caracterización física de un ligante asfáltico 60/70

PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE UN LIGANTE ASFALTICO 60/70 MODIFICADO CON DESECHOS DE POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD (D-PEAD)

Por:

Paula Yineth Cabezas López

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

VILLAVICENCIO

2020

https://co.creativecommons.org/?page_id=13

PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE UN LIGANTE ASFALTICO 60/70 MODIFICADO CON DESECHOS DE POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD (D-PEAD)

Por:


Documento final presentado como opción de grado para optar al título profesional de ingeniero civil

Aprobado por:

I.C. Jessica María Ramírez Cuello, M.Sc.

Directora

I.C. Juan Manuel Salgado Diaz, M.Sc.

Codirector

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

VILLAVICENCIO

2020

AUTORIDADES ACADÉMICAS

Fray José Gabriel Mesa Ángulo, O.P.

Rector General

Fray Eduardo González Gil, O.P.

Vicerrector Académico General

Fray José Antonio Balaguera Cepeda, O.P.

Rector Sede Villavicencio

Fray Rodrigo García Jara, O.P.

Vicerrector Académico Sede Villavicencio

Julieth Andrea Sierra Tobón

Secretaria de División Sede Villavicencio

Ing. Manuel Eduardo Herrera Pabón

Decano Facultad de Ingeniería Civil

Caracterización física de un ligante asfáltico 60/70 modificado con desechos de polietileno de alta densidad (D-PEAD).

Nota de aceptación

_____________________________

_____________________________

_____________________________

ING. MANUEL EDUARDO HERRERA PABÓN

Decano Facultad Ingeniería Civil

_____________________________

I.C Jessica María Ramírez Cuello

_____________________________

Jurado

Villavicencio, 04 de febrero 2020


A mi madre, Ana Cecilia López López.

A mi hermano, Cesar David Cabezas López.

Son todo en mi vida.


AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer primeramente a Dios, por brindarme todas las virtudes y capacidades necesarias en mi vida, por llenarme de sabiduría, paciencia e inteligencia para llevar a cabo este proyecto de mi vida; a mi familia, por siempre apoyarme y brindarme fuerzas para continuar con la realización de mis metas, son mi motor.

Especialmente le agradezco a mi directora, la ingeniera Jessica María Ramírez Cuello y mi codirector el ingeniero Juan Manuel Salgado Diaz, por su apoyo y acompañamiento incondicional, por su dedicación y paciencia, pero sobre todo, les agradezco por motivarme y no perder la esperanza en la elaboración de esta investigación, además de esto, les agradezco por toda su gestión realizada y por todas las puertas que tocaron con diferentes entidades, lo cual fue indispensable para la realización de mi trabajo de grado, los respecto y admiro mucho; así mismo, agradezco al ingeniero Javier Yesid Mahecha Núñez, por todos sus consejos y aportes realizados respecto al tema investigado, me fueron de mucha ayuda.

También, agradezco al señor Edgar Pardo de la empresa RECUPERADORA DE PLASTICO S.A y al señor Don Orlando de la planta PASOLIN S.A.S, gracias a su colaboración y amabilidad, obtuve el material necesario para realizar este proyecto de investigación.

Finalmente, agradezco a la Universidad Santo Tomás sede Villavicencio, especialmente al decano de la facultad el ingeniero Manuel Eduardo Herrera Pabón, a la secretaria Yury Vanessa y al director de laboratorios el ingeniero Jhon Jairo Gil Peláez, por realizar la gestión ante los directivos, por efectuar todos los procedimientos requeridos para la compra y obtención de los equipos necesarios para el cumplimiento de los objetivos y el alcance de mi investigación.

A todos aquellos que de una u otra manera me han apoyado y motivado para el cumplimiento de mis metas, mil gracias y Dios los bendiga.


RESUMEN

A nivel mundial, Colombia es uno de los países con mayor retraso en el desarrollo de su infraestructura vial, obtuvo una calificación de 47,8 sobre 100 en el índice de conectividad de carreteras calculado por el Foro Económico Mundial, es decir, de 140 países medidos, la nación ocupa la casilla 97. Esto se debe principalmente a falta de recursos, deficiencia de materiales para construcción, continuo aumento de los límites legales de carga y la inexistencia de apoyo por parte de la administración vial a la investigación y al desarrollo tecnológico [1].

En el mundo se han realizado diversas investigaciones de asfaltos modificados con polímeros, lo cual consiste en modificar asfaltos convencionales adicionándole polímeros industriales y/o polímeros como producto de desechos no biodegradables, mejorando el comportamiento del asfalto a altas y bajas temperaturas y es claro que al incorporar materiales de desechos no biodegradables en materiales asfalticos utilizados en los pavimentos flexibles se genera un impacto positivo en el medio ambiente, ya que se dejaría de producir desechos que generan graves afectaciones, dándole un manejo y reutilización.

En consecuencia con lo anterior, el presente trabajo investigativo se centró en evaluar las características físicas de un asfalto 60/70 modificado con desechos de polietileno de alta densidad, realizando pruebas de laboratorio con diferentes dosificaciones que nos permitan medir el desempeño del asfalto modificado, y su comportamiento con relación a las cargas cíclicas producidas por el tránsito vehicular, las cuales son relevantes para la estructura de pavimento desde el diseño hasta el cumplimiento de su nivel de servicio; y que además contribuyan con la mitigación del impacto ambiental.

Los resultados obtenidos en esta investigación nos indican que el asfalto modificado con más del 8% desechos de polietileno de alta densidad disminuye la penetración del material, lo que genera la aparición de asfaltos más rígidos, con menos manejabilidad y consistencia. Así mismo se observó que el punto de ablandamiento de este material es mucho mayor que el del asfalto convencional

La modificación realizada al asfalto con 6%D-PEAD, es menos rígida que el asfalto convencional, sin embargo, su punto de ablandamiento es mayor al que registra el asfalto 60/70 por lo que se puede decir que este material es menos viscoso a medida que se eleva la temperatura, lo cual podría mejorar el comportamiento ante las cargas cíclicas y aumentar la vida útil del pavimento.

Palabras Clave: Asfalto modificado, impacto ambiental, ligante asfaltico, pavimento, propiedades físicas, vida útil.


ABSTRACT

Globally, Colombia is one of the countries with the greatest delay in the development of its road infrastructure, it obtained a rating of 47.8 out of 100 in the road connectivity index calculated by the World Economic Forum, that is, 140 countries measured, the nation It occupies box 97. This is mainly due to the lack of resources, the deficiency of construction materials, the continuous increase of legal load limits and the lack of support from the road administration for research and technological development. [one].

In the world, several investigations have been carried out on polymer modified asphalts, which consist of modifying conventional asphalts by adding industrial polymers and / or polymers as a product of non-biodegradable waste, improving asphalt behavior at high and low levels. temperatures and It is clear that by incorporating non-biodegradable waste materials in asphalt materials used in flexible pavements, a positive impact on the environment is generated, since it would stop producing waste that generates serious effects, giving it a handle and reuse.

Consequently, this research work focused on evaluating the physical characteristics of a modified 60/70 asphalt with high density polyethylene residues, performing laboratory tests with different doses that allow us to measure the performance of the modified asphalt and its behavior in relationship with the cyclic loads produced by vehicular traffic, which are relevant to the pavement structure from design to fulfillment of its service level; and that also contributes to the mitigation of the environmental impact.

The results obtained in this investigation indicate that the modified asphalt with more than 8% of high density polyethylene residues decreases the penetration of the material, which generates the appearance of stiffer asphalts, with less manageability and consistency. It was also observed that the softening point of this material is much higher than that of conventional asphalt.

The modification made to the asphalt with 6% of D-HDPE is less rigid than the conventional asphalt, however, its softening point is greater than that registered by the asphalt 60/70, so it can be said that this material is less viscous as the temperature rises. which could improve the behavior of cyclic loads and increase the life of the pavement.

Key Word: Modified asphalt, environmental impact, asphalt binder, pavement, physical properties, useful life.


LISTADO DE ABREVIATURAS

BHETA: PET tratado químicamente.

CAP: Cemento asfaltico de petróleo.

D-PEAD: Desechos de polietileno de alta densidad.

EVA: Acetato de etilvinilo.

GTR: Caucho de neumático molido.

