaje de CRM es posible lograr una

mejora en esta propiedad. El punto de inflamación bajó con respecto al del asfalto original ya que

se supone que las partículas de caucho poseen un punto de inflamación menor que el asfalto, sin

embargo, no se pudo encontrar la temperatura exacta de inflamación de un caucho. Aún así, esta

temperatura está por encima de la permitida para la manipulación del mismo, en el proceso de

pavimentación.

Cuantificar la pérdida de masa que sufre el asfalto durante la pavimentación es muy

importante para determinar si existen elementos volátiles en el sistema. Las resinas y los aceites

(maltenos) son los compuestos con menor peso molecular en el asfalto, por lo que son los más

propensos a volatilizar durante el calentamiento. También en este proceso se lleva a cabo una

leve oxidación del sistema al estar presente el oxígeno, formando una reagrupación de

compuestos en el medio y generando carboxilos. Al generarse una pérdida de masa se comprueba

la volatilización de una alta cantidad de maltenos. Estos elementos de bajo peso molecular

conforman la parte viscosa del asfalto, por lo que al reducir una pequeña proporción, se puede

lograr un cambio en sus propiedades. Al modificar el asfalto con caucho, estos absorben los

maltenos e impiden que se evaporen del sistema, de aquí la menor pérdida de masa de los asfaltos

modificados.

63

Tabla V.3.2.2 Propiedades fisicoquímicas y reológicas de las muestras de asfalto modificado con CRM para la determinación del Grado PG por SHRP

Propiedades

Asfalto Virgen

Asfalto + 5%p/p

CRM Firestone

Asfalto + 5%p/p

CRM Goodyear

Punto de ablandamiento (ºC)

49,00 ± 1,40 55,20 ± 1,40 56,75 ± 1,40

Punto de inflamación Mínimo: 230°C 295 ± 8 265 ± 8

67°C 2,222 ± 0,003 70°C 2,515 ± 0,006 70°C 2,887 ± 0,010

70°C 1,093 ± 0,001 76°C 1,139 ± 0,004 76°C 1,603 ± 0,006

76°C 0,574 ±0,001 82°C 0,788 ± 0,003 82°C 0,911 ± 0,003

Asfalto Original G*/sen(δ)

Mínimo: 1,00 kPa

Temperatura límite (°C): 71,0 ± 0,1 79,5 ± 0,1 81,0 ± 0,1

Pérdida de masa Mínimo: 1,00% -0,828 ± 0,071 -0,648 ± 0,059 -0,610 ± 0,056

70°C 2,574 ± 0,003 70°C 5,520 ± 0,006 70°C 5,916± 0,004

76°C 1,333 ± 0,001 76°C 3,127± 0,003 76°C 3,302± 0,006

82°C 0,709 ± 0,001 82°C 1,800± 0,002 82°C 1,867± 0,004

Asfalto después de RTFO G*/sen(δ)

