estudio de mezclas asfalticas2 pav

8/12/2019 Estudio de Mezclas Asfalticas2 Pav

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ALCALDIA MAYOR DE BOGOTA D.C.INSTITUTO DE DESARROLLO URBANO

CONTRATOIDU 366 - 01

OBJETO: ESTUDIO DE LAS MEJORAS MECNICAS DE MEZCLASASFLTICAS CON DESECHOS DE LLANTAS

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

INFORME FINALORIGINAL

BOGOTA, D.C. SEPTIEMBRE 23 DE 2002


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Alcalda mayor de Bogot D.C. Instituto de desarrollo Urbano Universidad de Los Andes

ESTUDIO DE LAS MEJORAS MECNICAS DE MEZCLAS ASFLTICAS CON DESECHOS DE LLANTAS

i

CONTENIDO

Pg.

1 RESUMEN _________________________________________________________ 1

2 ANTECEDENTES ___________________________________________________ 2

3 METODOLOGA ____________________________________________________ 3

4 INTRODUCCIN____________________________________________________ 4

5 MARCO TERICO __________________________________________________ 7

5.1 ASPECTOS GENERALES ________________________________________ 7

5.1.1 Caractersticas fisicoqumicas de las llantas. ________________________ 7

5.1.2 Las llantas desechadas._________________________________________ 9

5.1.3 Aplicacin del GCR en los pavimentos.___________________________ 12

5.1.3.1 Proceso ambiental. ________________________________________ 17

5.1.3.2 Proceso criognico.________________________________________ 18

5.1.3.3 Otros procesos. ___________________________________________ 19

5.1.4 Caucho molido utilizado. ______________________________________ 19

5.2 PROCESO POR VA SECA ______________________________________ 20

5.2.1 Tecnologas. ________________________________________________ 20

5.2.1.1 PlusRide.________________________________________________ 20

5.2.1.2 Genrica.________________________________________________ 21

5.2.1.3 Convencional.____________________________________________ 21

5.2.2 Aplicaciones. _______________________________________________ 22

5.2.2.1 Mezclas asflticas en caliente. _______________________________ 22

5.3 PROCESO POR VA HUMEDA___________________________________ 22

5.3.1 Modificacin del ligante. ______________________________________ 235.3.1.1 Tecnologa por bachadas. ___________________________________ 24

5.3.1.2 Tecnologa continua. ______________________________________ 25

5.3.1.3 Tecnologa terminal._______________________________________ 25

5.3.2 Aplicaciones. _______________________________________________ 25

5.3.2.1 Sellantes.________________________________________________ 25


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ii

5.3.2.2 Tratamientos superficiales.__________________________________ 26

5.3.2.3 Mezclas asflticas en caliente. _______________________________ 28

6 PROCEDIMIENTO _________________________________________________ 29

6.1 CARACTERIZACIN DE LOS MATERIALES ______________________ 29

6.1.1 Agregados ptreos.___________________________________________ 29

6.1.1.1 Especificaciones INVIAS. __________________________________ 29

6.1.1.2 Agregados ptreos utilizados.________________________________ 32

6.1.1.3 Ensayos realizados.________________________________________ 32

6.1.1.3.1 Determinacin de materiales finos. _______________________ 33

6.1.1.3.2 Resistencia al desgaste._________________________________ 34

6.1.1.3.3 Pesos especficos y absorcin, y masa unitaria. ______________ 34

6.1.1.3.4 ndice de forma y textura._______________________________ 35

6.1.1.3.5 Anlisis granulomtrico.________________________________ 37

6.1.1.3.6 Clasificacin. ________________________________________ 41

6.1.2 Cemento asfltico. ___________________________________________ 43

6.1.2.1 Especificaciones INVIAS. __________________________________ 45

6.1.2.2 Cemento asfltico utilizado. _________________________________ 46

6.1.2.3 Ensayos realizados.________________________________________ 46

6.1.2.3.1 Separacin del cemento asfltico en cuatro fracciones SARA._ 47

6.1.2.3.2 Curva reolgica del cemento asfltico._____________________ 516.1.2.3.3 Caracterizacin viscoelstica, usando un remetro de corte

dinmico DSR. _____________________________________ 54

6.1.2.3.4 Caracterizacin viscoelstica, usando un remetro de viga a flexin BBR. ____________________________________________ 57

6.1.2.3.5 Ensayos Convencionales. _______________________________ 59

6.2 PROCESO POR VA SECA ______________________________________ 65

6.2.1 Agregados. _________________________________________________ 65

6.2.2 Granulometra del Caucho._____________________________________ 69

6.2.3 Cantidad ptima de Cemento Asfltico.___________________________ 71

6.2.4 Cantidad ptima de GCR.______________________________________ 71

6.2.5 Metodologa.________________________________________________ 72

6.2.6 Ensayos realizados a las mezclas asflticas convencionales y mejoradas conGCR.______________________________________________________ 72

6.2.6.1 Diseo Marshall.__________________________________________ 73


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iii

6.2.6.1.1 Vacos con aire en la mezcla total. ________________________ 75

6.2.6.1.2 Estabilidad. __________________________________________ 77

6.2.6.1.3 Flujo._______________________________________________ 79

6.2.6.1.4 Peso Unitario. ________________________________________ 81

6.2.6.1.5 Vacos en los agregados minerales. _______________________ 83

6.2.6.1.6 Diseo ptimo. _______________________________________ 85

6.2.6.2 Mdulo dinmico._________________________________________ 86

6.2.6.3 Deformacin permanente. _________________________________ 100

6.2.6.4 Resistencia a la fatiga. ____________________________________ 108

6.3 PROCESO POR VA HMEDA__________________________________ 112

6.3.1 Granulometra de los agregados. _______________________________ 112

6.3.2 Granulometra del Caucho.____________________________________ 113

6.3.3 Cantidad ptima de caucho para modificar el ligante. _______________ 115

6.3.4 Cantidad ptima de ligante modificado con GCR.__________________ 115

6.3.5 Metodologa._______________________________________________ 116

6.3.6 Ensayos realizados al ligante.__________________________________ 119

6.3.6.1 Viscosidad Brookfield.____________________________________ 119

6.3.6.2 Ligantes modificados con GCR seleccionados. _________________ 132

6.3.6.3 Curva reolgica del ligante modificado con GCR._______________ 133

6.3.6.4 Caracterizacin viscoelstica, usando un remetro de corte dinmico DSR. _________________________________________________ 137

6.3.6.5 Caracterizacin viscoelstica, usando un remetro de viga a flexin BBR. _________________________________________________ 139

6.3.6.6 Ensayos Convencionales a los ligantes modificados con GCR._____ 140

6.3.7 Determinacin del grado PG. __________________________________ 141

6.3.8 Ligante modificado con GCR escogido.__________________________ 144

6.3.8.1 Anlisis de segregacin en la mezcla asfalto-caucho mediante la pruebade zenke._______________________________________________ 144

6.3.9 Ensayos realizados a las mezclas asflticas elaboradas con ligantemodificado con GCR.________________________________________ 145

6.3.9.1 Contenido de vacos con aire._______________________________ 145

6.3.9.2 Mdulos Dinmicos.______________________________________ 146

6.3.9.3 Diseo ptimo de la mezcla asfltica con asfalto-caucho._________ 152

6.3.9.4 Deformacin permanente. _________________________________ 155


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iv

6.3.9.5 Resistencia a la fatiga. ____________________________________ 156

7 EJECUCIN DEL TRAMO DE PRUEBA EN EL CARRUSEL DE FATIGA __ 159

7.1 CARRUSEL DE FATIGA _______________________________________ 159

7.2 TRAMOS DE PRUEBA Y ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO ________ 161

7.2.1 Fabricacin, colocacin y compactacin de la mezcla asfltica. _______ 163

7.3 OPERACIN DEL CARRUSEL DE FATIGA_______________________ 167

7.4 SEGUIMIENTO Y AUSCULTACIN_____________________________ 168

7.4.1 Deformacin permanente. ____________________________________ 170

7.4.2 Deflexiones estticas con Viga Benkelman._______________________ 175

7.4.3 Densidad de fisuracin. ______________________________________ 177

7.4.4 Control de temperatura. ______________________________________ 181

8 ESTUDIO AMBIENTAL ____________________________________________ 182

8.1 EMISIN DE COMPUESTOS ORGNICOS VOLTILES ___________ 182

8.1.1 Descripcin de las muestras analizadas.__________________________ 182

8.1.2 Metodologa de la prueba de migracin. _________________________ 183

8.1.2.1 Extraccin de los compuestos orgnicos voltiles (COVs).________ 183

8.1.3 Anlisis por cromatografa de gases/espectrometra de masas. ________ 184

8.1.4 Interpretacin de los resultados.________________________________ 185

8.2 EMISIN DE RUIDO __________________________________________ 189

8.3 UTILIZACIN DEL GCR PARA SU USO EN LOS PAVIMENTOSASFLTICOS.________________________________________________ 191

9 EVALUACIN DE LA VIDA TIL ___________________________________ 192

9.1 ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO_______________________________ 192