INVIAS: Instituto Nacional de Vías.

ITS: Resistencia a la tracción indirecta.

PAN-CF: Fibras de carbono a base de poliacrilonitrilo.

PE: Polietileno.

PEAD: polietileno de alta densidad.

PET: Tereftalato de polietileno.

PEX: Polietileno reticulado.

PP: Polipropileno.

PPA: Ácido polifosfórico.

PS: Poliestireno.

PUJ: Pontificia universidad Javeriana.

PVC: Cloruro de polivinilo.

RAP: Pavimento de asfalto recuperado.

SBR: Caucho de estireno-butadieno.

SBS: Copolímero estireno butadieno estireno.

WPE: Polietileno de desechos.


USTA Sede Villavicencio – Facultad de Ingeniería Civil 2

CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 5 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................... 6 3. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................... 7 4. OBJETIVOS .................................................................................................. 8

OBJETIVO GENERAL ............................................................................................ 8 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................... 8 5. ALCANCE ..................................................................................................... 9 6. MARCO DE REFERENCIA ........................................................................ 10 6.1 MARCO TEORICO ..................................................................................... 10

6.1.1. Penetración de los materiales bituminosos INV E-706............................. 10 6.1.2. Gravedad especifica INV E-707 ............................................................... 10

6.1.3. Punto de inflamación y de combustión mediante la copa abierta Cleveland INV E-709 .............................................................................................................. 11

6.1.4. Punto de ablandamiento de materiales bituminosos (aparato de anillo y bola) INV E-712 ..................................................................................................... 11

6.2 MARCO CONCEPTUAL ............................................................................. 12 6.2.1. Asfalto ...................................................................................................... 12 6.2.2. Asfalto modificado .................................................................................... 12

6.2.3. Polietileno de alta densidad (PEAD) ........................................................ 12 6.3 ESTADO DEL ARTE................................................................................... 13

6.4 MARCO NORMATIVO ................................................................................ 21

7. METODOLOGÍA ......................................................................................... 22

7.1 ETAPAS Y TAREAS ................................................................................... 22 7.1.1 ETAPA I ................................................................................................... 22

7.1.2 ETAPA II .................................................................................................. 27 7.1.2 ETAPA III ................................................................................................. 28 7.1.3 ETAPA IV ................................................................................................. 32

8. EQUIPO DE INVESTIGACIÓN Y TRAYECTORIA ..................................... 36

9. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS .............................................. 37 9.1. CONCLUSIONES ....................................................................................... 37 9.2. TRABAJOS FUTUROS ............................................................................... 38 10. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................... 39 11. ANEXOS ..................................................................................................... 43

11.2. A. FICHA TÉCNICA DEL ASFALTO 60/70 DE LA SUPERINTENDENCIA DE OPERACIÓN APIAY DE ECOPETROL S.A. .............................................. 43



LISTA DE TABLAS

Tabla 6.1. Determinación penetración de material bituminoso. ............................. 10 Tabla 6.2. Propiedades principales del PEAD ....................................................... 12 Tabla 6.3. Estado del Arte ..................................................................................... 18 Tabla 6.4. Marco normativo ................................................................................... 21 Tabla 7.1.Caracteristicas asfalto virgen. ............................................................... 24

Tabla 7.2. Formulación modificación de ligante asfaltico. ..................................... 28 Tabla 7.3. Caracterización física de los materiales. .............................................. 28 Tabla 7.4. Especificaciones del asfalto modificado con polimeros ........................ 32 Tabla 7.5. Resultados ensayo de penetración modificación 6%DPEAD ............... 32 Tabla 7.6. Resultados ensayo de penetración modificación 8%DPEAD ............... 32

Tabla 7.7. Resultados ensayo de gravedad específica. ........................................ 34 Tabla 7.8. Resultado ensayo de punto de inflamación y combustión. ................... 34

Tabla 7.9. Resultados ensayo punto de ablandamiento. ....................................... 35 Tabla 8.1.Equipo de investigación y trayectoria. ................................................... 36



LISTA DE FIGURAS

Figura 7.1.Metodologia de investigación. .............................................................. 22 Figura 7.2. Bodega de material no reciclable en la empresa recuperadora de plástico

de Villavicencio. ............................................................................................. 23 Figura 7.3.Planta de asfalto Pasolin S.A.S. ........................................................... 23 Figura 7.4.D-PEAD de la empresa recicladora...................................................... 24

Figura 7.5. Penetrómetro de asfalto. ..................................................................... 25 Figura 7.6. Picnómetro .......................................................................................... 25 Figura 7.7. Aparato de copa abierta de Cleveland ................................................ 26 Figura 7.8. Automatic Digital Ring and Ball Apparatus .......................................... 26 Figura 7.9. Descripción e identificación de los componentes de los D-PEAD ....... 27

Figura 7.10. Modificación de ligante asfaltico. ....................................................... 28 Figura 7.11. Ensayo de penetración según INV E 706-13 .................................... 29

Figura 7.12.Ensayo de gravedad especifica según INV E 707-13 ........................ 30 Figura 7.13. Ensayo punto de inflamación y combustión según INV E-709-13 ..... 31

Figura 7.14. Ensayo punto de ablandamiento según INV E 712-13 ...................... 31 Figura 7.15. Resultados ensayos de penetración. ................................................ 33

Figura 7.16. Resultado ensayo punto de ablandamiento 8%DPEAD. ................... 35



1. INTRODUCCIÓN

El desarrollo de las carreteras modernas exige la creación e innovación de técnicas en el ámbito de la construcción, así como nuevos productos que cumplan con la demanda solicitada por los usuarios. Desde 1802 se inició la implementación del asfalto en Francia para la construcción de vías, convirtiéndose mundialmente en uno de los principales materiales para la construcción de carreteras [2]; dado que gracias a los hidrocarburos que este tiene como componente principal, permite que sea un material resistente a diferentes agentes químicos y además sea impermeable, características importantes que evitan la infiltración del agua por medio de la carpeta asfáltica y permite aumentar la vida útil de la estructura [3].

En diferentes partes del mundo se han venido realizado una serie de adiciones al asfalto, como por ejemplo fibra de vidrio, caucho de llanta triturada, polímeros, entre otras modificaciones realizadas para evidenciar los cambios que pueden producir estos materiales del nuevo ligante asfáltico respecto a las características iniciales del material virgen, puesto que es necesario contar con nuevas tecnologías que permitan mejorar las propiedades del asfalto. Según un estudio realizado por la universidad de Cartagena, los asfaltos modificados con polímeros, bajo distintas condiciones climáticas y de tránsito son satisfactorias y aumentan la vida útil del pavimento hasta dos o tres veces más dependiendo del diseño que se haya realizado [4].

En efecto, la presente investigación evalúa tres diferentes cantidades de desechos de polietileno de alta densidad (D-PEAD), actuando como agente modificador de un ligante asfaltico 60/70 virgen determinando si cumple con parámetros establecidos por el Instituto Nacional de Vías del 2013 (INVIAS 2013).



2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Uno de los principales factores que influyen en el desarrollo y crecimiento de un país es la infraestructura vial, ya que permite la movilización y comercialización de diferentes productos, favoreciendo la economía de las regiones. Actualmente debido a diferentes factores como el incremento del tráfico, la presión de inflado de las llantas y las condiciones climáticas, se provoca la reducción de la vida útil de los pavimentos, reflejando en deformaciones permanentes y fisuras por fatiga en la carpeta asfáltica [5].

De acuerdo con las estadísticas del Banco Mundial, la infraestructura vial colombiana presenta un atraso de 15 años, perjudicando la exportación y el aumento de costos en el comercio, por tal motivo es necesario mejorar las condiciones actuales de la red vial colombiana [6], buscando nuevas tecnologías que permitan un mayor tiempo de serviciabilidad, que contribuyan al medio ambiente y que sean económicamente factibles.

Por otra parte, según el periódico el Tiempo, en la ciudad de Villavicencio se recolectan cerca de 520 toneladas de basura que van aumentando diariamente, un gran porcentaje de esta no es reutilizable y es llevada directamente al relleno sanitario de la zona [7], cifra preocupante ya que cada vez se genera más contaminación y no se realizan acciones para contrarrestar este impacto.