Mínimo: 2,20 kPa

Temperatura límite (°C): 71,4 ± 0,1 79,8 ± 0,1 80,3 ± 0,1

19°C 5921 ± 11 16°C 5690 ±79 19°C 5045 ± 9

22°C 4014 ± 4 19°C 4111 ± 23 25°C 2441 ± 3

25°C 2887 ± 3 31°C 9156 ± 6 31°C 1149 ± 1

Asfalto después de PAV

G*.sen(δ) Máximo: 5000 kPa

Temperatura límite (°C): 20,3 ± 0,1 17,2 ± 0,1 19,1 ± 0,1

-6°C 59,9 ± 5,5 -6°C 48,0 ± 4,4 -6°C 53,6 ± 4,9

-12°C 137,0 ± 12,5 -12°C 103,0 ± 9,4 -12°C 92,5 ± 8,4

-18°C 353,0 ± 32,1 -18°C 203,0 ± 18,5 -18°C 260,0 ± 26,7

BBR después de PAV

S, Máximo: 300 MPa

Temperatura límite (°C): -16,5 ± 0,1 -17,1 ± 0,1 -16,7 ± 0,1

-6°C 0,419 ± 0,017 -6°C 0,414 ± 0,017 -6°C 0,373 ± 0,015

-12°C 0,421 ± 0,017 -12°C 0,347 ± 0,014 -12°C 0,361 ± 0,014

-18°C 0,276 ± 0,011 -18°C 0,292 ± 0,012 -18°C 0,285 ± 0,011

BBR después de PAV

m, Mínimo: 0,300

Temperatura límite (°C): -17,0 ± 0,1 -21,5 ± 0,1 -18,8 ± 0,1

PG REAL 70-26 79-27 80-26

Clasificación PG 70-22 76-22 76-22

64

Después del envejecimiento en el equipo RTFO se realizó nuevamente el ensayo de

recuperación elástica para observar si existe alguna diferencia entre el antes y el después de

envejecido. Como muestra la Gráfica V.3.2.7, se produce un aumento de elasticidad del asfalto,

tanto original como modificado. Este fenómeno se debe a que al evaporarse una pequeña

cantidad de la componente viscosa del asfalto (maltenos), el comportamiento elástico que

imparten los asfaltenos se vuelve más notable, logrando que el sistema tenga una disminución del

efecto viscoso. Para comprobar esto se obtuvo el ángulo de fase a 70 °C antes y después del

envejecimiento en las tres muestras (Tabla V.3.2.3), confirmando este fenómeno. Este

comportamiento no indica que el proceso de oxidación del asfalto lo vuelva más elástico. Se debe

resaltar que el grado de oxidación que se produce durante este ensayo es mínimo. Para obtener el

efecto del envejecimiento por años de servicio se realiza el PAV, en donde la proporción de

carboxilos generados es mucho mayor y genera la rigidización del asfalto. En cuanto a las

mezclas con caucho otro efecto se puede producir a la par con el explicado; las condiciones de

ensayo pueden permitir que siga reaccionando el sistema asfalto-caucho, produciendo una mayor

recuperación elástica.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Rec

uper

ació

n el

ástic

a (%

)

Virgen Después de RTFO

Muestras

Asfalto OriginalFirestoneGoodyear

Gráfica V.3.2.7 Porcentaje de recuperación elástica de muestras antes y después de pasado en el

horno de película rotatoria RTFO.

Tabla V.3.2.3 Ángulo de fase de muestras de asfalto virgen y modificado. Ángulo de fase (δ). Antes de RTFO (RTFO1) y después de RTFO (RTFO2).

δ Muestras RTFO1 RTFO2

Asfalto Virgen 84,73 ± 0,01 80,38 ± 0,01 Asfalto + CRM Firestone 75,40 ± 0,09 68,93 ± 0,01 Asfalto + CRM Goodyear 75,49 ± 0,13 69,61 ± 0,03

65

Por último, se realizó una prueba de estabilidad para observar si las partículas de caucho

incorporadas se mantenían dispersas por toda la muestra o se depositaban en el fondo. Para esto,

se determinó el punto de ablandamiento de muestras sacadas del fondo y el tope de los envases de

cada asfalto modificado colocados en un horno a 163 ºC. Los resultados indican un aumento de la

temperatura de 7 °C en el fondo con respecto al tope en cada asfalto (ver Tabla V.3.2.4). Se

requiere que la diferencia no exceda los 2 °C para catalogar la muestra como estable. Al

reaccionar el caucho con el asfalto se lleva a cabo una serie de reacciones que vuelven a la

mezcla más espesa y densa, por lo que este sistema tendrá mayor densidad que el asfalto y el

caucho que no han reaccionado, por este motivo, el sistema asfalto-caucho creado se deposita en

el fondo, quedando en el tope material que no ha reaccionado lo suficiente.

Tabla V.3.2.4 Temperatura de ablandamiento de muestras de asfalto modificado después de ensayo de estabilidad.