9.2 CALCULO DE LA VIDA TIL __________________________________ 194

10 CLCULO DE COSTOS UNITARIOS_________________________________ 200

11 RELACIN BENFICO-COSTO _____________________________________ 203

12 ESPECIFICACIONES ______________________________________________ 205

13 CONCLUSIONES__________________________________________________ 20613.1 GENERALES_________________________________________________ 206

13.2 ESPECFICAS ________________________________________________ 207

13.2.1 Respecto al cemento asfltico modificado con caucho.______________ 207

13.2.2 Respecto a las mezclas asflticas mejoradas con caucho. ____________ 208


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v

13.2.3 Respecto a las mezclas asflticas elaboradas con asfalto modificado concaucho. ___________________________________________________ 210

14 RECOMENDACIONES _____________________________________________ 211

15 BIBLIOGRAFA___________________________________________________ 213

ANEXOS 217


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vi

LISTA DE CUADROS

Pg.

Cuadro 5.1. Terminologa asociada con el uso del GCR en mezclas asflticas.________ 13

Cuadro 6.1. Requisitos de los agregados ptreos para tratamientos y mezclas bituminosas.

____________________________________________________________ 31

Cuadro 6.1. Determinacin de materiales finos por medio de azul de metileno del agregado

ptreo, cantera No. 1.___________________________________________ 33

Cuadro 6.2. Determinacin de materiales finos por medio de azul de metileno del agregadoptreo, cantera No. 2.___________________________________________ 33

Cuadro 6.3. Determinacin de materiales finos por medio de azul de metileno del agregado

ptreo, cantera No. 3.___________________________________________ 33

Cuadro 6.4. Resistencia al desgaste de agregados. ______________________________ 34

Cuadro 6.5. Pesos especficos y Unitarios del agregado ptreo, cantera No 1._________ 34



Cuadro 6.8. Determinacin del ndice de partcula del agregado ptreo, cantera No. 1. _ 36

Cuadro 6.9. Determinacin del ndice de partcula del agregado ptreo, cantera No. 2. _ 36

Cuadro 6.10. Determinacin del ndice de partcula del agregado ptreo, cantera No. 3 -

Arena. ______________________________________________________ 37


Gravilla._____________________________________________________ 37


Grava. ______________________________________________________ 37

Cuadro 6.13. Granulometra agregado ptreo, cantera No. 1 ______________________ 38

Cuadro 6.14. Clasificacin del agregado ptreo, cantera 1. _______________________ 42

Cuadro 6.15. Clasificacin del agregado ptreo, cantera 2. _______________________ 42Cuadro 6.16. Clasificacin del agregado ptreo, cantera 3, Arenas._________________ 42

Cuadro 6.17. Clasificacin del agregado ptreo, cantera 3, Gravilla.________________ 43

Cuadro 6.18. Clasificacin del agregado ptreo, cantera 3, Grava. _________________ 43

Cuadro 6.19. Propiedades del cemento asfltico de Barrancabermeja._______________ 44

Cuadro 6.20. Propiedades del cemento asfltico de Cartagena y Apiay. _____________ 44


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vii

Cuadro 6.21. Tipo de cemento asfltico por emplear en mezclas en caliente. _________ 45

Cuadro 6.22. Especificaciones del cemento asfltico.____________________________ 45

Cuadro 6.23. Resultados del ensayo de Cromatografa lquida en columna -SARA- para el

ligante sin modificar.___________________________________________ 50

Cuadro 6.24. Resultados de viscosidad Brookfield para el cemento asfltico de Apiay. _ 52Cuadro 6.25. Resultados de viscosidad Brookfield para el cemento asfltico de

Barrancabermeja.______________________________________________ 52

Cuadro 6.26. Resultados de caracterizacin viscoelstica en el DSR para los cementos

asflticos de Apiay y Barrancabermeja originales. ____________________ 57


asflticos de Apiay y Barrancabermeja despus del RTFO. _____________ 57

Cuadro 6.28. Resultados de caracterizacin viscoelstica en el DSR para los cementosasflticos de Apiay y Barrancabermeja despus del PAV. ______________ 57

Cuadro 6.29. Resultados de caracterizacin viscoelstica en el BBR para los cementosasflticos de Apiay y Barrancabermeja despus del PAV. ______________ 59

Cuadro 6.30. Resultados de ensayos convencionales a cemento asfltico no modificado. 60

Cuadro 6.31. Granulometra de Agregados para Mezcla Densa en Caliente establecida por

el INVIAS segn el Artculo 450-96. ______________________________ 65

Cuadro 6.32. Granulometra del Caucho suministrada por la firma Renovadora de LlantasLtda.________________________________________________________ 70

Cuadro 6.33. Granulometra del Caucho propuesta. _____________________________ 70

Cuadro 6.34. Criterios para diseos de mezclas asflticas en caliente segn las

especificaciones del INVIAS ____________________________________ 73

Cuadro 6.35. Diseo Marshall MDC-1 0%. ___________________________________ 74






Cuadro 6.41. Resultados de Vacos con aire en la mezcla total para los diseo MDC-1._ 76

Cuadro 6.42. Resultados de Vacos con aire en la mezcla total para los diseo MDC-2._ 76

Cuadro 6.43. Resultados de Estabilidad Marshall para los diseo MDC-1. ___________ 78

Cuadro 6.44. Resultados de Estabilidad Marshall para los diseo MDC-2. ___________ 78

Cuadro 6.45. Resultados de Flujo Marshall para los diseo MDC-1.________________ 80

Cuadro 6.46. Resultados de Flujo Marshall para los diseo MDC-2.________________ 80


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viii

Cuadro 6.47. Resultados de Peso Unitario para los diseo MDC-1._________________ 82

Cuadro 6.48. Resultados de Peso Unitario para los diseo MDC-2._________________ 82

Cuadro 6.49. Resultados de los Vacos en los agregados minerales para los diseo MDC-1.

____________________________________________________________ 84

Cuadro 6.50. Resultados de los Vacos en los agregados minerales para los diseo MDC-2.____________________________________________________________ 84

Cuadro 6.51. Resultados de los diseos Marshall. ______________________________ 86

Cuadro 6.52. Resultados Mdulos Dinmicos diseos MDC-1.____________________ 89

Cuadro 6.53. Resultados Mdulos Dinmicos diseos MDC-2.____________________ 90

Cuadro 6.54. Mxima velocidad de deformacin en m/min en el intervalo de 105 a 120

minutos. ____________________________________________________ 101

Cuadro 6.55. categoras de trfico pesado. ___________________________________ 102

Cuadro 6.56. Resultados Deformacin permanente diseos MDC-1._______________ 103

Cuadro 6.57. Resultados Deformacin permanente diseos MDC-2._______________ 103

Cuadro 6.58. Resultados Ley de Fatiga de Mezclas asflticas, diseos MDC-1. ______ 108

Cuadro 6.59. Resultados Ley de Fatiga de Mezclas asflticas, diseos MDC-2. ______ 109

Cuadro 6.60. Granulometra de Agregados recomendada por el Departamento deTransporte de California para una granulometra discontinua. __________ 113

Cuadro 6.61. Granulometra del Caucho recomendada por el Departamento de Transporte

de California. ________________________________________________ 114

Cuadro 6.62. Granulometra del Caucho utilizada en la modificacin del cemento asfltico

por el proceso hmedo. ________________________________________ 115

Cuadro 6.63. Resultados de viscosidad Brookfield para Apiay con 10% de caucho a 155 y

165C. _____________________________________________________ 121


165C. _____________________________________________________ 121

Cuadro 6.65. Resultados de viscosidad Brookfield para Apiay con 15% de caucho a 155 y165C. _____________________________________________________ 122


165C. _____________________________________________________ 122

Cuadro 6.67. Resultados de viscosidad Brookfield para Barrancabermeja con 15% decaucho a 155 y 165C._________________________________________ 128

Cuadro 6.68. Resultados de viscosidad Brookfield para Barrancabermeja con 20% de

caucho a 155 y 165C._________________________________________ 128

Cuadro 6.69. Resultados de viscosidad Brookfield para el diseo A-13-165-55.______ 134

Cuadro 6.70. Resultados de viscosidad Brookfield para el diseo B-15-155-50.______ 134