Ante la necesidad de contar con materiales que mejoren la reacción y su comportamiento ante las cargas cíclicas producidas por el tránsito vehicular y que además contribuyan con la mitigación del impacto ambiental, se han desarrollado diferentes procesos y estudios que permiten la fabricación de asfaltos con mayor durabilidad mediante la modificación con residuos plásticos. Por ende, la pregunta que orienta el presente documento es:

¿La utilización de desechos de polietileno de alta densidad en el asfalto 60/70, mejoraría sus características físicas teniendo en cuenta las normas INVIAS?



3. JUSTIFICACIÓN

El proceso de globalización exige estar en constante cambio y adaptar nuevas tecnologías que vayan de la mano con el progreso de la sociedad, así mismo en la construcción de vías es necesario innovar y avanzar en el estudio de nuevos materiales que mejoren las características físicas de las estructuras.

Motivo por el cual se han realizado investigaciones en las cuales se han adicionado algunos materiales al asfalto, con el fin de mejorar su comportamiento físico, mecánico y de aumentar su vida útil.

Es el caso de Escocia, en el cual se desarrolló un material denominado MR16 por la empresa MacRebur, compuesto 100% de residuos plásticos empleado como modificador de asfalto, demostrando que puede reemplazar el 10% de betún que se utiliza en la fabricación del asfalto convencional; los autores aseguran que a partir de ensayos realizados el material modificado es hasta un 60% más fuerte, y su vida útil puede ser un 10% mayor que la de las carreteras construidas con materiales asfalticos tradicionales [8].

Por otro lado, se ha establecido que en Colombia se genera cerca de 12 millones de toneladas de residuos sólidos al año, de los cuales solo se recicla el 17% [9], donde se presentan desechos plásticos generadores de contaminación que tardan hasta mil años en descomponerse por completo y que no se les da un uso alternativo [10].

Acorde al periódico EL TIEMPO, el 10% de las basuras producidas por el departamento del Meta van directamente al relleno sanitario [11], lo cual, es uno de los principales motivos para emplear este agente como modificador del asfalto y así aportar con la creación de un material alternativo, que busca prolongar la vida útil de los pavimentos.



4. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Evaluar un asfalto 60/70 modificado con diferentes porcentajes de D-PEAD teniendo en cuenta las normas INVIAS.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

✓ Identificar el material no biodegradable para la modificación del ligante asfaltico (desechos de polietileno de alta densidad).

✓ Definir los porcentajes de D-PEAD para modificar el asfalto 60/70 teniendo en cuenta las investigaciones revisadas.

✓ Realizar un análisis comparativo de las tres modificaciones realizadas al

ligante asfaltico respecto a las características físicas del asfalto virgen 60/70.

✓ Determinar el porcentaje óptimo de desechos de D-PEAD con el que el ligante asfaltico modificado presenta una mejor manejabilidad.



5. ALCANCE

La presente investigación tiene como fin evaluar un ligante asfaltico 60/70 modificado con tres porcentajes diferentes de D-PEAD, revisando su caracterización física teniendo en cuenta las normas INVIAS 2013.

Para lograr el cumplimiento de los objetivos planteados se entrega un documento que contiene la proveniencia y la descripción detallada del material modificante, así como los resultados, el análisis y la comparación de los ensayos planteados en los objetivos de la investigación e igualmente la determinación y/o conclusión del porcentaje adicionado que presenta una mejor manejabilidad del ligante asfaltico.

Es importante resaltar que el presente documento es realizado con el propósito de contribuir con las investigaciones que se han realizado sobre la temática de asfaltos modificados y que beneficien tanto a la comunidad científica como a la sociedad, específicamente a los habitantes en el departamento del Meta- Colombia.



6. MARCO DE REFERENCIA

6.1 MARCO TEORICO

6.1.1. Penetración de los materiales bituminosos INV E-706

Norma usada para medir la consistencia de los materiales bituminosos a las temperaturas de ensayo, los resultados de este son presentados por el penetrómetro empleado [12].

El cálculo del ensayo será el promedio de tres penetraciones cuyos valores no difieran en más de las siguientes cantidades (Ver Tabla 6.1):

Penetración (0.1mm) 0 a 49 50 a 149 50 a 149 Entre 250 y

500 Diferencia máxima entre valores extremos

2 4 12 20

Fuente: [12]

En caso de exceder los valores anteriores se debe repetir el ensayo, utilizando el segundo molde con muestra previamente preparada. Si se excediera de nuevo la correspondiente tolerancia, se anulan los resultados obtenidos y se procederá a la realización de un nuevo ensayo [12].

6.1.2. Gravedad especifica INV E-707

Se refiere al procedimiento con el que se determina la densidad relativa (gravedad especifica) de materiales bituminosos. Se calcula con aproximación a 0.001 de la siguiente manera [13]:

𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 =𝐶 − 𝐴

[(𝐵 − 𝐴) − (𝐷 − 𝐶)]𝐴

Dónde: A: Masa del picnómetro (incluido el tapón);

B: Masa del picnómetro lleno de agua;

C: Masa del picnómetro parcialmente lleno con asfalto;

D: Masa del picnómetro con asfalto y con agua. [13]

Tabla 6.1. Determinación penetración de material bituminoso.

Ecuación 6.1. Cálculo de gravedad especifica máxima de la mezcla.



6.1.3. Punto de inflamación y de combustión mediante la copa abierta Cleveland INV E-709

Método aplicable a todos los productos de petróleo con puntos de inflamación por encima de 79°C (175°F) y por debajo de 400°C (752°F). El resultado de esta prueba depende de la velocidad a la cual se incrementa el producto, así como del diseño del aparato a emplear. [14]

Una vez realizado el ensayo, si la presión barométrica real del ambiente difiera de 101.3 kPa (760 mm Hg), se deben corregir los resultados obtenidos, con las siguientes ecuaciones:

𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑙𝑎𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑜 = 𝐶 + 0.25 (101.3 − 𝐾)

𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑙𝑎𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑜 = 𝐹 + 0.06 (760 − 𝑃) 𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑓𝑙𝑎𝑚𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑒𝑔𝑖𝑑𝑜 = 𝐶 + 0.33 (760 − 𝑃)

Donde: C: Punto de inflamación observado, °C;

F: Punto de inflamación observado, °F;

P: Presión barométrica del ambiente, mm Hg;

K: Presión barométrica del ambiente, kPa. [14]

6.1.4. Punto de ablandamiento de materiales bituminosos (aparato de anillo y bola) INV E-712

Método útil para la clasificación de productos bituminosos, además, es un indicador de la tendencia que tiene un material a fluir cuando se somete a temperaturas elevadas estando en servicio.

El valor determinado para el punto de ablandamiento será el valor medido durante el proceso de ejecución del mismo, sin embargo, si el valor medido de las dos temperaturas determinadas en agua es de 85°C (185.0°F) o mayor, se debe repetir el ensayo cambiando a baño de glicerina. [15]

Ecuación 6.2. Corrección punto de inflamación y combustión.



6.2 MARCO CONCEPTUAL

6.2.1. Asfalto

El asfalto es un material que se encuentra en el petróleo crudo, su composición varía dependiendo de la fuente de extracción, sus principales componentes son los asfáltenos (especies de alto peso molecular) y máltenos (especies con bajo peso molecular y son solubles) [16].

6.2.2. Asfalto modificado

Un ligante asfáltico modificado es el resultado de la incorporación de un material como caucho, plástico, azufre, fibras en acero, hule entre otros materiales al asfalto virgen, por lo general son adicionados directamente al material asfáltico, antes de ser mezclado con el material pétreo. Los modificadores son utilizados con el fin de mejorar alguna de las propiedades físicas, mecánicas o reológicas del material, de este modo contribuye en el sentido de aumentar la resistencia a la deformación y a los esfuerzos de tensión repetitivos, reducen el agrietamiento y lo hace resistente a la fatiga [17].

6.2.3. Polietileno de alta densidad (PEAD)

El PEAD es un componente de la familia de poliolefinas que está compuesta por termoplásticos de polietileno y polipropileno. Es un polímero que surge como resultado de la polimerización del etileno, conocido por tener una alta relación respecto a fuerza/densidad [18]. Es un tipo de plástico que tiene la facilidad de modelarse casi de cualquier forma, además, es flexible y resiste a químicos como a calor [19].