Temperatura de Ablandamiento (°C) Muestras Tope Fondo

Asfalto + CRM Firestone 52,5 ± 1,4 59,6 ± 1,4 Asfalto + CRM Goodyear 53,8 ± 1,4 60,1 ± 1,4

66

VI. CONCLUSIONES

∗ La modificación del asfalto grado PG 70-22 con caucho molido genera mezclas con una

mayor resistencia a la deformación al producirse interacciones entre componentes del

asfalto y el caucho; generando con tan solo 5 % p/p de caucho, un grado PG 76-22 el cual

es mucho más efectivo en el pavimento.

∗ El uso de 5% p/p de caucho molido en asfalto permite mejorar las propiedades de

resistencia a la deformación, por su mayor rigidez a altas temperaturas; pero no logra

mejorar la resistencia a la flexión a bajas temperaturas.

∗ Al aumentar la concentración de caucho molido a 10% p/p, se logra mejorar la

recuperación elástica hasta un 47 % pero la viscosidad la hace muy poco manejable

comercialmente.

∗ Los neumáticos HiMiller y Shogun de las marcas Goodyear y Firestone respectivamente,

generan cambios parecidos en las propiedades físicas y reológicas finales de la mezcla, por

lo que ambas marcas pueden ser empleadas para generar asfaltos con mejores propiedades.

∗ A aumentar el tiempo de mezclado de 45 a 180 min y mantener constante las condiciones

de temperatura (190ºC) y agitación (500rpm) en una mezcla con 5% p/p de caucho, se logra

un mayor grado de interacciones en el sistema, mejorando las propiedades físicas y

reológicas de la mezcla.

∗ Debido a las interacciones generadas entre el caucho y el asfalto, se logra la disminución de

la emisión de compuestos volátiles por calentamiento en relación con el asfalto original.

67

∗ Las técnicas de caracterización de los neumáticos estudiados como la espectroscopia

infrarroja, porcentaje de azufre y dureza superficial ayudan a explicar el comportamiento

ocurrido al mezclar el caucho molido con asfalto.

∗ Por medio de la espectroscopia infrarroja se pudo determinar que tanto el neumático

Firestone como Goodyear poseen SBR y caucho natural en su composición.

68

VII. RECOMENDACIONES

∗∗∗ Usar otro tipo de molienda de caucho aparte del esmeril, puede ayudar a encontrar tamaños

de partículas menores y con un menor porcentaje de impurezas. También realizar la

modificación del asfalto modificado con caucho molido no solo de la banda de rodamiento,

sino de todo el neumático, tal y como se realizaría al emplear una planta de triturado en un

proyecto a nivel industrial.

∗∗∗ Es posible observar la influencia de la composición del asfalto en las propiedades finales de la

modificación si se estudian mezclas de asfalto modificado variando la composición de

maltenos y asfaltenos.

∗∗∗ Otra variable que puede influir en el mezclado es el tipo de agitación. Estudiar el mezclado

con y sin alto corte de agitación puede generar nuevas variables en el estudio de asfalto

modicado con CRM.

∗∗∗ Incrementar el tiempo de mezclado del asfalto modificado, a fin de evaluar el punto de caída

de las propiedades que está relacionado con un alto nivel de depolimerización en el sistema.

∗∗∗ Realizar un mayor número de ensayos químicos a los neumáticos usados como la

determinación del porcentaje de negro de humo, grado de vulcanización y proporción de

elastómeros en la formulación, para conocer con más detalle su composición y su acción

dentro del sistema asfalto-caucho.

69

VIII. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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Graded Asphalt Binder” ASTM D-6373. Estados Unidos (2007).

