MEZCLAS CAUCHO - GILSONITA

Mezclas asfálticas con polvo de caucho y esquistos bituminosos Villamil Rojas, Robinson

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MEZCLAS ASFÁLTICAS CON POLVO DE CAUCHO Y ESQUISTOS BITUMINOSOS

Villamil Rojas, Robinson (1)

RESUMEN La variabilidad en la respuesta que los materiales a las condiciones de producción y su respectiva aplicación es tan grande que, es común la presencia de fallas prematura, inclusive en los propios procesos de colocación y compactación de las mezclas asfálticas. Una mejora en las propiedades fisicoquímicas y reológicas de ellos se consigue adicionando modificantes que generan cualidades de resistencia y deformación. En este artículo se muestran los elementos teóricos de la investigación de la adición de polvo de caucho, proveniente del reciclaje de neumáticos de desecho y el polvo de los esquistos bituminosos, a través de lo cual se busca suministrar, a las mezclas asfálticas, mejores respuestas al ataque del tránsito y a las condiciones medio ambientales, se considera que la adición provoca cambio en al susceptibilidad térmica del bitumen y el posible estructura coloidal en la que la reacción cemento – agregado – modificante establece una mezcla más resistente. Por lo tanto mostraremos la génesis de los materiales empleados, los parámetros de comportamiento de los mismos, las pruebas y lo que se espera de ello. Palabras clave: Asfaltos, polvo de caucho, asfaltitas, gilsonitas, pavimentos.

SUMMARY The variability in the response that the materials to the conditions of production and your respective application it’s so big that, the premature presence of faults is common, inclusive in the own proper processes of placement and compactation of the asphalt mixings. An improvement in the physicochemical properties and reologicals of them it is obtained adding modifiers that generate qualities of resistance and deformation. In this article there appear the theoretical elements of the investigation of the addition of powder of rubber, from the recycling tire of waste and the powder of the bituminous schists, across which it is sought to give, to the asphalt mixings, better answers to the assault of the traffic and to the conditions I happen environmental, it thinks that the addition provokes change in to thermal is susceptibility of the bitumen and the possible one constructs colloidal in that the reaction I cement - attaché - modifier establishes a more resistant mixing. Therefore we will show the genesis of the used materials, the parameters of behavior of the same ones, the tests and what is expected from it. Key words: Asphalts, powder of rubber, asfaltitas, gilsonitas, pavements

1 Ingeniero Civil Uni-minuto, Especialista en Ingeniería de Pavimentos U. Católica de Colombia,. Tg.,. Administración de Obras Civiles UNAD, Est. Maestría Construcción de Obras Viales, Universidad Santo Tomas


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I. INTRODUCCIÓN La modificación de las mezclas elaboradas con cemento asfáltico tiene muy pocos antecedentes en Colombia, las aplicaciones actuales se han hecho principalmente en las carreteras nacionales tipo concesión y en algunas calles administradas por el Instituto de Desarrollo Urbano en la Ciudad de Bogotá, en este orden de ideas, estas prácticas constructivas son relativamente recientes y su desarrollo tecnológico es incipiente. Sin embargo, debido a la gran incertidumbre que conlleva la construcción de pavimentos asfálticos y la alta tasa de falla prematura de los mismos, la industria ha ido incorporando aditivos que mejoran el desempeño de estas mezclas, dentro de ellos podemos citar; modificadores poliméricos termoplásticos, cauchos termoplásticos, sintéticos y naturales, azufre y otros productos orgánicos. Los modificantes básicamente se aplican al cemento asfáltico y el proceso de adición se desarrolla en plantas especiales dado que los procesos de adición requieren temperaturas tales que al medio ambiente se generaría un envejecimiento prematuro del material por lo que se hace al vacio y el asfalto modificado se lleva a las plantas de elaboración de mezclas listo para ser aplicado. Con este trabajo se analiza la posibilidad de adición de polvo de caucho y esquistos bituminosos molidos durante el proceso de elaboración de la mezcla, a temperatura ambiente aún cuando la eficiencia de la mezcla es menor, se pretende conseguir concretos modificados más económicos y eficientes sin procesos industrializados especiales para su modificación. GENESIS DE LOS MATERIALES BITUMINOSOS El cemento asfáltico utilizado en la elaboración de concretos bituminosos no es el único producto que, en la actualidad se emplea como material de construcción de vías, aún cuando no tienen la relevancia de cemento asfáltico, los asfaltos naturales juegan un papel importante en proyectos de vías de bajos niveles de tránsito y en ciertas condiciones en vías de medianos y altos volúmenes de tráfico, para dar un vistazo general a este tipo de materiales, en la gráfica 1 se aprecia el posible proceso de génesis de gran parte de los bitúmenes que hoy por hoy se aplican en calles y carreteras. La historia nos cuenta, que el origen del petróleo data de la era Cenozoica hace aproximadamente millones de años, tiempo en el cual, la tierra fue habitada por seres vivientes con características especiales en cuanto a su tamaño y abundancia, los continentes y el mar estaban densamente poblados por seres vivos que al momento