Su uso depende del proceso que se le realice el material, ya sea por medio de extrusión (Cables y tuberías), moldeo por inyección (figuras en tercera dimensión), inyección y soplado (Botellas), extrusión y soplado (bolsas o tubos), roto moldeo (formas de gran dimensión) [20].

PROPIEDADES FÍSICAS

Absorción de aguas en 24h <0,01

Densidad (g/cm3) 0,94-0,97

Índice refractivo 1,54

Resistencia a la radiación Aceptable

Coeficiente de expansión lineal (K’) 2x10-6

Grado de cristalinidad (%) 60-80

PROPIEDADES TÉRMICAS

Calor especifico (J K’-1 Kg-1 1900

Temperatura máxima de utilización (°C) 55-120

Temperatura de reblandecimiento (°C) 140

Temperatura de cristalización (°C) 130-135

Tabla 6.2. Propiedades principales del PEAD



PROPIEDADES MECÁNICAS

Módulo elástico E (N/mm2) 1000

Coeficiente de fricción 0,29

Módulo de tracción (GPa) 0,5-1,2

Relación de Poisson 0,46

Elongación de ruptura (%) 12

Resistencia a tracción (MPa) 15-40

Esfuerzo de rotuta (N/mm2) 20-30

Fuente: [21]

6.3 ESTADO DEL ARTE

En Colombia en el 2007 se realizaron diferentes pruebas de laboratorio con el fin de evaluar la resistencia mecánica que presenta un asfalto proveniente de la planta de la Empresa Colombiana de Petróleos (ECOPETROL) en Barrancabermeja, modificado con desechos de PVC, PEAD y PS. Para tal fin se empleó el ensayo Marshall, delo que se concluyó que la resistencia mecánica de mezclas asfálticas modificadas con desechos del tipo plastómero es mayor en comparación con las convencionales (mezclas que emplean asfaltos sin ningún aditivo). También, a partir de los ensayos realizados se espera que estas mezclas tengan un mejor desempeño en climas cálidos ya que a bajas temperaturas de servicio no se obtuvo un buen comportamiento respecto a la norma, además, se puede predecir que estas mezclas presentan un menor ahuellamiento [22].

En La Pontificia Universidad Javeriana en el 2008, se publicó un libro producto de investigaciones realizadas durante siete años en Colombia, sobre el uso de desechos no biodegradables en las mezclas asfálticas por vía seca y húmeda. Durante sus primeros cinco capítulos presentan los resultados obtenidos en laboratorio sobre las posibles mejoras en los módulos dinámicos, fatigas y ahuellamientos de las mezclas asfálticas.

De acuerdo con los ensayos obtuvieron que la mezcla asfáltica con 3% de polímero presenta un mejor comportamiento comparándola con la mezcla base, este mejoramiento se refleja en que disminuye el espesor de la carpeta asfáltica y el número de ejes cuando este en servicio; también que esta mezcla se deteriorara en un periodo de tiempo más prolongado que la mezcla convencional.

Recomendaron que para mejorar el módulo de elasticidad del asfalto con polímeros se adicione a partir del 5%, ya que para adiciones de 2 a 4% se presenta un decremento respecto al asfalto base [23].

Por otro lado, en el mismo año se realizó un estudio donde utilizaron el cemento asfaltico proveniente de la Empresa Colombiana de Petróleos (ECOPETROL) de Barrancabermeja y emplearon desechos de PVC como principal modificante, añadieron este modificante por vía húmeda con porcentajes de 0.5,1.0 y 1.5 %.



Al realizar los ensayos de penetración, punto de ablandamiento y viscosidad., determinaron que al adicionar un porcentaje mayor al 1.5%, disminuye la resistencia mecánica de las mezclas modificadas. En cambio, por la vía seca utilizaron porcentajes de 2.0,4.0 y 6.0% de PVC, y determinaron que el porcentaje óptimo de asfalto es de 0.5% [24].

En el 2013, en la ciudad de São Carlos, Brasil se realizó la investigación con el objetivo de caracterizar el comportamiento a la fatiga de 12 ligantes asfaltos modificados de mismo grado de desempeño. Los materiales para la modificación fueron, CAP 50/70, Caucho molido de neumático, PPA, SBS, PE tipo UB160-C, SBR, EVA y terpolímero Elvaloy.

Se realizaron ordenamientos de los materiales en relación con diversos parámetros de fatiga, incluyendo la vida de fatiga de los materiales modificadores del asfalto, los efectos del nivel de deformación, de la temperatura y del envejecimiento sobre la vida de fatiga de los ligandos asfálticos, por lo que las modificaciones realizadas fueron: CAP + PPA, CAP + SBS, CAP + SBS + PPA, CAP + Caucho, CAP + Goma + PPA, CAP + PE, CAP + PE + PAP, PAC+ EVA, EVA + PAP + PAC, PAC + SBR, CAP + SBR + PPA, CAP + Elvaloy + PPA. Cada uno de estos se sometieron a pruebas de barrido de tiempo, de barrido de amplitud lineal y de cizallamiento oscilatorio para determinación del parámetro G.

Teniendo en cuenta los resultados y análisis realizados, obtuvieron que el material que presentó la mayor vida de fatiga fue el CAP + EVA y el que presentó menor vida de fatiga fue el CAP puro, el material que presentó la menor sensibilidad a la temperatura fue el CAP + PPA y el que presentó mayor sensibilidad fue el CAP + EVA. Por último, se sugirió evaluar los ligamentos asfálticos a temperaturas más bajas como 15 y 5 ° C, dado que según el estudio de la influencia de la temperatura se constató que este factor tiene un efecto significativo sobre las características de fatiga [25]

En la universidad católica de Colombia, en el año 2014 se realizó un proyecto que busco diseñar una mezcla asfáltica modificada con desperdicios plásticos, para que se constituya a la aplicación de pavimentos de la malla vial en la ciudad de Bogotá, y al mismo tiempo ofrezca una solución ambiental al manejo de los desperdicios (residuos) plásticos.

Realizaron el ensayo Marshall con 15 probetas, en donde iniciaron con una cantidad de 0,1% del peso de la muestra total y obteniendo que el porcentaje óptimo de asfalto es equivalente al 6,73%. [26]

En marzo del 2015 la revista Journal of Materials Science & Technology, publicó un artículo que presento un estudio en el que adicionaron un material al asfalto, allí utilizaron como modificante principal 4% de WPE. Su material experimental se caracterizó por espectroscopia infrarroja, análisis termogravimétrico y calorimetría diferencial de barrido. Realizaron la caracterización física a partir de ensayos de penetración, punto de reblandecimiento y ductilidad. Al analizar sus



resultados obtuvieron que el aumento de la temperatura de preparación da como resultado un aumento en el punto de reblandecimiento, mientras que disminuye la penetración y la ductilidad, dando como resultado que la temperatura de preparación adecuada es a 190°C [27].

En el 2016 ejecutaron un trabajo de investigación, donde realizaron la modificación con 4% de WPE y una variación entre 0 a 0.12% de fibras de carbono a base de PAN-CF, empleando una temperatura de dispersión de 170 °C. Sus resultados arrojaron que en los puntos de reblandecimiento, ductilidad y penetración mejoraron al aumentar el contenido de PAN-CF hasta el 0.1% y obtuvieron que el método de extrusión de mezcla es el mejor para formar una estructura de red fina, que logre un mejor rendimiento, proponiendo un modelo para explicar el comportamiento de dispersión observado en el asfalto [28].

En junio del 2017 la revista Applied Sciencesse público un artículo que busco producir un material alternativo con desechos de PEX, se llevaron a cabo pruebas de sensibilidad del agua, resistencia al encorvamiento, módulo de rigidez y resistencia al agrietamiento a una mezcla asfáltica con la inclusión de 5% del material. Las mezclas producidas con y sin PEX se probaron para comparar su desempeño, el material mejorado aumento módulo de rigidez y sus valores de ángulo de fase fueron más bajos, por lo que se concluye que la incorporación de este material en mezclas asfálticas es una solución viable para trabajos de pavimentación, especialmente cuando se esperan altas temperaturas de servicio. También disminuye la densidad de la mezcla, lo que indica que puede ser útil para aligerar las estructuras. Por lo tanto, esta tecnología contribuye a dar nueva vida a los residuos de PEX [29].