75

IX. APÉNDICE

APÉNDICE A

A.1 Distribuidores confiables de cauchos de camiones tipo 350 RODUR Carretera Nacional Guarenas - Guatire, Sector Elegua Centro Teseo Teléfonos: (0212) 381.11.93 - 381.13.86 Fax: (0212) 381.14.88 CAUCHOS CALIFORNIA Avenida San Francisco con Callejón Ajuro. Teléfonos: (0212) 271.66.80 La California Norte. CENTRO AUTOMOTRIZ LA BOYERA, TIRE CENTER C.A. Vía La Trinidad, El Hatillo, La Boyera Sector Los Pinos. Teléfono: (0212) 963.18.65 Fax: (0212) 963.12.12 La Boyera. CENTRO CAUCHOS GUARENAS Calle Ayacucho con Av. Intercomunal Teléfonos: (0212) 363.32.96 Fax: (0212) 362.15.43 Guarenas. NEUMÁTICOS MARICHES 97 Carretera Petare - Santa Lucía, Filas de Mariches Km. 5. Teléfonos: (0212) 532.40.25; 532.00.30; 532.01.82 Mariches. ROYAL AUTORAMA, C.A. Av. Pichincha con Av. Tamanaco No 11-1, Qta. Las Marías, El Rosal Teléfonos: (0212) 952.06.35; 952.08.51 Fax: (0212) 952.07.53

VULCANIZADORA BOLEITA, C.A. Av. Francisco Miranda, entre calles Principal y Santa Ana, al lado de E/S Miranda Teléfonos: (0212) 234.96.79; 239.17.45; 237.49.49 Boleíta. TIRE EXPRESS CAUCHOS PANAMERICANA, S.R.L. Carretera Panamericana, entre Km. 14 y 15. Centro Comercial Los Maderos. Teléfonos: (0212) 371.03.27 - 372.74.64. Los Teques. CAUCHOS LOS CAOBOS, C.A. Av. Buenos Aires, con Calle Río de Janeiro. Teléfono: (0212) 793.02.49 Fax: (0212) 781.10.71 Los Caobos, Caracas. CAUCHOS NUEVA CARACAS, S.R.L. Peláez a Muerto, Locales E y F. Teléfonos: (0212) 542.09.62; 542.35.82 Santa Rosalía, Caracas. CAUCHOS OVIDEO. Carretera Panamericana Km. 8 al Lado de Remiveca.. Teléfax : (0212) 682.14.73 Caracas. INTYRE CARACAS Av. Milán Edificio Mejor Entrada B Piso 1, Los Ruices Sur a 50 mts de Baterías Duncan. Teléfonos: (0212) 256.27.37 ; 257.41.16 Fax : (0212) 257.35.63 ; 257.39.73 Caracas.

76

MULTISERVICIOS ARIZONA Prolongación Av. Las Acacias Entre Maxy´s y Plaza Venezuela Teléfono: (0212) 793.46.30 Caracas. SUPER CAUCHOS LA PORTELA, C.A. Final Avenida Los Estadios, a media cuadra del Centro Comercial Los Chaguaramos. Teléfono: (0212) 693.19.80. Fax: (0212) 661.26.98 Santa Mónica, Caracas. CAUCHERA LOS TEQUES SRL Av. Bicentenario. El Barbecho. Teléfonos: 322.54.60 AUTOCAUCHOS GALATRO Av. María Teresa del Toro. Las Acacias. Teléfonos: 632.72.19 AGENTE FIRESTONE. GOVER S.A. Av. Nueva Granada. Teléfonos: 633.00.11 – 515.00.33 DISTRIBUIDOR FIRESTONE OVERHALL. La Urbina. SANTA FE CAUCHOS. Principal de Sana Fe SEIBERLING TIRE EXPRESS Av. Nueva Granada. CAUCHERA TIO CAUCHOS W & R C.A. Av. Nueva Granada. Las Acacias.

DEPÓSITO DE CAUCHOS DE CUMBRES Principal agente de recolección de cauchos del estado Miranda. Av. Intervecinal. REENCAUCHADORAS: REENCAUCHADORA CENTRAL. Maiquetía. Calle Real de Pariata. Teléfono: 332.53.04 – 332.06.24 REENCAUCHADORA LA CAPITAL Av. El Atlántico. Sexta y 7 avenida. Catia. Media cuadra del metro Pérez Bonalde. Teléfonos: 870.35.61 – 872.21.07 – 873.27.40 REENCAUCHADORA CARDAO SRL Carretera Corralito. Teléfono: 383.37.33 SERTECA MARICHE La Candelaria. Teléfonos: 532.33.36 – 532.03.59 – 532.12.57 REENCAUCHADORA ANDRADE FREITAS Calle Real Antímano. Teléfono: 472.60.80. RENOVADORA LA ROSA SRL. Quinta Crespo. Esquina Puente Soublette Edf. Nuria. Teléfono: 482.30.84