de su muerte conformaban extensas capas de materia orgánica en descomposición y con la combinación de bacterias, procesos de oxidación y conformación de suelos fueron generando colchones de bituminosos que el tiempo los fue enterrando bajo el peso de los sedimentos de tal forma que dentro de la corteza terrestre engendraron focos de descomposición y transformación química y orgánica conocida en nuestros días como crudos de petróleo. Teniendo en cuenta que la corteza terrestre puede ser considerada como un elemento de tipo dinámico, en el que fuerzas tectónicas, presiones y movimientos de masas, involucran cambios permanentes a sus materiales constituyentes, estos colchones orgánicos no podían ser ajenos a este devenir geológico. Gracias a este dinamismo, en la naturaleza podemos encontrar una gran gama de materiales bituminosos que son, por su naturaleza química y conformación geológica considerablemente diferentes en cuanto a su comportamiento al ser considerados como materiales de construcción. Es posible que cuando estos bitúmenes se crearon bajo presiones moderadas, sin el efecto extremo de la tectónica de placas o de condiciones cercanas de metamorfismo, evito una baja pérdida de los compuestos de bajo peso molecular constituyendo crudos livianos de gran utilidad para la obtención de combustibles y el desarrollo de muchos sub productos que hacen que este tipo de materiales sean muy apetecidos al nivel económico. Ya en condiciones más agresivas de presiones y temperaturas genera crudos con compuestos orgánicos con mayores pesos moleculares, crudos convencionales que son algo más comunes en la naturaleza que aún cuando no presentan una rentabilidad tan grande, se pueden, extraer de ellos productos bituminosos de aplicación industrial. En este orden de ideas, se pueden encontrar crudos cada vez más pesados con una capacidad de refinación muy baja que a la fecha, no resultan tan útiles industrialmente. Cuando estos materiales son sometidos a condiciones extremas, ya sea presiones y temperaturas altas su estructura química tiene al tendencia a conformar materiales mucho más viscosos hasta convertirlos en roca o esquistos bituminosos que por su grado de metamorfismo determinan materiales con características mecánicas diversas, así como su propia composición química y mineralógica, pueden ser encontrado asociados con arenas o arcillas conformando las llamadas rocas bituminosas o pirobituminosas, pero también se encuentran puras formando esquistos que comúnmente son llamados asfaltitas o gilsonitas.


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Figura 1.Ciclo de la génesis de los asfaltos naturales

Fuente: Autor (1)

Si durante el proceso de formación de los crudos, estos, por algún motivo afloran a la superficie de la corteza terrestre, el procesos químicos tiene determinadas variantes en sus condiciones de conformación la oxidación y la perdida de solventes en el medio ambiente natural y la combinación con los minerales circundantes, en este medio de depositación, desarrollaron mezclas naturales con arenas, con gravas o con materiales finos; arcillas, limos, raíces y demás impurezas, estas mezclas naturales, se han empleado como material de construcción en carreteras de bajos volúmenes de tránsito, los más conocidos en Colombia son los asfaltos naturales de Pesca, en el Departamento de Boyacá, asfaltos naturales de Norcacia en el Departamento de Caldas y Tolima, asfaltos naturales del Caquetá y muchas otras fuentes que se encuentran en nuestra geografía sedimentaria. Pueden, de la misma forma, constituirse lagos puros de asfalto, aún cuando no es una situación muy común en

nuestro país, en Venezuela, Canadá y en especial los más conocidos se encuentran en trinidad, lagos que ocupan grandes extensiones de terreno.

Figura 2. Aspecto de los lagos de asfalto natural

Fuente: Internet Skyscrapercity.forums (2)


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El asfalto convencional, es el producto de la refinación de los crudos y corresponde a la fracción final del proceso, aún cuando en los países desarrollados entra a una etapa de adecuación, antes de ser aplicado en las mezclas asfálticas, en Colombia al se le da algún tratamiento industrial antes de salir al mercado, por esta razón la gama de asfaltos comerciales se limita a dos o tres, de los cuales el más empleado es el de la Refinería de Barrancabermeja, que en el caso de este trabajo, servirá como base para el proceso de investigación. De la misma forma se empleará una roca asfáltica blanda (Figura 3), la cual será triturada y convertida en polvo para ser agregada a la mezcla.

Figura 3. Roca asfáltica

Fuente: Autor (1)

De otra parte se empleará polvo de caucho producto del reciclado de neumáticos (Figura 4), que será adicionado a la mezcla.