En la revista Journal of Cleaner Production en el 2018, publicaron una investigación donde realizaron la modificación de asfalto con 3.5 y 7% de botellas de residuos plásticos como fuente PET y 10% neumáticos triturados, empleando una temperatura de 180 °C con el fin de investigar la viabilidad de aplicar los aditivos, provenientes del PET tratados químicamente (BHETA), para mejorar la estabilidad de almacenamiento. Utilizaron un asfalto 60/70 realizando ensayos de penetración donde obtuvieron valores bajos y que van disminuyendo con el aumento del porcentaje de BHETA, por otro lado, el punto de reblandecimiento tiene puntos más altos que van aumentando con el incremento del BHTA, también realizaron el ensayo de viscosidad a temperaturas de 150, 165 y 180 °C y al agregar el 7% de BHETA aumenta significativamente la viscosidad [30].

Por otro lado, en el mismo año realizaron otra investigación donde emplearon como modificante principal botella de agua de PET con un 2%, y un 15%-25% de RAP, este lo obtuvieron del Departamento de Carreteras de Hong Kong con un modelo de envejecimiento de bajo a moderado. Realizaron un estudio bajo un microscopio electrónico de barrido donde determinaron su morfología y cambio en la microestructura después de la síntesis confirmando la degradación completa. Realizaron la prueba de penetración a 25 °C, el aglutinante modificado con PET se caracterizó por un pequeño aumento en el punto de reblandecimiento



y disminución en el valor de penetración. Al realizar el ensayo de viscosidad esta disminuyo con el aumento de la temperatura y aumentaron con el contenido de RAP [31].

En la universidad de Zanjan, en Irán se investigaron los efectos del contenido de PET residual y la distribución del tamaño de partícula en algunas propiedades de ingeniería del concreto asfáltico, realizaron diferentes ensayos como Marshall, daño por humedad, ITS, entre otros. Los resultados indicaron que, para partículas de PET tanto finas como gruesas, la mezcla que contiene 2% de contenido de PET tiene el ITS más alto y la resistencia contra el daño de la humedad. En conclusión y teniendo en cuenta los resultados de las pruebas dinámicas de fluencia, la resistencia contra la deformación permanente disminuye al aumentar el contenido de PET. [32]

En Brasil realizaron una revisión comparativa de literatura sobre los polímeros reciclados más comúnmente estudiados como modificadores de asfalto, entre los más comunes: PE, PP, PVC, EVA y GTR. Analizaron las diferencias de los estudios en términos de punto de fusión, condiciones de mezcla y cantidad máxima de polímero agregado. Además, Se presenta su efecto sobre el comportamiento mecánico de los aglutinantes de asfalto y su estabilidad con y sin el uso de aditivos.

De acuerdo con la revisión de la literatura, concluyeron que el PE, PP, PVC, EVA y GTR reciclados se pueden usar como modificadores de aglomerante, ya que tienen puntos de fusión inferiores a la temperatura de mezcla, mientras que el PET, a pesar de su alta disponibilidad, se rechaza debido a su alto punto de fusión [33].

En la universidad de Malaysia Pahang se realizó una investigación que utiliza el desecho de botellas de plástico PET para explorar su potencial en mejorar el asfalto y las propiedades de la mezcla. Se trituro en un tamaño 0.075 mm a 1.18 mm y se mezcló con agregado caliente para formar una capa delgada sobre la superficie de los agregados. Las propiedades del agregado modificado y del agregado no modificado, se probaron y compararon. Se usó 1% y 2% de plástico en peso de agregado para recubrir el agregado. Los resultados de las pruebas demostraron que el recubrimiento de polímeros en la superficie del agregado tiene muchas ventajas y, en última instancia, ayuda a mejorar la calidad del pavimento flexible.

En términos de economía, la utilización de PET reciclado podría reducir el costo de construcción de la carretera porque este material no es costoso y también es fácil de encontrar. Se puede concluir que el rendimiento de los agregados es mejorado con la adición de residuos plásticos en ellos [34].

Teniendo en cuenta los estudios mencionados anteriormente, en la Tabla 6.3 se presentan una síntesis que contiene datos fundamentales como el tipo de



material empleado, la temperatura y los ensayos realizados en cada una de las investigaciones.



Tabla 6.3. Estado del Arte

Año Autor Titulo Modificantes Porcentaje optimo del

material

Temperatura (°C)

Ensayos realizados

2007

Rondón, Quintana H.; Rodríguez,

Rincón E.;

Moreno, Anselmi [22]

Resistencia mecánica evaluada en el ensayo Marshall de mezclas densas en caliente elaboradas con asfaltos modificados con desechos de policloruro de vinilo (PVC), polietileno de alta densidad (PEAD) y poliestireno (PS).

PVC, PEAD y PS. 0.5-1.5% 160

-Peso específico y absorción de agregados finos. -Resistencia al desgaste de los agregados. -Índice de alargamiento. aplanamiento. -Marshall.

2008

Reyes Lizcano Fredy [23]

Uso de Desechos Plásticos en Mezclas Asfálticas.

PE proveniente de las bolsas de leche, icopor, desperdicio de

llantas usadas en forma de fibras, polímero SBR.

0,6% 150-160

-Marshall. - Equivalente de arena. - Viscosidad. - Ductilidad. - Peso específico. - Punto de ablandamiento. Entre otros.

2008

Rondón

Quintana, Hugo Alexander;

Reyes Lizcano, Fredy Alberto;

Ojeda Martínez, Blanca

Esperanza [24]

Comportamiento de una mezcla densa de asfalto en caliente modificada con desechos de policloruro de vinilo (PVC).

Desecho de PVC.

Por vía húmeda

1.5% de PVC Por vía seca

0.5% de PVC.

100-120

-Penetración. -Punto de ablandamiento. -Viscosidad. -Marshall.

2014

Firogua, José Edilson; Pedraza

Elkin [26]

Diseño de mezclas asfálticas modificadas mediante la adición de desperdicios plásticos.

Desperdicios

plásticos consistentes en

trozos de bolsas.

6,73% 60-70 -Marshall.




material

Temperatura (°C)

Ensayos realizados

2016

Mao-rong,

Zhang; Chang-qing;

Fang; Shi-sheng; Zhou; You-liang Cheng;

Jing-bo; Hu [28]

Modificación del asfalto mediante la dispersión de residuos de polietileno y fibras de carbono.

WPE de embalaje de desechos

reciclados y PAN-CF.

4% de WPE- 0.1%

PAN_CF 170

-Penetración. -Punto de reblandecimiento. - Ductilidad.

2017

Costa, Liliana; Peralta, Joana;

Oliveira Joel RM; Silva Hugo MRD

[29]

Una nueva vida para los residuos plásticos entrecruzados como agregados y modificador de aglomerante para mezclas asfálticas.

PEX 5% 130

-Sensibilidad del agua. -Resistencia al encorvamiento. -Módulo de rigidez -Resistencia al agrietamiento.

2018

Leng, Zhen; Kumar,

Rabindra; Sreeram, Anand

[30]

Producción de un material de pavimentación sostenible a través del reciclaje químico de residuos de PET en migas de asfalto modificado con caucho.

Botellas locales de residuos

plásticos como fuente de residuos PET y neumáticos

triturados.

3.5 y 7% de PET; 10% de

neumático triturado.

180

-Penetración. -Viscosidad. -Punto de reblandecimiento.

2018

Leng, Zhen; Kumar,

Rabindra; Sreeram, Anand;

Tan, Zhief [31]

Aplicación de valor agregado de residuos de aditivos basados en PET en mezclas bituminosas que contienen un alto porcentaje de pavimento asfaltico recuperado (RAP)

Botellas de agua PET y RAP.

2% de PET; 15% y “25%

RAP. 150

-Penetración. -Punto de reblandecimiento. - Ductilidad. -Viscosidad.



Fuente: Autor.


material

Temperatura (°C)

Ensayos realizados

2019

Brasileiro, Luzana; Moreno,

Navarro Fernando;

Tauste, Martínez Raúl; Matos, José; Rubio,

Gámez María del Carmen [33]

Los polímeros recuperados como modificadores de la carpeta de asfalto para caminos más sostenibles: una revisión.