77

APÉNDICE B

B.1 Distribución de tamaños de partículas

Para determinar la distribución de tamaños de partículas, se realizó el tamizado de

cada marca por separado con los tamices de: 1000 µm, 710 µm, 600 µm, 425 µm y 212

µm. Posteriormente se pesó el material depositado en cada tamiz como lo indica la Tabla

B.1.1 y Tabla B.1.2.

Tabla B.1.1 Distribución de tamaño de partícula del neumático Firestone. Tamaño de partícula que recoge cada tamiz (Tm). Peso del caucho (Pc). Porcentaje de caucho en cada tamíz

(%). Tm (µm) Pc (g) (%)

mayor 1000 33,78 5,35710-1000 74,17 11,74600-710 92,55 14,65425-600 254,01 40,22212-425 177,02 28,03

Tabla B.1.2 Distribución de tamaño de partícula del neumático Firestone. Tamaño de partícula que recoge cada tamiz (Tm). Peso del caucho (Pc). Porcentaje de caucho en cada tamíz

(%).

Tm (µm) Pc (g) (%) mayor 1000 14,00 1,93 710-1000 97,61 13,48 600-710 69,06 9,53 425-600 243,02 33,55 212-425 270,66 37,37

menor a 212 30 4,14

Para determinar el porcentaje se realizó la ecuación a continuación, con los

valores del neumático Goodyear a un tamaño de partícula mayos a 1000 µm

%93,1724

10014724

100% ===g

gxg

Pcx

Donde 724 g es el Total de caucho molido marca Goodyear

Pc= 14 g son los gramos de caucho de tamaño de partícula mayor a 1000 µm.

A partir de estas tablas se pudo realizar la Gráfica V.2.5.

78

IX.2 Determinación de la dureza superficial

Se realizaron cinco medidas en cada neumático para luego sacar el promedio de

cada marca, como lo indica la Tabla B.2.1. El error de la medición se sacó determinando

la desviación estándar de las mediciones.

Tabla B.2.1 Mediciones de dureza de los neumáticos estudiados.

Marca Mediciones de la dureza Promedio Desv. Estan. Firestone 55 55 50 55 60 55 4 Goodyear 75 75 70 70 75 73 3

Para la determinación del promedio de siguió la siguiente ecuación:

554321.Pr MMMMMo ++++

=

Donde M1, M2, M3, M4 y M5 son las cinco mediciones realizadas a cada

neumático.

Para la determinación de la desviación estándar se realiza por medio de la siguiente

fórmula:

1)(.

2

−−∑

=n

XxDesv

Donde x es la medición, X el promedio y n el número de mediciones realizadas. De esta

manera la desviación estándar para Firestone:

44

)5560()5555()5550()5055()5555(1

)(.222222

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −+−+−+−+−=

−−∑

=n

XxDesv

B.3 Determinación de la pendiente de la deformación durante el ensayo de creep

Durante el ensayo de creep repetitivo en el reómetro de corte dinámico se tomaron

los valores del porcentaje de deformación durante el tiempo de ensayo de cada mezcla,

como lo indica la Tabla B.3.1

79

Tabla B.3.1 Valores de deformación durante el ensayo de creep. Porcentaje de deformación al inicio (% defor 1) y final del ensayo (% defor 2). Tiempo de comienzo (t1) y final del ensayo (t2).