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ix


asflticos de A-13-165-55 y B-15-155-50 originales._________________ 137

Cuadro 6.72. Resultados de caracterizacin viscoelstica en el DSR para los cementosasflticos de A-13-165-55 y B-15-155-50 despus del RTFO.__________ 137


asflticos A-13-165-55 y B-15-155-50 despus del PAV. _____________ 138

Cuadro 6.74. Resultados de caracterizacin viscoelstica en el BBR para los cementos

asflticos A-13-165-55 y B-15-155-50 despus del PAV. _____________ 140

Cuadro 6.75. Resultados de ensayos convencionales sobre cemento asfltico modificado

con GCR.___________________________________________________ 141

Cuadro 6.76. Grado de desempeo de los cementos asflticos estudiados. __________ 143

Cuadro 6.77. Resultados porcentaje de vacos en la mezcla total para diferentes contenidosde asfalto-caucho en el diseo por el proceso hmedo. _______________ 146

Cuadro 6.78. Resultados Mdulos Dinmicos para diferentes contenidos de asfalto-cauchoen el diseo por el proceso hmedo. ______________________________ 146

Cuadro 6.79. Resultados Deformacin permanente en el diseo McDonald._________ 155

Cuadro 6.80. Resultados Ley de Fatiga de Mezclas asflticas, diseos McDonald.____ 157

Cuadro 7.1. Mdulos elsticos de las diferentes capas que conforman la estructura delpavimento colocado en el Carrusel de Fatiga._______________________ 162

Cuadro 7.2. Deformaciones mximas obtenidas en la estructura del pavimento en cada

seccin estudiada despus de 210.135 repeticiones de carga.___________ 171

Cuadro 7.3. Deflexiones mximas D0 obtenidas en la estructura del pavimento en cada

seccin estudiada despus de 210.135 repeticiones de carga.___________ 175Cuadro 7.4. Densidad de fisuracin en la estructura del pavimento en cada seccin

estudiada despus de 210.135 repeticiones de carga. _________________ 179

Cuadro 9.1. Nmero de ejes equivalentes de 13 Ton de acuerdo a la probabilidad de falla

para los diseos MDC-1. _______________________________________ 196

Cuadro 9.2. Nmero de ejes equivalentes de 13 Ton de acuerdo a la probabilidad de fallapara los diseos MDC-2. _______________________________________ 197

Cuadro 9.3. Nmero de ejes equivalentes de 13 Ton de acuerdo a la probabilidad de falla

para el diseo McDonald. ______________________________________ 198


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x

LISTA DE TABLAS

Pg.

Tabla 6.1. Procedencia de agregados estudiados. _______________________________ 32

Tabla 8.1. Muestras analizadas_____________________________________________ 182

Tabla 8.2. Compuestos orgnicos identificados en las muestras analizadas __________ 185

Tabla 8.3. Compuestos cuantificados en las muestras analizadas__________________ 188

Tabla 8.4. Niveles de ruido medidos en el Carrusel de Fatiga.____________________ 189

Tabla 9.1. Propiedades de los materiales granulares y de la subrasante. ____________ 192

Tabla 9.2. Propiedades de las mezclas asflticas. ______________________________ 193

Tabla 9.3. Deformacin relativa de traccin por flexin t actuante en la base de la capa

de rodadura___________________________________________________ 194

Tabla 9.4. Fractil de la ley normal centrada.__________________________________ 195

Tabla 9.5. Valores de los coeficientes y parmetros considerados. ________________ 195

Tabla 10.1. Resumen del anlisis de precios unitarios del equipo mnimo necesario para la

fabricacin, colocacin y compactacin de las mezclas asflticas. ________ 201

Tabla 10.2. Resumen del anlisis de precios unitarios para los materiales necesarios para la

fabricacin de las mezclas asflticas. _______________________________ 201Tabla 10.3. Resumen del anlisis de precios unitarios para el transporte de la mezcla

asfltica a una distancia mxima de 30 km. __________________________ 201

Tabla 10.4. Resumen del anlisis de precios unitarios para la mano de obra necesaria para

la fabricacin, colocacin y compactacin de las mezclas asflticas. ______ 202

Tabla 10.5. Resumen de los costos directos, indirectos y totales de las mezclas asflticas.____________________________________________________________ 202

Tabla 11.1. Clculo de Beneficio-costo para los diseos MDC-2, proceso seco.______ 203


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LISTA DE FIGURAS

Pg.

Figura 5.1. Porcentaje en toneladas de la distribucin del aprovechamiento de llantasusadas en la cadena de gestin. ___________________________________ 12

Figura 5.2. Interaccin entre las partculas de Caucho y el cemento asfltico._________ 16

Figura 5.3. Esquema del proceso Ambiental para la molienda de llantas. ____________ 17

Figura 5.4. Esquema del proceso Criognico para la molienda de llantas.____________ 18

Figura 5.5. Esquema de fabricacin de asfalto modificado con caucho por la va hmeda.

____________________________________________________________ 23Figura 5.6. Partcula de caucho antes y despus de ser mezclada con cemento asfltico. 24

Figura 6.1. Curva distribucin granulomtrica agregados, cantera No. 1. ____________ 39

Figura 6.2. Curva distribucin granulomtrica agregados, cantera No. 2. ____________ 39

Figura 6.3. Curva distribucin granulomtrica agregados, cantera No. 3, Arenas.______ 40

Figura 6.4. Curva distribucin granulomtrica agregados, cantera No. 3, Gravillas. ____ 40

Figura 6.5. Curva distribucin granulomtrica agregados, cantera No. 3, Gravas.______ 41

Figura 6.6. Variacin de las fracciones del cemento asfltico no modificado producto del

envejecimiento. _______________________________________________ 50Figura 6.7. Variacin de la viscosidad Brookfield con la temperatura para el cemento

asfltico de Apiay._____________________________________________ 53

Figura 6.8. Variacin de la viscosidad Brookfield con la temperatura para el cementoasfltico de Barrancabermeja. ____________________________________ 53

Figura 6.9. Esquema del equipo DSR. _______________________________________ 54

Figura 6.10. Esquema del funcionamiento del DSR. ____________________________ 55

Figura 6.11. Curva granulomtrica de los Agregados escogida y los lmites para unaMezcla Densa en Caliente tipo 1 establecida por el INVIAS segn el Artculo

450-96.______________________________________________________ 66Figura 6.12. Curva granulomtrica de los Agregados escogida y los lmites para una

Mezcla Densa en Caliente tipo 2 establecida por el INVIAS segn el Artculo450-96.______________________________________________________ 67

Figura 6.13. Curva granulomtrica de los Agregados y caucho para el diseo MDC-1 con1% de caucho. ________________________________________________ 67


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xii



Figura 6.16. Curva granulomtrica de Agregados y caucho para el diseo MDC-2 con 2%de caucho. ___________________________________________________ 69

Figura 6.17. Curva granulomtrica del caucho tal como es suministrada por la firmaRenovadora de Llantas Ltda._____________________________________ 70

Figura 6.18. Curva granulomtrica del caucho utilizada para ser incorporada a las mezclasasflticas por medio de la va seca. ________________________________ 71

Figura 6.19. Variacin del porcentaje de Vacos con aire en la mezcla total respecto alporcentaje de cemento asfltico para los diseos MDC-1. ______________ 76

Figura 6.20. Variacin del porcentaje de Vacos con aire en la mezcla total respecto alporcentaje de cemento asfltico para los diseos MDC-2. ______________ 77

Figura 6.21. Variacin de la Estabilidad Marshall respecto al porcentaje de cementoasfltico para los diseos MDC-1._________________________________ 78

Figura 6.22. Variacin de la Estabilidad Marshall respecto al porcentaje de cementoasfltico para los diseos MDC-2._________________________________ 79

Figura 6.23. Variacin del Flujo Marshall respecto al porcentaje de cemento asfltico paralos diseos MDC-1.____________________________________________ 80

Figura 6.24. Variacin del Flujo Marshall respecto al porcentaje de cemento asfltico paralos diseos MDC-2.____________________________________________ 81

Figura 6.25. Variacin del Peso Unitario respecto al porcentaje de cemento asfltico para

los diseos MDC-1.____________________________________________ 82Figura 6.26. Variacin del Peso Unitario respecto al porcentaje de cemento asfltico para

los diseos MDC-2.____________________________________________ 83

Figura 6.27. Variacin del Porcentaje de Vacos en los agregados minerales respecto alporcentaje de cemento asfltico para los diseos MDC-1. ______________ 84

Figura 6.28. Variacin del Porcentaje de Vacos en los agregados minerales respecto alporcentaje de cemento asfltico para los diseos MDC-2. ______________ 85