PE, PP, PVC, EVA Y GTR

3-5% 160-165

Ensayos comunes encontrados: -Penetración -Punto de reblandecimiento -Viscosidad - Módulo complejo de rigidez

2019

Ahmad, A. F;

Razali, A. R;

Razelan I. S. M;

Hamizan, W. A. H

[34]

Efecto de los residuos de tereftalato de polietileno (PET) sobre las propiedades del agregado de carreteras

Botellas de plástico PET

1% y 2% 160

-Valor de impacto agregado (AIV) -Valor aplastado del agregado triturado



6.4 MARCO NORMATIVO

Las normas bajo las cuales se rige la presente investigación, se presentan en la tabla 6.4.

MATERIALES Y MEZCLAS ASFÁLTICAS Y PROSPECCIÓN DE

PAVIMENTOS

INVIAS 2013

NORMA NOMBRE

I.N.V E-706 Penetración de los

materiales bituminosos.

I.N.V E-707

Densidad de materiales bituminosos sólidos y

semisólidos (método de picnómetro).

I.N.V E-709 Punto de inflamación y combustión mediante la copa abierta Cleveland.

I.N.V. E-712 Punto de ablandamiento

de materiales bituminosos (aparato anillo y bola).

Fuente: Autor.

Tabla 6.4. Marco normativo



7. METODOLOGÍA

Ante la necesidad de dar solución al problema planteado, se llevó a cabo una búsqueda exhaustiva de investigaciones realizadas anteriormente afines a esta investigación, para obtener un conocimiento previo y poder dar inicio al desarrollo de la misma, estableciendo las etapas necesarias para el cumplimiento de los objetivos, las cuales se evidencian en la figura 7.1.

7.1 ETAPAS Y TAREAS

Fuente: Autor.

7.1.1 ETAPA I

7.1.1.1 Identificación del proveedor

7.1.1.1.1 Desechos de polietileno de alta densidad:

Se lleva a cabo la identificación de las empresas encargadas del proceso de reciclaje de plásticos en Villavicencio, realizando una serie de encuestas que permitieron conocer la trayectoria y el proceso que realizan en la industria, logrando así la selección de la empresa proveedora del material modificante.

Se identifico la EMPRESA RECUPERADORA DE PLASTICOS S.A, en cabeza del señor Edgar Pardo, se encuentra ubicada en el barrio Industrial de la ciudad,

PRELIMINARES

- Recopilación de información.

ETAPA I

- Identificación de proveedores.

-Obtención de materiales y equipos.

ETAPA II

-Descripción y caracterización de los desechos de polietileno suministrados.

-Modificación del asfalto.

ETAPA III

-Caracterización fisica del asfalto modificado (Elaboración de ensayos).

ETAPA IV

-Análisis de resultados obtenidos.

Figura 7.1.Metodologia de investigación.



dedicada especialmente a la recolección, adecuación y trituración de plástico. En el momento de la visita, se evidenció una bodega de material NO RECICLABLE con la que cuenta la empresa, como se muestra en la Figura 7.2:

Fuente: Autor.

De acuerdo con lo relacionado por el proveedor, no es posible llevar a reciclaje este material recolectado, debido a la presencia del polímero sintético Nailon, por lo tanto, este material va directamente al relleno sanitario, toda vez que la bodega no de abasto.

7.1.1.1.2 Ligante asfaltico 60/70

El suministro del ligante asfaltico, se dio gracias a la planta PASOLIN S.A.S de Villavicencio-Meta, quienes allegaron la ficha técnica del material suministrado, el cual es proveniente del pozo de la superintendencia de Apiay de la empresa ECOPETROL S.A. en el departamento del Meta.

Fuente: Autor.

Figura 7.2. Bodega de material no reciclable en la empresa recuperadora de plástico de Villavicencio.

Figura 7.3.Planta de asfalto Pasolin S.A.S.



7.1.1.2 Obtención de materiales y equipos utilizados en la investigación

7.1.1.2.1 Modificador D-PEAD

Se obtuvo la cantidad de 2kg de desechos de polietileno de alta densidad, suministrado por la empresa relacionada en el apartado anterior (7.1.1.1.1), en la siguiente Figura 7.4, se evidencia conjuntamente la bodega, separación y recolección del material suministrado.

Fuente: Autor.

Algunas de las características básicas de este material son:

Ensayo Norma Valor

Reportado Referencia

Punto de Ablandamiento ASTM D

36 50,4°C 42-22°C

Punto de Inflamación ASTM D

92 262°C Min 232

Penetración a 25°C, 100g y 5 s (0,1mm) al asfalto original

ASTM D 5 63,0 60-70 mm/10

Viscosidad dinámica @60°C (P) ASTM D

4402 4225 Min 1500

Fuente: Ficha técnica Pasolin S.A.S (anexo A).

7.1.1.2.2 Equipos de laboratorio

Penetrómetro

El penetrómetro es un instrumento diseñado para la toma de medidas de consistencia de un material bituminoso, donde altos valores de penetración indican consistencias más blandas [12].

El equipo fue suministrado por los laboratorios de pavimentos de la universidad Santo Tomas de Villavicencio, como se observa en la Figura 7.5. Este se encuentra constituido por un mecanismo que permite el movimiento vertical sin

Tabla 7.1.Caracteristicas asfalto virgen.

Figura 7.4.D-PEAD de la empresa recicladora.



rozamiento de un vástago, el cual fija firmemente en su parte interior la aguja de penetración [12].

Fuente: Autor.

Picnómetro

El picnómetro es un recipiente de vidrio en forma cónica o cilíndrica, el cual tiene una boca esmerilada que se debe ajustar de tal manera que no existan fugas, con su respectivo tapón de vidrio [13]. Este utensilio fue suministrado por los laboratorios de la Universidad Santo Tomas Villavicencio.

Fuente: Autor.

Aparato de copa abierta de Cleveland (de operación manual)

Este aparato está diseñado para determinar un punto de ignición entre -18 y 165°C, puntos de combustión hasta de 165°C y asfaltos de recorte con puntos de ignición menos de 200°F. Este equipo está compuesto por un horno eléctrico con controlador, dispositivo rotativo de ignición de llama, taza de vidrio, plato aislante, soporte y abrazadera para termómetro, manómetro y marco de acero

Figura 7.5. Penetrómetro de asfalto.

Figura 7.6. Picnómetro



inoxidable [35]. Este equipo fue suministrado por el laboratorio de pavimentos de la universidad Santo Tomas.

Fuente: Autor.

Automatic Digital Ring and Ball Apparatus

Este aparato es un conjunto de herramientas, las cuales tienen el fin de determinar automáticamente el punto de ablandamiento de los asfaltos y las canchas. Consta de dos sensores laser que detectan la caída de las bolas para determinar el punto de ablandamiento, un sistema electrónico para la temperatura, un agitador magnético con ajuste electrónico de velocidad de 0 a 160 rpm, un sistema de enfriamiento con ventilador [36]. Fue suministrado por los laboratorios de la Universidad Santo Tomas.

Fuente: Autor.

Figura 7.7. Aparato de copa abierta de Cleveland

Figura 7.8. Automatic Digital Ring and Ball Apparatus



7.1.2 ETAPA II

Descripción y caracterización de los D-PEAD.

Se realizó la descripción de los desechos de polietileno de alta densidad, empleando el tamiz n°4, con el fin de separar e identificar los componentes que trae dicho material.

Dentro de este, se evidenció la presencia de arena, polvo, pequeñas tiras de papel e hilos mezclados entre sí, como se muestra en la figura 7.9.

Fuente: Autor.

Por otro lado, durante este mismo procedimiento, se obtuvo que el tamaño promedio de las partículas de polietileno de alta densidad sobre el material suministrado fue de 2cm.

Modificación de asfalto

Este procedimiento se realiza en las instalaciones de la Universidad Javeriana de Bogotá, se prepara el material en diferentes recipientes de acuerdo a cada uno de los porcentajes establecidos, las formulaciones de los ligamientos asfalticos y las variables de procesamiento se presentan en la tabla 7.2.

El proceso de modificación del ligante asfaltico se inicia con el calentamiento del asfalto virgen a una temperatura de 130°C, del cual se emplean 6kg que posteriormente se introducen al dispersor de asfaltos (equipo usado para homogenizar asfaltos modificados a temperaturas entre 180°C y 210°C), luego se adicionan los Desechos de PEAD a una temperatura de 135°C, se introduce el aspa, para así dar inicio a la homogenización del material, se mezcla durante treinta minutos (t=30’) a una velocidad de 2400 rpm. En la figura 7.10 se presenta el proceso de modificación realizado.