Muestras % defor 1 t1 (seg) % defor 2 t2 (seg) Original 0,47372 121,017 428,25 219,768 ACM 2 0,26588 120,017 43,723 220,768 ACM 3 0,2779 121,017 32,966 220,768 ACM 4 0,39834 120,017 150,96 220,768 ACM 5 0,36064 121,017 149,75 220,768 ACM 6 0,27481 121,017 29,759 220,768 ACM 7 0,68133 121,017 34,979 220,768 ACM 8 0,34414 121,017 133,86 220,768

Con esta tabla es posible obtener la Gráfica B.3.1, para determinar las ecuaciones

de cada recta y tener la pendiente (ver Tabla B.3.2)

Gráfica B.3.1 Deformación de las mezclas durante el ensayo de creep.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

120,017 219,768

Tiempo de ensayo

% d

efor

mac

ión

Original

ACM2

ACM3

ACM4

ACM5

ACM6

ACM7

ACM8

ACM9

Tabla B.3.2 Ecuación de las rectas de deformación vs tiempo de ensayo para cada mezcla.

Muestras Ecuación de la recta. Original y = 427,78x – 427,3 ACM 2 y = 43,457x – 43,191 ACM 3 y = 32,688x – 32,41 ACM 4 y = 150,56x – 150,16 ACM 5 y = 149,39x – 149,03 ACM 6 y = 29,484x – 29,209 ACM 7 y = 34,298x – 33,616 ACM 8 y = 133,52x – 133,17 Original y = 219,56x – 219,13

80

B.4 Determinación del error de la penetración

Para determinar el error en las mediciones de la penetración, se tomaron tres

medidas de cada muestra, para sacar el promedio. Siguiendo lo indicado en la norma

ASTM D-5, se determina la incertidumbre de la medición. La ecuación de la

incertidumbre se indica a continuación:

2..EstDesvIncert =

De esta manera, se tienen los valores que se muestras en la Tabla B.4.1 de la

penetración de la muestra de asfalto original.

Tabla B.4.1 Valores para determinar la incertidumbre del ensayo de penetración del asfalto original, ACM5* y ACM9*

Muestras Penetración Promedio Desv Est Incertidumbre Resultado (dmm) 76 76 Original 74

75,3 3,3 2,3 75 ± 2

58 57 ACM5* 57

57,3 2,5 1,8 57 ± 2

53 53 ACM9* 52

52,7 2,5 1,8 53 ± 2

B.5 Determinación de la corrección del punto de inflamación

El valor que indica el equipo de Flash Point requiere una corrección debido a que

el lugar de ensayo no se encuentra en el nivel del mar. Como lo indica la norma ASTM

D-92, se requiere realizar la corrección del factor de presión, para esto se realiza la

siguiente ecuación:

)760(º033,0º PmmHgmmHg

CCXFP −+=

Donde X es el valor indicado por el equipo en ºC y P la presión del lugar de

ensayo (654 mmHg). Como ejemplo se muestra la corrección de la mezcla de asfalto con

5 %p/p de CRM Firestone (ACM5*):

81

295)654760(º033,0º292 =−+= mmHgmmHgmmHg

CCFP

El error de la medición viene indicado en la norma.

B.6 Determinación de la pérdida de masa

Para obtener el valor de pérdida de masa se pesó el material antes y después de ser

llevado al horno rotatorio (RTFO). Para determinar la cantidad de material en cada

envase se peso el envase vacío y lleno. De los ocho envases colocados en el horno, se

escogieron dos para determinar la pérdida de masa. En la Tabla B.6.1 se tienen los

valores del ensayo realizado al ACM5*.

Tabla B.6.1 Valores del ensayo de pérdida de masa para la muestra ACM5*. Peso del envase vacío (Pvacío). Peso del envase con la mezcla (Plleno). Peso del asfalto (Pasf). Peso del envase y material luego de envejecido (Penvej). Peso de asfalto final (Pfinal).Peso de pérdida

(Pperd). Nº Pvacío (g) Plleno (g) Pasf (g) Penvej (g) Pfinal (g) Pperd (g)

1 157,642 193,036 35,394 192,792 35,150 -0,244

2 154,253 189,152 34,899 188,940 34,687 -0,212

De cada envase se tiene la pérdida de masa al restar al peso inicial del asfalto el

peso final. Posteriormente se determina el porcentaje de pérdida de material en cada

envase, por medio de la siguiente ecuación:

PasfPperdxperd 100% =

Así, se tiene el porcentaje de pérdida de cada envase, el valor a reportar será el

promedio de ambos.