Figura 6.29. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin a la frecuencia de aplicacin decarga a una temperatura de 5C, para los diseos MDC-1.______________ 90

Figura 6.30. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin a la frecuencia de aplicacin decarga a una temperatura de 25C, para los diseos MDC-1._____________ 91


Figura 6.32. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin a la frecuencia de aplicacin decarga a una temperatura de 5C, para los diseos MDC-2.______________ 92


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xiii



Figura 6.35. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin a la temperatura, a unafrecuencia de aplicacin de carga de 1 Hz, para los diseos MDC-1. _____ 93


Figura 6.37. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin a la temperatura, a unafrecuencia de aplicacin de carga de 10 Hz, para los diseos MDC-1. ____ 94






Figura 6.43. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin al incremento en el porcentajede caucho, para una temperatura de 5C, en los diseos MDC-1. ________ 97

Figura 6.44. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin al incremento en el porcentaje

de caucho, para una temperatura de 25C, en los diseos MDC-1. _______ 98Figura 6.45. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin al incremento en el porcentaje

de caucho, para una temperatura de 40C, en los diseos MDC-1. _______ 98

Figura 6.46. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin al incremento en el porcentajede caucho, para una temperatura de 5C, en los diseos MDC-2. ________ 99

Figura 6.47. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin al incremento en el porcentajede caucho, para una temperatura de 25C, en los diseos MDC-2. _______ 99

Figura 6.48. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin al incremento en el porcentajede caucho, para una temperatura de 40C, en los diseos MDC-2. ______ 100

Figura 6.49. Progreso de la deformacin permanente, en los diseos MDC-1. _______ 103

Figura 6.50. Progreso de la deformacin permanente, en los diseos MDC-2. _______ 104

Figura 6.51. Curva de Fatiga de los diseos MDC-1. ___________________________ 109

Figura 6.52. Curva de Fatiga de los diseos MDC-2. ___________________________ 110


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xv

Figura 6.71. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin al incremento en el contenido deligante modificado con GCR, para una temperatura de 25C, en los diseosMcDonald.__________________________________________________ 148

Figura 6.72. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin al incremento en el contenido deligante modificado con GCR, para una temperatura de 40C, en los diseos

McDonald.__________________________________________________ 148Figura 6.73. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin a la frecuencia de aplicacin de

carga a una temperatura de 5C, para los diseos McDonald. __________ 149

Figura 6.74. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin a la frecuencia de aplicacin decarga a una temperatura de 25C, para los diseos McDonald. _________ 149

Figura 6.75. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin a la frecuencia de aplicacin decarga a una temperatura de 40C, para los diseos McDonald. _________ 150

Figura 6.76. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin a la temperatura, a unafrecuencia de aplicacin de carga de 1 Hz, para los diseos McDonald. __ 150

Figura 6.77. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin a la temperatura, a unafrecuencia de aplicacin de carga de 4 Hz, para los diseos McDonald. __ 151

Figura 6.78. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin a la temperatura, a unafrecuencia de aplicacin de carga de 10 Hz, para los diseos McDonald. _ 151

Figura 6.79. Variacin del Mdulo Dinmico con relacin a la temperatura, a unafrecuencia de aplicacin de carga de 16 Hz, para los diseos McDonald. _ 152

Figura 6.80. Variacin del porcentaje de Vacos con aire en la mezcla total respecto alporcentaje de asfalto-caucho para el diseo McDonald. _______________ 153

Figura 6.81. Variacin del Mdulo Dinmico a 25C respecto al porcentaje de asfalto-

caucho para el diseo McDonald. ________________________________ 153Figura 6.82. Variacin del Peso unitario respecto al porcentaje de asfalto-caucho para el

diseo McDonald. ____________________________________________ 154

Figura 6.83. Variacin del Peso especfico mximo respecto al porcentaje de asfalto-caucho para el diseo McDonald. ________________________________ 154

Figura 6.84. Progreso de la deformacin permanente, en los diseos McDonald yBarrancabermeja._____________________________________________ 155

Figura 6.85. Curva de Fatiga de los diseos McDonald._________________________ 157

Figura 7.1. Esquema de la estructura del pavimento colocado en el Carrusel de Fatiga. 161

Figura 7.2. Distribucin de la frecuencia de circulacin del Carrusel de Fatiga. ______ 167

Figura 7.3. Esquema de los ejes por los cuales circula el Carrusel de Fatiga. ________ 167

Figura 7.4. Esquema de los ejes por en el Carrusel de Fatiga. ____________________ 168

Figura 7.5. Comparacin de las curvas de deformacin medidas en el eje 1, diseo MDC-2sin caucho.__________________________________________________ 171


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xvi



Figura 7.8. Comparacin de las curvas de deformacin medidas en el eje 4, diseo MDC-2con caucho. _________________________________________________ 173

Figura 7.9. Comparacin de las curvas de deformacin medidas en el eje 5, diseo MDC-2con caucho. _________________________________________________ 173

Figura 7.10. Comparacin de las curvas de deformacin medidas en el eje 6, diseo MDC-2 con caucho.________________________________________________ 174

Figura 7.11. Comparacin de la variacin del radio de curvatura calculado respecto alnmero de ejes, para las dos estructuras.___________________________ 176

Figura 7.12. Comparacin de la variacin de la deflexin D0 medida respecto al nmero deejes, para las dos estructuras.____________________________________ 176

Figura 7.13. Comparacin del factor RcxD0 calculado respecto al nmero de ejes, para lasdos estructuras. ______________________________________________ 177

Figura 8.1 Montaje en SPME para muestreo Head-space________________________ 183

Figura 8.2. Sumatoria de reas en muestras analizadas. _________________________ 187

Figura 8.3. Comparacin concentracin total de compuestos cuantificados.__________ 188

Figura 8.4. Lectura de niveles de ruido. _____________________________________ 189

Figura 8.5. Niveles de ruido en el pavimento, niveles altos. ______________________ 190

Figura 8.6. Niveles de ruido en el pavimento, niveles bajos.______________________ 190

Figura 9.1. Estructura supuesta para el clculo de la vida til. ____________________ 193

Figura 9.2. Vida til en ejes de 13 Ton de acuerdo a la probabilidad de falla, para losdiseos MDC-1.______________________________________________ 196

Figura 9.3. Vida til en ejes de 13 Ton de acuerdo a la probabilidad de falla, para losdiseos MDC-2.______________________________________________ 197

Figura 9.4. Vida til en ejes de 13 Ton de acuerdo a la probabilidad de falla, para losdiseos McDonald. ___________________________________________ 198

Figura 11.1. Valor de los costos directos por nmero de ejes equivalentes para las mezclasasflticas mejoradas con caucho._________________________________ 204


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LISTA DE FOTOGRAFAS

Pg.

Fotografa 4.1. Pavimento asfltico modificado con caucho realizado en la ciudad deVentura, Estado de California EE.UU..___________________________ 5

Fotografa 5.1. Aspecto de un botadero de llantas desechadas. _____________________ 9

Fotografa 5.2. Aplicacin de asfalto-caucho en un tratamiento superficial. __________ 27

Fotografa 6.1. Ensayo SARA en cromatografa lquida de columna. _______________ 51

Fotografa 6.2. Ensayo de DSR, disco de 25 mm._______________________________ 56

Fotografa 6.3. Remetro de viga a flexin BBR._______________________________ 58Fotografa 6.4. Ensayo de Ductilidad.________________________________________ 61

Fotografa 6.5. Ensayo de Densidad en cementos asflticos. ______________________ 61

Fotografa 6.6. Ensayo de Penetracin en cementos asflticos. ____________________ 62

Fotografa 6.7. Ensayo de Punto de ablandamiento con anillo y bola al cemento asfltico._________________________________________________________ 62

Fotografa 6.8. Ensayo de pelcula delgada en horno rotatorio RTFO._______________ 63

Fotografa 6.9. Botellas con cemento asfltico despus del ensayo de pelcula delgada en

horno rotatorio RTFO._______________________________________ 63Fotografa 6.10. Cmara de envejecimiento a presin PAV. ______________________ 64

Fotografa 6.11. Bandejas con cemento asfltico despus del ensayo de envejecimiento enla cmara a presin PAV. ____________________________________ 64

Fotografa 6.12. Ensayo Estabilidad y Flujo Marshall.___________________________ 75

Fotografa 6.13. Evaluacin de Mdulos Dinmicos de mezclas asflticas en la MTS.__ 87

Fotografa 6.14. Probetas de concreto asfltico compactadas en la PCG para evaluarMdulos Dinmicos. ________________________________________ 89