Figura 7.9. Descripción e identificación de los componentes de los D-PEAD



FORMULACIÓN

Ligante asfaltico

Asfalto 60/70 (kg)

D-PEAD (%)

Temperatura (°C)

Tiempo (min)

rpm

LA+ D-PEAD 3 6 135 30 2400

LA+ D-PEAD

3 8 135 30 2400

LA+ D-PEAD

3 10 135 30 2400

Fuente: Autor.

Fuente: Autor.

7.1.2 ETAPA III

Para la caracterización física del asfalto modificado, se realiza teniendo en cuenta las normas vigentes del Instituto Nacional de Vías (INVIAS 2013), los siguientes ensayos establecidos en la tabla 7.3.

ITEM ENSAYO NORMA

CANTIDAD MUESTRAS

Asfalto + 6%D-PEAD

Asfalto +8%D-PEAD

Asfalto + 10%D-PEAD

Cara

cte

rizació

n F

ísic

a

Penetración INV.E-706-13

3 3 3

Gravedad Especifica INV.E-707-13

3 3 3

Punto de inflamación y de combustión

INV.E-709-13

1 1 1

Punto de Ablandamiento

INV.E-712-13

2 2 2

Fuente: Autor.

Tabla 7.2. Formulación modificación de ligante asfaltico.

Tabla 7.3. Caracterización física de los materiales.

Figura 7.10. Modificación de ligante asfaltico.



7.1.2.1 Caracterización física del asfalto modificado

Preparación de las muestras

Se calentó el asfalto modificado en el horno a una temperatura de 160°C, durante 2 horas. Es importante mencionar que para los porcentajes de modificación de 6% y 8% el material alcanzó su fluidez durante este tiempo estipulado, por el contrario, el molde que contenía el asfalto modificado con 10% D-PEAD, no obtuvo la fluidez necesaria para realizar los ensayos a satisfacción.

Ensayo de penetración de los materiales asfálticos

El ensayo de penetración se usa para medir la consistencia de los productos bituminosos a la temperatura de ensayo, la cual se expresa por medio de la distancia, en decimas de milímetro, hasta la cual penetra verticalmente una aguja normalizada en condiciones de carga, tiempo y temperatura definida [12].

Esta prueba se realizó de acuerdo a INV E 706-13, en condiciones normalizadas de 25°C de temperatura, con 100g de carga y un tiempo de 5 segundos. Según especifica Rondón y Reyes, de manera directa el ensayo mide la consistencia del cemento asfaltico y de manera indirecta mide su rigidez, entendiéndose que bajo las mismas condiciones de ensayo el Cemento asfáltico más rígido, es aquel en el cual la aguja penetre menos [1].

Fuente: Autor.

Ensayo de gravedad especifica

El método de gravedad especifica o densidad relativa, es utilizado para calcular los vacíos de aire en la mezcla y establecer objetivos para la compactación. Es decir, si el porcentaje de huecos de aire es demasiado alto, el pavimento puede estar sujeto a daños por humedad, exhibir una disminución de fuerza y tener una fatiga más corta en comparación con otros pavimentos [37].

Figura 7.11. Ensayo de penetración según INV E 706-13



Consiste en colocar un picnómetro calibrado con la muestra y pesarla, luego, se completa el volumen con agua y se lleva a la temperatura de ensayo (la cual no debe sobrepasar 110°C a partir del punto de ablandamiento esperado del asfalto), ni calentar por más de 60 minutos, así mismo, se debe evitar burbujas de aire dentro de la muestra, y luego se determina su masa [13] (ver figura 7.12).

Fuente: Autor.

Ensayo de Punto de inflamación y combustión

Los valores de las temperaturas de inflamación normalmente están determinados bajo el nivel del mar y la variación de la presión atmosférica tiene influencia sobre los mismos. Es decir, un aumento de presión eleva el punto de inflamación y una disminución de la presión lo reduce, esta apreciación se debe tener en cuenta, ya que, en zonas de mayor altitud, la concentración inflamable del material se alcanzaría con más facilidad [38].

El método para calcular este punto de inflamación se realiza mediante la copa abierta Cleveland, consiste en llenar la muestra al nivel especificado, se incrementa la temperatura rápidamente al principio, y luego constante, más lento, a medida que se acerca al punto de inflamación esperado. Conforme transcurre el ensayo, se pasa una llama a través de la copa de ensayo, la aplicación de esta llama hace que los vapores se encuentran por encima de la superficie del líquido desprendan una llamarada repentina (ver figura 7.13), este será determinado como el punto de inflamación; Para determinar el punto de combustión, se continua aplicando la llama de ensayo a través de la copa, hasta la aparición de una llama sostenida, por lo menos durante 5 segundos [14].

Figura 7.12.Ensayo de gravedad especifica según INV E 707-13



Fuente: Autor.

Ensayo punto de ablandamiento

El punto de ablandamiento es una medida la cual indica la temperatura en la que el cemento asfaltico pasa de un estado sólido a uno en el cual fluye como un líquido. Este valor, muchas veces se usa como indicador empírico de máxima temperatura se operación de las mezclas en servicio, lo ideal es que las mezclas no lleguen a dicha temperatura calculada durante su vida útil, ya que tendría una gran disminución de su rigidez [1].

Este ensayo consiste en dos discos horizontales de material bituminoso, fundidos entre anillos de latón, se calientan a una velocidad controlada en un baño líquido, mientras cada uno de ellos soporta una bola de acero. El punto de ablandamiento se considera como el valor medio de las temperaturas a las cuales los dos discos se ablandan lo suficiente, para que cada bola envuelta en material bituminoso caiga una distancia de 25 mm (1") [15] ver figura 7.14.

Fuente: Autor.

Figura 7.13. Ensayo punto de inflamación y combustión según INV E-709-13

Figura 7.14. Ensayo punto de ablandamiento según INV E 712-13



7.1.3 ETAPA IV

7.1.3.1 Análisis de resultados obtenidos

Se realiza el análisis y comparación de los resultados obtenidos, teniendo en cuenta los requisitos mínimos de calidad que debe cumplir un cemento asfaltico modificado con materiales tipo I (polímeros del tipo etileno vinil acetato EVA o Polietileno), según el art. 414 del INVIAS 2013 [39], presentados en la tabla 7.4.

Cabe resaltar que estos resultados son de asfaltos convencionales 80/100 modificados con polímeros, lo cual nos sirve de guía, pero no son parámetros que nos definan los resultados en esta investigación, en la cual se trabajó con un asfalto 60/70 modificado con desechos de polímeros, esto quiere decir que los resultados deben arrojar a un material más rígido que el que se muestra en la Tabla 7.4.

Ensayo Norma Unidad Min Máx

Penetración INV E 706, ASTM D-5 0.1mm 55 70

Punto de ablandamiento INV E 712, ASTM D 36-95 °C 58 -

Punto de ignición INV E 709, ASTM D-92 °C 230 -

Fuente: Art.414 - INVIAS 2013 [39]

Ensayo de penetración

Se evaluó la consistencia del ligante asfaltico modificado con D-PEAD según INV E 706-13, cuyos resultados se presentan en las tablas 7.5 y 7.6, es de mencionar que este ensayo, nos da como resultado de la penetración ejercida de la aguja sobre las muestras de asfalto durante 5seg.