Nº 1: %689,0394,35

100244,0100% −===gx

PasfPperdxperd

Nº 2: %607,0394,35

100212,0100% −===gx

PasfPperdxperd

El promedio final:

82

%684,02

607,0689,0% −=−−

=properd

Para determinar el error se sigue lo indicado en la norma ASTM D-2872, en

donde muestra la Tabla B.6.2, que indica la ecuación a usar para determinar el error,

dependiendo del valor de la variación de masa obtenida.

Tabla B.6.2 Desviación estándar para el ensayo de pérdida de masa, según los valores obtenidos. Variación de masa (Vm)

Vm (%) Ecuación de la Desv. Est.

Si X < -0,1 Desv. Est = 0,013-0,070(X)

Si X > -0,1 Desv. Est= 0,020

Debido a que en todas las mezclas se tuvo una variación de X < -0,1, se determinó

la desviación estándar de todas las muestras con la ecuación correspondiente. De igual

forma que los pasos indicados anteriormente se determinó el porcentaje de pérdida de

masa para el asfalto Original y el ACM9*, dando los resultados de la Tabla B.6.3.

Tabla B.6.1 Valores del ensayo de pérdida de masa para la muestra ACM5*. Peso del

envase vacío (Pvacío). Peso del envase con la mezcla (Plleno). Peso del asfalto (Pasf). Peso del envase y material luego de envejecido (Penve). Peso de asfalto final (Pfinal).Peso de pérdida

(Pper). Porcentaje de pérdida de masa promedio (%perd). Muestra Pvacío (g) Plleno (g) Pasf (g) Penve (g) Pfinal (g) Pper (g) %per

150,965 185,685 34,720 185,393 34,428 -0,292 Original

149,037 183,655 34,618 183,373 34,336 -0,282

-0,828

±0,071

156,697 192,038 35,341 191,816 35,119 -0,222 ACM9*

157,847 192,542 34,695 192,337 34,490 -0,205

-0,610

±0,056

B.7 Determinación del error de la viscosidad rotacional

Siguiendo los pasos indicados en la norma ASTM D-4402, se determinó la

incertidumbre de cada medición de la viscosidad rotacional. La ecuación indicada en la

norma se indica a continuación:

2121,0VxIncert =

83

Donde V es el valor de la viscosidad en Cp. Como ejemplo se muestra el valor de

la incertidumbre para el asfalto original de viscosidad 553,2 Cp.

472

121,02,5532121,0

===CpxVxIncert

B.8 Determinación del error asociado al ensayo de flexión a bajas temperaturas

BBR

Los valores de velocidad de deformación (m) y la rigidez (S) obtenidos por BBR,

tienen una desviación que se determina según la norma ASTM D-6648, en donde indica

que el valor de m tiene un error máximo del 9,1% y el S de 4,0%. Por lo tanto se debe

multiplicar m por 0,091 y el valor de S por 0,04 para obtener la máxima desviación

posible.

84

APÉNDICE C

C.1 Tipos de plantas procesadoras de neumáticos disponibles en el mercado actual

Actualmente existen en el mercado, gran cantidad de plantas y equipos para

procesar el caucho molido y mezclarlo con el asfalto. Una de las empresas más conocidas

se llama Phoenix Environmental Ldt. Entre las plantas que ellos fabrican, se encuentran

las mostradas en las Figuras C.1.1 y C.1.2; en ellas se pueden ver una planta de mezclado

del asfalto con el caucho y otra de molienda completa del neumático.

Figuras C.1.1. Planta de mezclado del asfalto con el caucho molido, de Phoenix Environmental

Ldt.

85

Figura C.1.2. Plano de planta trituradora de neumáticos. Empresa Phoenix Enviromental, Ltd.