Fotografa 6.15. Equipo para medir la deformacin permanente en mezclas asflticas,

mediante el ensayo WTT. ___________________________________ 101Fotografa 6.16. Medicin de la deformacin permanente de una mezcla asfltica MDC-2

con 1% de caucho._________________________________________ 102

Fotografa 6.17. Ahuellamiento en una probeta MDC-1 con 0% de caucho despus delensayo de Deformacin permanente mediante el ensayo WTT.______ 105


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xviii






Fotografa 6.23. Probetas para el ensayo de resistencia a la fatiga. ________________ 111

Fotografa 6.24. Equipo para el ensayo de resistencia a la fatiga.__________________ 111

Fotografa 6.25. Aspecto de la mezcla asfalto caucho en el proceso de mezclado;

corresponde a un cemento asfltico de Apiay con 10% de caucho a 155C.________________________________________________________ 116

Fotografa 6.26. Control de la temperatura en el proceso de mezclado del cemento asflticocon el caucho. ____________________________________________ 117

Fotografa 6.27. Equipo de mezclado del cemento con GCR. ____________________ 118

Fotografa 6.28. Muestras de cemento asfltico de Apiay con 10% de caucho despus delproceso de mezclado, cada una corresponde a un tiempo de reaccindiferente. ________________________________________________ 118

Fotografa 6.29. Viscosmetro Rotacional Brookfield Modelo RVTDV - II. _________ 120

Fotografa 6.30. Cemento asfltico de Apiay modificado con 10% de Caucho a 155C. 124Fotografa 6.31. Cemento asfltico de Apiay modificado con 10% de Caucho a 165C. 125

Fotografa 6.32. Cemento asfltico de Apiay modificado con 13% de Caucho a 155C. 125






Fotografa 6.38. Cemento asfltico de Barrancabermeja modificado con 15% de Caucho a155C. __________________________________________________ 130




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xix


Fotografa 6.42. Cemento asfltico de Apiay modificado con 13% de Caucho a 165C conun tiempo de reaccin de 55 min., diseo A-13-165-55. ___________ 132

Fotografa 6.43. Cemento asfltico de Barrancabermeja modificado con 15% de Caucho a155C con un tiempo de reaccin de 50 min., diseo B-15-155-50.___ 133

Fotografa 6.44. Ensayo de Ahuellamiento en una probeta McDonald con 7% de ligante B-15-155-50. _______________________________________________ 156

Fotografa 7.1. Carrusel de Fatiga de la Universidad de Los Andes. _______________ 160

Fotografa 7.2. Colocacin y compactacin material granular.____________________ 162

Fotografa 7.3. Control de compactacin del material granular mediante densmetronuclear. _________________________________________________ 163

Fotografa 7.4. Grano de Caucho Reciclado y finos de trituracin. ________________ 164

Fotografa 7.5. Premezclado del GCR y los finos de trituracin. __________________ 165Fotografa 7.6. Colocacin de la mezcla asfltica. _____________________________ 166

Fotografa 7.7. Compactacin. ____________________________________________ 166

Fotografa 7.8. Control de temperatura del pavimento.__________________________ 169

Fotografa 7.9. Control de la deformacin permanente. _________________________ 169

Fotografa 7.10. Medicin de deflexiones estticas. ____________________________ 170

Fotografa 7.11. Ahuellamiento en el tramo con MDC-2 sin caucho, despus de 210.000repeticiones de carga. ______________________________________ 174

Fotografa 7.12. Presencia de finos sobre la carpeta de rodadura provenientes de la capagranular._________________________________________________ 178

Fotografa 7.13. Presencia de finos sobre la carpeta de rodadura provenientes de la capagranular._________________________________________________ 178

Fotografa 7.14. Fisuracin en el tramo con MDC-2 sin caucho, despus de 210.000repeticiones de carga. ______________________________________ 180

Fotografa 7.15. Fisuracin en el tramo con MDC-2 con caucho, despus de 210.000repeticiones de carga. ______________________________________ 180

Fotografa 8.1. Exposicin de la fibra de SPME en el puerto de inyeccin del

Cromatgrafo de gases con detector selectivo de masas. ___________ 184


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LISTA DE ANEXOS

ANEXO A. DEFINICIONES

ANEXO B. PROCEDIMIENTO PARA LA ELABORACION DE LA MEZCLASASFALTICAS MEJORADAS CON GCR POR EL PROCESO SECO ENLABORATORIO

ANEXO C. ANEXO FOTOGRFICO CARRUSEL DE FATIGA

ANEXO D. CROMATOGRAMAS DE COMPUESTOS ORGNICOS VOLTILES

ANEXO E. RESULTADOS DEL ANLISIS EN Depav DE LAS DIFERENTESESTRUCTURAS DE PAVIMENTO ESTUDIADAS

ANEXO F. ANLISIS DE PRECIOS UNITARIOS PARA LAS MEZCLASASFLTICAS MEJORADAS CON CAUCHO

ANEXO G. ESPECIFICACIONES PARA LA APLICACIN DEL GCR EN MEZCLASASFLTICAS EN CALIENTE


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1

1 RESUMEN

El Instituto de Desarrollo Urbano, IDU, contrat a la Universidad de Los Andes para

adelantar el Estudio de las mejoras mecnicas de mezclas asflticas con desechos de

llantascomo parte de un programa de investigacin para mejorar el comportamiento de las

mezclas bituminosas que se colocan en la ciudad de Bogot.

Actualmente existen dos procesos usados en la elaboracin de concreto asfltico en los que se

incorpora desecho de llantas usadas, denominados como proceso hmedo y proceso seco.

Estudios previos realizados con caucho natural y sinttico en algunos pases como Estados

Unidos, Espaa, Sudfrica, entre otros, demostraron que el caucho sinttico es el ms

apropiado para este uso particular, el cual es obtenido de forma econmicamente viable

empleando llantas desechadas que deben ser molidas hasta obtener tamaos de partcula

apropiados, este caucho molido recibe el nombre de grano de caucho reciclado GCR.

En consecuencia, el presente estudio tiene como objetivo principal establecer de manera

confiable la metodologa a seguir para mejorar las propiedades mecnicas y de durabilidad

de las mezclas asflticas con caucho producto del desecho de llantas usadas, contribuyendo

adems con la solucin del problema ambiental que estas generan al finalizar su vida til

por ser un residuo difcil de eliminar.

El presente estudio abarca desde la caracterizacin de los materiales involucrados, el diseo

y estudio de las propiedades mecnicas de las mezclas asflticas mejoradas con caucho, la

evaluacin de las mejoras en la vida til del pavimento, estimacin de la mitigacin del

impacto ambiental, clculo de la relacin beneficio-costo, y elaboracin de especificaciones

tcnicas.


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2

2 ANTECEDENTES

Este trabajo de investigacin se desarroll como parte delProyecto de Transporte Urbano

para Santa Fe de Bogot, en donde el Instituto de Desarrollo Urbano, IDU, invit a la

Universidad de Los Andes para que participara por medio de licitacin pblica en la

ejecucin del Estudio de las mejoras mecnicas de mezclas asflticas con desechos de

llantas,cuya interventora estuvo a cargo por la Direccin Tcnica de Malla Vial del IDU.

Este proyecto est basado en un estudio previo del Distrito Capital sobre el aspecto

ambiental de los desechos slidos, donde el manejo de las llantas usadas generadas por el

parque automotor de Santa Fe de Bogot recibi especial atencin. Una de las

conclusiones del estudio en mencin es el despiece y trituracin de llantas usadas y su

incorporacin en las mezclas asflticas.


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3

3 METODOLOGA

Inicialmente se realiz una bsqueda exhaustiva de informacin relacionada con mtodos

modernos para el diseo y construccin de vas haciendo uso de asfaltos modificados,

considerando especialmente la alternativa de utilizacin de mezclas asflticas mejoradas

con caucho. Igualmente se recopil informacin existente relacionada con nuevas

tecnologas orientadas al proceso del caucho proveniente de llantas usadas y sus

aplicaciones en las mezclas asflticas. Mucha de esta informacin se obtuvo de

asociaciones internacionales como Rubber Pavement Association, International Society for

Asphalt Pavements, e informacin contenida en las memorias del Congreso Internacional

Asphalt Rubber 2000 realizado en Vilamoura, Portugal, en Noviembre del ao 2000, entre

otros documentos.

En el proceso de mejoramiento del cemento asfltico se estudiaron las condiciones de incorporacin

por va hmeda del GCR a dos cementos asflticos nacionales. Mediante este proceso se pretende

modificar el ligante para fabricar posteriormente mezclas asflticas en caliente. Para el proceso de

mejoramiento de las mezclas asflticas por va seca se estudi la incorporacin del GCR como un

agregado fino manteniendo los husos granulomtricos convencionales. Estas mezclas asflticas se

analizaron bajo una perspectiva mecnica y volumtrica.