Fuente: Autor

Penetración asfalto +8%DPEAD

Muestra 1 2 3 Promedio

Molde 1 21,20 22,80 26,20 23,40

Molde 2 20,60 23,00 21,30 21,63

Molde 3 18,20 17,60 16,40 17,40

Fuente: Autor

Tabla 7.4. Especificaciones del asfalto modificado con polimeros

Tabla 7.5. Resultados ensayo de penetración modificación 6%DPEAD

Penetración asfalto +6%DPEAD

Muestra 1 2 3 Promedio

Molde 1 44,00 47,80 48,20 46,67

Molde 2 48,40 46,00 47,00 47,13

Molde 3 18,60 22,80 12,60 18,00

Tabla 7.6. Resultados ensayo de penetración modificación 8%DPEAD



Fuente: Autor. En base a los resultados obtenidos en el ensayo, se puede decir que el asfalto modificado con 8%DPEAD es un material mucho más rígido respecto del modificado con 6%DPEAD. Así mismo, de acuerdo a la figura 7.15 se puede observar la diferencia del valor de penetración en el A+6%DPEAD del molde 3, respecto del molde 1 y 2, durante el ensayo se pudo evidenciar que los DPEAD no se disolvieron completamente para formar una mezcla homogénea, lo cual afecto de manera directa a en este molde, ya que partículas de los desechos quedaron situadas en la superficie del molde, impidiendo así una mayor penetración del material. Ensayo de gravedad especifica Este ensayo de clasificación de asfaltos nos indica las correcciones de volúmenes que se debe tener en cuenta cuando los asfaltos originales y modificados con D-PEAD, cuando es expuesto a altas temperaturas. En la tabla 7.7, se presentan los resultados obtenidos para el ligante asfaltico modificado, obtenidos del peso específico de cada una de las muestras. A= Picnómetro + tapón

B= Picnómetro + tapa + agua

C= Picnómetro + tapa + asfalto

D= Picnómetro + tapa + asfalto + agua

Figura 7.15. Resultados ensayos de penetración.



Peso Asfalto +6%DPEAD (g) Gravedad especifica N° Picnómetro A B C D

26 37,89 65,81 51,72 63,98 33,46

66 36,34 64,56 54,2 61,41 30,89

84 39,11 65,26 54,92 64,01 36,24

Peso Asfalto +8%DPEAD (g) Gravedad especifica N° Picnómetro A B C D

26 37,89 65,81 56,2 63,03 32,90

66 36,34 64,56 55,8 61,62 31,57

84 39,11 65,26 56,84 63,26 35,15

Fuente: Autor.

Ensayo de inflamación y combustión

Para la determinación del punto de inflamación y combustión corregido, se tiene en cuenta la norma INV 709-13. Durante el procedimiento del ensayo realizado se empleó una muestra mayor a 70ml. A continuación, en la tabla 7.8, se presentan los resultados obtenidos durante el ensayo y su respectiva corrección.

Punto de inflamación

Observado C1 C2 C3

°C °F °C °F °C

Asfalto+6%DPEAD 240,00 464,00 241,36 466,46 241,35

Asfalto+8%DPEAD 222,00 432,00 223,36 434,46 223,35

Punto de combustión

Observado C1 C2 C3

°C °F °C °F °C

Asfalto+6%DPEAD 256,00 493,00 257,36 495,46 257,35

Asfalto+8%DPEAD 280,00 536,00 281,36 538,46 281,35

Fuente: Autor.

El punto de inflamación corregido para la modificación del asfalto con 6%DPEAD en °C es de 241°C, es decir, menor al del asfalto virgen suministrado cuyo valor es de 262°C; y para la modificación con 8%DPEAD es de 223°C, de igual forma el punto de inflamación es inferior al comparado. Respecto del punto de combustión corregido, para el asfalto modificado con 6%DPEAD es de 257°C y para la modificación con 8%DPEAD es de 281°C, por ende, el asfalto con mayor porcentaje de material modificante es mucho más sólido y viscoso en comparación al de menor porcentaje, es de mencionar que este punto no se comparó con el asfalto convencional, ya que el punto de fabrica no determina dicho valor.

Tabla 7.7. Resultados ensayo de gravedad específica.

Tabla 7.8. Resultado ensayo de punto de inflamación y combustión.



Ensayo punto de ablandamiento Se realizó el ensayo de punto de ablandamiento para cada una de las modificaciones realizadas, con un baño de agua destilada, a una temperatura de 5°C, la cual fue medida y verificada en el laboratorio. Cuyos resultados se presentan en la tabla 7.9.

Punto de ablandamiento (°C) Asfalto + 6%DEPAD

Bola derecha Bola izquierda Promedio

50,8 50,5 50,7

Fuente: Autor. Durante la ejecución del ensayo para el porcentaje de 8% DPEAD, se encontró que el punto de ablandamiento del material, supera el estipulado por la maquina automática de anillo y bola para la ebullición del agua, por lo que no fue posible determinar el resultado del punto de ablandamiento para esta modificación con este tipo de baño empleado (ver figura 7.16).

Fuente: Autor.

Tabla 7.9. Resultados ensayo punto de ablandamiento.

Figura 7.16. Resultado ensayo punto de ablandamiento 8%DPEAD.



8. EQUIPO DE INVESTIGACIÓN Y TRAYECTORIA

A continuación, se presenta la trayectoria del equipo de trabajo, así como la pertinencia en conocimiento y desarrollo técnico, con el fin de aportar al buen desarrollo del proyecto, para así dar respuesta a la propuesta planteada (Ver Tabla 8.1).

Personal Nombre Perfil Experiencia

Estudiante


Estudiante de ingeniería civil

Revisión bibliográfica detallada sobre el tema de asfaltos modificados.

5 meses como auxiliar de ingeniería en proyectos administrativos.

Director

Jessica María Ramírez Cuello

Profesional en Ingeniería Civil con

Maestría en Ingeniería Civil

8 años de experiencia en proyectos de Infraestructura Vial, dos años como docente en el área de vías y suelos, líder de semillero de Investigación SISCO.

Co-Director

Juan Manuel Salgado Díaz

Profesional en Ingeniería Civil con

Maestría en Ingeniería Civil

8 años de experiencia en proyectos de Infraestructura Vial, 18 meses como docente en el área de vías y suelos.

Fuente: Autor

Tabla 8.1.Equipo de investigación y trayectoria.



9. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

9.1. CONCLUSIONES

La temperatura de 135°C empleada para la modificación con D-PEAD, no es suficiente para homogenización total de la mezcla, ya que, al ejecutar los ensayos correspondientes, se evidencian partículas completas de los desechos empleados, dificultando así la fluidez de la mezcla.

Con un porcentaje de desechos de polietileno de alta densidad mayor al 8% adicionado al Asfalto 60/70, la penetración decrece en más del 35% respecto al asfalto convencional suministrado, obteniendo así, un material más rígido y con menor tendencia a fluir.

No es posible alcanzar la fluidez de un asfalto modificado con D-PEAD del 10% a una temperatura menor de 160°C, no obstante, es importante resaltar que al elevar el asfalto a una temperatura mayor a la mencionada causaría su oxidación, perdería propiedades fisicoquímicas y por aumentaría su susceptibilidad al agrietamiento. Aunque el material modificante aumente el punto de inflamación del asfalto, también aumenta su punto de ablandamiento, lo cual genera que el material sea más consistente y susceptible a las deformaciones plásticas del pavimento. La modificación realizada al asfalto con 6%D-PEAD, es menos rígida que el asfalto convencional, sin embargo, su punto de ablandamiento es mayor al que registra el asfalto 60/70 por lo que se puede decir que este material es menos viscoso a medida que se eleva la temperatura, lo cual podría mejorar el comportamiento ante las cargas cíclicas y aumentar la vida útil del pavimento. Teniendo en cuenta lo especificado en el INVIAS 2013, los porcentajes empleados en la presente investigación cumple con los requisitos mínimos para certificación de propiedades físicas de asfaltos modificados con polímeros, dado que son materiales más rígidos, con menor penetración.



9.2. TRABAJOS FUTUROS

Para modificaciones futuras con DPEAD se recomienda que las partículas empleadas sean inferiores a 2cm y que la modificación se realice a una temperatura mayor de 135°C, lo cual contribuirá para la homogenización de la mezcla.

En cuanto al ensayo de punto de ablandamiento se sugiere la implementación de glicerina para el baño, ya que esta cuenta con un punto de ebullición mayor al del agua destilada y aumenta la posibilidad de hallar exitosamente el punto de ablandamiento del material bituminoso.

Realizar investigaciones referentes al comportamiento mecánico al asfalto modificado con desechos de polietileno de alta densidad.

No implementar porcentajes mayores al 10% D-PEAD en las modificaciones, ya que este material rigidiza el asfalto, disminuye su manejabilidad, aumenta el punto de ablandamiento y no permite su fluidez a menos de 160°C.



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11. ANEXOS

11.2. A. Ficha técnica del asfalto 60/70 de la Superintendencia de Operación APIAY de Ecopetrol S.A.

caracterización física de un ligante asfáltico 60/70

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