Figura 4. Polvo de caucho

Fuente: Autor (1)

CONSIDERACIONES DE TIPO QUÍMICO El asfalto convencional, está compuesto por un sinnúmero de cadenas hidrocarbonadas y elementos que, en forma general están directamente relacionados con el proceso de su formación, aún cuando su aspecto sea similar a asfaltos de otras refinerías, en el momento de desarrollar pruebas de tipo mecánico se establece una evidente diferenciación, y que decir de las pruebas químicas, ellas nos establecen, incluso, diferencias entre los asfaltos producidos por la misma refinería. Sin embargo, el asfalto al ser el residuo de la destilación de crudos, más livianos, contiene las moléculas más grandes y pesadas que no pudieron ser refinadas dentro de las cuales se pueden encontrar: Cadenas de tipo alifático saturados o parafinas Moléculas nafténicas o cicloparafinas Moléculas aromáticas Alifáticos no saturados y, Trazas de elementos como S, Ni, Va, otros. Esta composición y su proporción, así como las trazas de impurezas, desempeñan un papel fundamental en el comportamiento general de asfalto como material cementante. Aún cuando existen diferentes modelos de distribución molecular del asfalto, el más comúnmente conocido es el modelo Pfeiffer, a través del cual se explica la composición del asfalto como una solución coloidal en el que se determina dos tipos de elementos químicos de características similares, una fase dispersa compuestas por micelas de alto peso molecular (1000 a 100000 g/mol) denominados ASFALTENOS, constituidos por aromáticos complejos, de consistencia sólida y color negro. Los asfaltenos se encuentran dispersos en una fase continua o medio dispersante, MALTENOS, compuestos por dos tipos de polímeros bien definidos, uno de peso molecular medio (500 a 50000 g/mol); RESINAS, de naturaleza polar aromática de alta capacidad adhesiva por su naturaleza polar, sólidos o semisólidos su color es marrón. Por último los ACEITES, aun cuando no existe un límite bien definido con las resinas, son moléculas de peso relativamente bajo (300 a 2000 g/mol), dentro de ellos están los aromáticos no polares, representan del 40 al 60% de los asfaltos. De la misma forma en esta fase se encuentran cadenas lineales y ramificadas de hidrocarburos alifáticos, con un peso molecular similar a los aromáticos. Las asfaltitas pueden ser consideradas como una fase especial constituida por asfaltenos con algunas trazas de otros elementos y vestigios de maltenos.


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Figura 5. Modelo coloidal de Pfeiffer

Fuente: Autor (1), formulas tomadas de www.repsol.com.es

Para contextualizar el caucho proveniente del reciclado de los neumáticos dentro del ámbito químico de los compuestos involucrados dentro de la investigación, este material puede ser clasificado como un polímero termoplástico que en general viene asociado con otros elementos y procesos térmicos y mecánicos para generar el material de constitución de los neumáticos, una composición aproximada de puede ser:

Tabla 1 Composición media de un neumático MATERIAL PROPORCIÓN (%)

Caucho 45 - 48

Negro de carbono y silice 22

Metal 15 - 25

Textil 0 - 5

Oxido de zing 1 - 2

Azufre 1

Aditivos 5 - 8

Fuente (3) Se debe tener en cuenta que los neumáticos ocupan un lugar preponderante en la producción mundial del caucho.

Respecto Del caucho natural, extraido del árbol Hevea originario del Brasil, determina el 30% a nivel industrial, siendo el resto materiales sintéticos, para la fabricación de los neumáticos se emplean, en especial: Cauchos naturales (NR) Elasticidad Estireno – Butadieno (SBR) Estab. térmica Polibutadienos (BR) Estab. térmica Polisoprenos (IR) Estab. térmica El NR, es un polisopreno mezclado con pequeñas cantidades de proteínas, lípidos y sales inorgánicas, conforma una cadena larga en forma de espiral de peso molecular relativamente alto (500000 g/mol)

Figura 6. Molécula del caucho natural

Fuente (3)


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CONCLUSIONES Las características fundamentales de cada uno de los elementos involucrados dentro de esta investigación poseen características especiales que deben ser aprovechadas para conseguir una mezcla óptima bajo la cual el aporte mecánico del polvo de caucho, su flexibilidad y las propiedades que caracterizan a los neumáticos, en cuanto a su estabilidad y duración se trasladen de manera proporcional a la estabilidad de las mezclas asfálticas, como se ha podido probar en investigaciones anteriores y adicionalmente las propiedades de adherencia y en especial la dureza que suministra la asfaltita, generen un combinación tal que se consiga una mezcla económica. REFERENCIAS [1] Villamil Rojas, Robinson, Asfaltos naturales como material de construcción de Carreteras, Tesis de grado, optar Titulo de Especialista en Ingeniería de Pavimentos, Universidad Católica de Colombia, Bogotá, 2008. [2] Internet Skyscrapercity.forums [3] Botasso, Hugo Gerardo, Utilización del caucho en las mezclas asfálticas, Universidad Tecnológica Nacional, Regional la Plata, Buenos Aires Argentina. Centro de Investigaciones Viales. S.f. BIBLIOGRAFIA CARLSON D, Douglas, Asphalt – Rubbber, An to crumb Rubber Markets, UNCTAD, International Rubber Forum. Veracruz 1999.

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