Seguido al proceso de recopilacin de informacin se continu con la etapa de laboratorio

en la cual se evaluaron las propiedades mecnicas de las mezclas asflticas mejoradas con

caucho, y el efecto en la vida til que esta aporta al pavimento. Posteriormente con base en

las mejores condiciones logradas se decidi probar a escala real los resultados obtenidos en

laboratorio mediante el empleo del carrusel de fatiga.

Como resultado de todo el proceso se elaboraron las especificaciones tcnicas generales

para el empleo del GCR en la elaboracin de mezclas asflticas.


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4

4 INTRODUCCIN

Tres de los problemas ms comunes que se presentan en los pavimentos asflticos son el

fisuramiento por fatiga, el ahuellamiento, y los que corresponden a la adherencia agregado-

ligante, situacin que disminuye la vida til del pavimento e incrementa los costos de

mantenimiento y operacin vehicular.

Como respuesta a la necesidad de incrementar la competitividad de los pavimentos, y

tratando de minimizar los factores que inciden en l, es necesario mejorar las caractersticas

del cemento asfltico mediante la utilizacin racional y tcnica de modificadores. Este

procedimiento representa un cambio en la filosofa tradicional de disear mezclas asflticas

que se ajusten al ligante, ya que por el contrario se disea un ligante bituminoso para que

satisfaga una necesidad y que representa una solucin a un problema especfico. Esta

modificacin podr incluir mejoras en una disminucin en la susceptibilidad trmica del

ligante por la incorporacin de grupos polares ms estables, los cuales lo protegen de la

oxidacin y mejoran el comportamiento de la mezcla asfltica ante la accin del agua,

asunto este que adems depende de las caractersticas del material ptreo.

Este trabajo de investigacin se enfoca en el empleo del GCR como modificador del ligante

y como mejorador de la mezcla asfltica para su uso en la construccin de pavimentos

flexibles y semirgidos. Los beneficios que ste aporta a los pavimentos, y a los cuales se

espera llegar con esta investigacin, podrn verse reflejados en una disminucin de

espesores en las capas asflticas con respecto a pavimentos asflticos con materiales

convencionales para una misma vida til establecida. Esto se debe a que el caucho bien

dosificado en las mezclas asflticas mejora la resistencia al fisuramiento por fatiga y evita

el ahuellamiento del pavimento a altas temperaturas, aumentando la vida til del mismo y

disminuyendo los costos de mantenimiento. Por otro lado mejora el agarre de los

neumticos de los vehculos al pavimento, reduce el envejecimiento por oxidacin del


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5

ligante, ayuda a la preservacin del medio ambiente, y a disminuir el ruido generado por el

trfico al contacto con el pavimento.

Entre las desventajas se encuentran, para la va hmeda, un mayor costo inicial por las

modificaciones necesarias a los equipos o plantas asflticas y un aumento en la temperatura

de mezclado, y para la va seca un mayor tiempo de compactacin en obra. Adems existen

otras desventajas como la falta de especificaciones y los problemas potenciales para reciclar

estos productos, asunto que debe ser objeto de un programa de investigacin.

Fotografa 4.1. Pavimento asfltico modificado con caucho realizado en la ciudad deVentura, Estado de California EE.UU.. Tomado de Proceedings of the Asphalt Rubber 2000

Conference.

En general se espera que los ligantes y las mezclas asflticas mejoradas con caucho superen

en desempeo a los productos convencionales. Sin embargo, un registro de su

comportamiento mediante ensayos de laboratorio es limitado para justificar plenamente esta

tendencia. Por esta razn es necesario extender su estudio al trabajo de campo para


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6

determinar con mayor precisin el beneficio que aporta la incorporacin del GCR, y poder

establecer las respectivas especificaciones de diseo.

El costo inicial de la mezcla asfltica mejorada con caucho resulta ser ms alto que el de

una mezcla asfltica convencional; para recuperar esta inversin la vida til del pavimento

mejorado con caucho se debe incrementar en relacin a la de un pavimento con materiales

convencionales. Se ha encontrado que el proceso seco es mucho ms econmico que el

hmedo por no requerir modificaciones en la planta de mezclado. Actualmente el costo en

la elaboracin de mezclas asflticas mejoradas con caucho mediante el proceso seco es

mnimo entre todas las tecnologas disponibles; adicional a esto, presenta la ventaja de que

su proceso de mezclado es muy similar al convencional. Por lo tanto, este sistema parece

tener la mejor perspectiva para aplicaciones comerciales a nivel nacional. As, para

aumentar el nivel de certeza, se debe seguir investigando y dar a conocer el amplio uso que

el GCR tiene en la mejora de mezclas asflticas y en la modificacin de ligantes que

proporcionan ventajas econmicas y tcnicas.


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7

5 MARCO TERICO

5.1 ASPECTOS GENERALES

Ingenieros de vas alrededor del mundo han experimentado incorporando GCR en

pavimentos asflticos desde la dcada de los cincuenta. Algunos de estos primeros

experimentos involucraron la adicin de caucho natural con el objetivo de aprovechar su

flexibilidad en una superficie de pavimento eficiente y duradera. La labor fue difcil

arrojando resultados iniciales que proporcionaban pequeos o nulos beneficios; el resultado

fue un pavimento asfltico modificado con un mayor costo y una vida de servicio ms corta

que la de uno convencional. Slo hasta la dcada de los sesenta se encontr una

formulacin que result ser satisfactoria.

En pases de los cinco continentes el empleo de GCR ha dado buenos resultados, y su uso

se ha venido incrementando con el tiempo gracias al apoyo e inters de entidades pblicas y

centros de investigacin.

5.1.1 Caractersticas fisicoqumicas de las llantas. Las principales materias primas

utilizadas en la fabricacin de llantas son cauchos naturales y sintticos (SBS, SBR), acero,

textiles y aditivos, entre los que se destacan el negro de humo, aceites, xido de zinc

activado con cadmio, dixido de titanio, sulfuro, slica, resinas fenlicas y cidos grasos.

La materia base del caucho natural es el ltex que se da en la Hevea mas conocido como

rbol del caucho. Las cualidades que el caucho natural aporta a las llantas son: la

maleabilidad, gran resistencia mecnica y adherencia de estas sobre cualquier tipo de


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8

superficie, cualidades que hacen que todava hoy siga siendo un elemento indispensable

para la industria de las mismas, donde se consume aproximadamente el 70% de la

produccin mundial. En el ligante modificado con GCR el aporte del ltex de las llantas se

traduce en un mejor comportamiento elstico.

El caucho sinttico fue desarrollado durante la segunda guerra mundial a travs del

programa americano GRS (Government Rubber Stock) para contrarrestar la falta del

caucho natural, los cauchos sintticos ofrecen cada da mayores posibilidades de

formulacin. Estos elastmeros derivados del petrleo han permitido mejorar las

caractersticas de las llantas, en particular prolongar su vida til y aumentar su nivel de

adherencia. Cuando se incorporan en los ligantes asflticos mejoran la susceptibilidad

trmica y en general sus caractersticas reolgicas proporcionando un cemento asfltico no

tan fluido a elevadas temperaturas ni tan viscoso a bajas.

El negro de humo es obtenido por combustin o descomposicin trmica parcial de gases

naturales o hidrocarburos pesados. Este elemento en las llantas permite conseguir unas

mezclas ms resistentes a la rotura y a la abrasin, dndoles el caracterstico color negro.

En el ligante acta como un agente inhibidor del envejecimiento, lo que prolonga la

capacidad cohesiva del mismo en el tiempo.

La slice es obtenida de la arena que al ser asociada con un elastmero sinttico especfico,

gracias a un agente de enlace y a un proceso especial de mezclado, da como resultado

mezclas que permiten elaborar unas llantas que presentan baja resistencia al rodamiento y

buena adherencia en superficies fras, sin perder los niveles de resistencia al desgaste del

negro de humo.

Dentro de los procesos de fabricacin de llantas se encuentra el vulcanizado, el cual

consiste en ligar las cadenas de elastmeros entre s por reaccin con el azufre bajo la

accin del calor. Durante este proceso la mezcla de elastmeros pasa de un estado plstico

a uno elstico.


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9

5.1.2 Las llantas desechadas. Cada ao millones de llantas son desechadas en todo el

mundo. Las llantas viejas son visualmente contaminantes, atentan contra la salud pblica y

generan peligro por ser generadoras de incendios; por otro lado se presenta inconvenientes

con su disposicin final, ya que por ser considerada un desecho slido deben ser enterradas,

almacenadas, o destruidas por incineracin.

Fotografa 5.1. Aspecto de un botadero de llantas desechadas. Tomado de:http://www.ces.clemson.edu/arts/.

La quema directa provoca graves problemas medioambientales ya que produce emisin de

gases que contienen partculas nocivas para el entorno. El almacenamiento ocupa un

espacio considerable causando prdida de recursos y desperdicio de energa. En los

rellenos sanitarios imposibilitan la compactacin y ocasionan problemas de estabilidad por

la degradacin qumica parcial que sufren, generando inseguridad en los mismos. En las

montaas de llantas la proliferan roedores, insectos y otros animales dainos, y la

reproduccin de mosquitos, que transmiten por picadura fiebres y encefalitis, llega a ser

4.000 veces mayor en el agua estancada de una llanta que en la naturaleza.


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10

En la actualidad se utilizan diversos mtodos para recuperar algunos de los materiales

presentes en las llantas desechadas, y para destruir sus componentes peligrosos, estos son

algunos:

Termlisis: se trata de un sistema en el que se somete a los materiales de residuos de

llantas a un calentamiento en un medio en el que no existe oxgeno. Las altas temperaturas

y la ausencia de oxgeno tienen como efecto destruir los enlaces qumicos.

Pirolisis: este proceso, que se encuentra an en fase de investigacin, presenta problemas

tcnicos en la separacin de la gran cantidad de compuestos carbonados que se producen en

su desarrollo, resultando muy costoso.

Incineracin: proceso mediante el cual se produce la combustin de los materiales

orgnicos de las llantas a altas temperaturas en hornos con materiales refractarios de alta

calidad. Es un proceso costoso que presenta inconvenientes en las diferentes velocidades

de combustin de los componentes y la necesidad de depuracin de los residuos, por lo que

es difcil de controlar, resultando contaminante. Genera calor que puede ser usado como

energa, ya que se trata de un proceso exotrmico. Con este mtodo, los productos

contaminantes que se producen en la combustin son perjudiciales para la salud humana,

entre ellos el monxido de carbono, holln de xileno, xidos de nitrgeno, dixido de

carbono, xidos de zinc, benceno, fenoles, dixido de azufre, xidos de plomo, tolueno,

entre otros. El holln contiene cantidades importantes de hidrocarburos aromticos

policclicos altamente cancergenos. El zinc es particularmente txico para la fauna

acutica. Muchos de estos compuestos son solubles en el agua, por lo que pueden pasar a

la cadena trofica y de ah a los seres humanos.

Trituracin criognica: este mtodo requiere instalaciones muy complejas que lo hace

poco rentable. De igual manera el mantenimiento de la maquinaria y del proceso resultan

difciles. La baja calidad de los productos obtenidos y la dificultad fsica y econmica para

filtrar y separar el caucho del metal y los textiles que forman la llanta provoca que este

sistema sea poco recomendable.


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11

Trituracin mecnica: por ser un proceso puramente mecnico los productos resultantes

son de alta calidad y limpios de todo tipo de impurezas, facilitando la utilizacin de estos

materiales en nuevos procesos y aplicaciones. La trituracin con sistemas mecnicos

generalmente es el paso previo en los diferentes mtodos de recuperacin y rentabilizacin

de los residuos de llantas.

Segn el DAMA1, el mayor volumen de llantas usadas generadas por el parque automotor

en Bogot se utiliza para aprovechamiento energtico, fundamentalmente como

combustible en los hornos de produccin de panela en el noroccidente de Cundinamarca.

Un menor volumen se lleva a labores de reencauche, y una cantidad mnima es usada en

actividades de regrabado, uso artesanal, entre otros. En la Figura 5.1 se ilustra la tendencia

del uso de llantas desechadas en Bogot, de acuerdo al estudio realizado por OCADE para

el DAMA.

Este estudio concluye con cuatro alternativas ambientales que mejor se acomodan a nuestro

medio para el uso de llantas desechadas, siendo de mayor viabilidad las dos ltimas ya que

las dos primeras generan emisin de compuestos orgnicos voltiles por la incineracin de

las mismas, estas alternativas son:

1. Aprovechamiento energtico y materia prima para hornos en la industria cementera,

como fundamento en el uso de llantas usadas como combustible alterno al carbn en

funcin de su potencial calorfico.

2. Aprovechamiento energtico en termoelctricas, utilizando el poder calorfico de llantas

usadas para generar energa elctrica.

3. Su utilizacin como materia prima para la produccin de pavimento asfltico, con base

en la adicin de caucho pulverizado durante la fabricacin del mismo.

1COLOMBIA, Departamento Tcnico Administrativo del Medio Ambiente. Diagnstico

ambiental sobre el manejo actual de llantas y neumticos usadas generadas por el parque

automotor de Bogot. En Gestin de residuos en Bogot. Bogot D.C. : DAMA, 2000. p.

51-69


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12

4. Suministro de materia prima para productos de caucho, entre los cuales estn los

moldeados, las alfombras, entre otros.

Figura 5.1. Porcentaje en toneladas de la distribucin del aprovechamiento de llantasusadas en la cadena de gestin. Tomado de: Diagnstico ambiental sobre el manejo actual de llantas

y neumticos usadas generadas por el parque automotor de Bogot.

Con base en una priorizacin de las alternativas entre las cuales se consideraron los

aspectos econmicos, tecnolgicos, sociales y ambientales, la Unin Temporal OCADE

Ltda estableci la alternativa de suministro de materias primas como la mejor opcin,

dentro de la cual cabe la opcin de su utilizacin en la construccin de pavimentos

asflticos.

5.1.3 Aplicacin del GCR en los pavimentos. El caucho de llantas usadas puede ser

incorporado en las mezclas asflticas por medio de dos mtodos diferentes denominados

como proceso hmedo y proceso seco. En el proceso hmedo, el caucho acta modificando

el cemento asfltico, mientras que en el proceso seco, el caucho es usado como una porcin

del agregado fino. Cada proceso es utilizado dependiendo del producto que se quiera

obtener, existiendo para cada uno diferentes tecnologas, como se muestra a continuacin.


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Cuadro 5.1. Terminologa asociada con el uso del GCR en mezclas asflticas.MATERIAL PROCESO TECNOLOGIA PRODUCTO

Bachadas

ContinuaHmedo

Terminal

Asfalto modificado con caucho Asfalto-caucho

PlusRideGenrica

GCR

Seco

Convencional

Mezcla asfltica mejoradas con

caucho

El caucho para ser utilizado como materia prima en la elaboracin de mezclas asflticas es

reciclado de las llantas desechadas y disminuido en tamao por trituracin mecnica. El

GCR debe ser de contextura fina en tamaos menores a 6.3 mm (1/4). Los mtodos para

la produccin del GCR imparten diferentes caractersticas en cuanto a la forma y textura del

grano de caucho. Las tcnicas de molienda ms comunes son el proceso ambiental y

criognico.

Una de las principales caractersticas que presenta el cemento asfltico modificado con

GCR es el aumento en la viscosidad de la mezcla resultante; esto hace que la mezcla

asfalto-caucho sea ms flexible a bajas temperaturas mientras que a altas temperaturas logra

que sea menos plstica. Entre los principales beneficios logrados en los pavimentos se

encuentran las mejoras en la deformacin permanente, la fatiga, y la resistencia al

fisuramiento a bajas temperaturas.

Pases como Estados Unidos se dieron a la tarea de buscar una solucin a la disposicin

final de las llantas desechadas. En este pas algunos Estados han reglamentado el uso del

GCR como material para mejorar los pavimentos asflticos; es as como un determinado

porcentaje de GCR se viene usando en las mezclas asflticas colocadas desde 1994,

iniciando ese ao con un 5 por ciento y llegando hasta un 20 por ciento en 1997.

California, Florida y Arizona lideraron esta campaa cuyo objetivo inicial se fundament

en aspectos ambientales, pero que poco a poco al evaluar las propiedades y beneficios que

se adquiran en los pavimentos con estudios de laboratorio y campo, se propusieron

incentivar a los contratistas de vas mediante un mandato que otorgaba beneficios


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econmicos a aquellos que utilizaran el GCR en la elaboracin de mezclas asflticas, por el

contrario, si no se cumpla con el mandato, eran penalizados con la prdida del porcentaje

equivalente a la ayuda federal. Este mandato se puso en marcha gracias a la informacin

suministrada por el Ministerio de transporte estadounidense USDOT y la Agencia de

proteccin del medio ambiente EPA en un informe al Congreso estadounidense en el que se

indicaba la factibilidad del empleo de GCR en mezclas asflticas.

Mezclas asflticas y sellantes modificados con caucho fueron usados por primera vez en la

Repblica de Sudfrica en 1983. En los ltimos 15 aos se han colocado ms de 150.000

Ton de asfalto modificado con caucho en este pas. Muchos estudios de campo y

laboratorio se han adelantado en Sudfrica haciendo uso de la experiencia adquirida por el

estado de California en los Estados Unidos.

Dependiendo del proceso utilizado, el costo de usar GCR en las mezclas asflticas puede

llegar a superar al de las elaboradas con materiales convencionales. El proceso por va seca

demanda mas cantidad de ligante, requiere un procedimiento especial para la adicin del

GCR, y un mayor tiempo de compactacin en obra. El proceso por va hmeda requiere

nuevos equipos en planta, como la unidad de mezclado y almacenamiento del asfalto-

caucho, cambio de bombas y tuberas, y energa adicional para calentar la mezcla a

mayores temperaturas con tiempos de reaccin prolongados.

El caucho sinttico se ha convertido en un recurso muy popular y econmico en la

elaboracin de mezclas asflticas gracias al creciente aumento de llantas desechadas en

reas metropolitanas. Algunas de las ventajas y desventajas en el uso del GCR sinttico

para mejorar mezclas asflticas se presentan a continuacin.

Entre las ventajas estn:

1. El caucho molido al ser vulcanizado para resistir calor y sobrecalentamiento elimina los

problemas encontrados con el polmero virgen.


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2. No presenta solubilidad, a diferencia del caucho natural este no cambia dentro del

cemento asfltico al ser sobrecalentado.

3. Al ser mezclado con el cemento asfltico a altas temperaturas atrae componentes

livianos de este ltimo hasta producir una partcula hinchada que se enlaza dentro de la

matriz del ligante, generando un manto asfalto-caucho ms resistente al fisuramiento.

4. El GCR posee valiosos componentes que pueden contribuir al buen desempeo del

asfalto. Algunos de estos son:

Negro de humo: este componente se destaca por su accin especfica contra el

desgaste de las llantas al contacto con la superficie, permitiendo quintuplicar la

duracin de la llanta. Considerado como un antioxidante, este componente reduce el

desgaste de la llanta al incrementar la durabilidad del caucho. En la mezcla asfltica ha

demostrado aumentar las propiedades de refuerzo del ligante y ayudar a disminuir su

envejecimiento.

Antioxidantes: compuestos que retardan el deterioro del caucho natural causado por la

oxidacin. Algunas de las sustancias usadas son los estabilizadores del caucho

sinttico, principalmente de los polmeros de butadieno, en el momento de la

preparacin, y cuando se usan de este modo se denominan estabilizadores. el GCR

contiene ms del 20 por ciento de este compuesto.

Aminas: son adicionadas durante el proceso de vulcanizado y estn estrechamente

relacionadas con los compuestos de antiadherencia. Las aminas aromticas evitan el

endurecimiento progresivo del caucho, el aumento de su fragilidad y la prdida de la

elasticidad.

Aceites aromticos: estos son similares a los agentes rejuvenecedores los cuales

prolongan la vida del asfalto-caucho.


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Las desventajas encontradas son:

1. La captacin de aceites del cemento asfltico por parte de las partculas de caucho

afecta adversamente las propiedades de cohesividad y adhesividad del ligante, haciendo

que disminuya la propiedad de la mezcla a unirse con las superficies de la estructura del

pavimento o con los agregados. Este problema se puede solucionar usando de ligantes

mas blandos ricos en aceites, sin embargo, la mezcla resultante podra ser muy blanda y

delicada.

2. Al modificar el ligante con GCR la mezcla resultante experimenta un incremento en la

viscosidad hacindola no apta para ser usada en ciertas aplicaciones que requieren que

este ligante sea bien fluido. Este problema se puede solucionar ablandando la mezcla

asfalto-caucho con el uso de kerosn.

Figura 5.2. Interaccin entre las partculas de Caucho y el cemento asfltico. Tomadode: http://www.asphalt.com/emulsions/rubber.html.


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5.1.3.1 Proceso ambiental. La molienda ambiental puede ser lograda de dos modos: por

granulacin y por molienda. El proceso ambiental describe la temperatura del caucho o del

trozo de llanta para ser reducida de tamao. Normalmente el material entra en el molino o

granulador a temperatura ambiente aumentando considerablemente durante el proceso

debido a la friccin generada al ser desgarrado. Los granuladores reducen el tamao del

caucho mediante corte por la accin de cuchillas. El tamao de producto es controlado por

tamices ubicados dentro de la mquina, los cuales pueden ser cambiadas para variar el

tamao de producto final.

Figura 5.3. Esquema del proceso Ambiental para la molienda de llantas. Tomado de:http://www.scraptirenews.com/areas/crumb/process.html

Tanto los molinos primarios, secundarios y finales son muy similares, y su forma de

operacin tiene bsicamente el mismo principio, estos usan dos rodillos grandes de giro con

dentaduras que cortan el material, ubicadas en uno o ambos rodillos. La diferencia de los

rodillos est en la configuracin que se les da; estos funcionan cara a cara muy juntos y con


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velocidades diferentes. El tamao de producto es controlado por el espacio libre entre los

rodillos. El caucho por lo general es pasado por 2 y 3 molinos para alcanzar varias

reducciones del tamao del grano, y as poder separarlo de los otros componentes como

fibras y acero que se encuentran en las llantas. Las partculas de caucho producidas en

molinos tienen formas tpicas alargadas, angostas, y con una alta superficie de rea.

5.1.3.2 Proceso criognico. Este proceso se refiere al empleo de nitrgeno lquido u

otros materiales mtodos para congelar trozos de llanta o granos de caucho antes de la

reduccin de tamao, hacindolo quebradizo como un cristal a temperaturas por debajo de -

-80F (-62C).

Figura 5.4. Esquema del proceso Criognico para la molienda de llantas. Tomado de:http://www.scraptirenews.com/areas/crumb/process.html


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El acero es separado mediante el empleo de imanes, y la fibra es por medio de aspiracin y

seleccin. El material resultante presenta aspecto brillante y limpio, con superficies

fracturadas y poco contenido de acero y fibra, debido a que la fragmentacin ocurre por las

uniones entre la fibra, el acero, y el caucho.

El empleo de temperaturas criognicas puede ser aplicado en cualquier etapa para la

reduccin en tamao de los trozos de llanta. Normalmente el tamao del material a ser

triturado es un nominal de 2 pulgadas, el cual es congelado en una cmara o sumergido en

un bao de nitrgeno lquido para reducir la temperatura y posteriormente ser triturado en

una unidad de reduccin por medio de impacto en un molino de martillo. Este proceso

reduce el caucho a partculas entre tamaos de a mnimo tamiz nmero 30.

5.1.3.3 Otros procesos. Adicional a las tcnicas de molienda convencionales, ambiental

y criognica, se han desarrollado otros procesos como el de molienda-hmeda el cual hoy

en da es muy empleado para producir tamaos de grano finos (tamices 40 a 60) y muy

finos (tamiz 60) requiriendo de una segunda etapa de alta intensidad de molienda.

Tambin llamado micromolienda, es un proceso de molienda patentado en el que las

partculas diminutas de caucho son reducidas a un menor tamao por molienda entre dos

ruedas muy juntas en un medio lquido, el cual generalmente es agua.

5.1.4 Caucho molido utilizado. El GCR que se utiliz en esta investigacin fue un

grano de caucho desechado producto del reencauche de llantas usadas de camin

suministrado por la firma Renovadora de Llantas Ltda. En el proceso de reencauche, la

superficie de las llantas usadas es raspada con cuchillas que giran en sentido contrario al

movimiento de rotacin normal de la llanta, obtenindose partculas que van desde tamaos

de 2.38 mm a 74 m, libre de fibras y metales. Las partculas superiores a 2 mm son de

forma alargada, lo que requiere de un proceso adicional de molienda para lograr un grano


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de caucho de menor tamao con formas redondeadas. Los procesos anteriormente

mencionados para obtener el GCR permiten que el caucho conserve el vulcanizado.

Este desecho, conocido como ripio, es vendido a empresas que continan con el proceso de

molienda hasta lograr tamaos adecuados. El producto final es usado en la industria de

molduras en caucho, tapetes, suelas, entre otros productos.

5.2 PROCESO POR VA SECA

El proceso seco es cualquier mtodo donde el GCR es adicionado directamente a la mezcla

asfltica caliente, siendo usualmente mezclado con los agregados antes de adicionar el

cemento asfltico. Este proceso se lleva a cabo cuando se quiere usar el GCR como un

agregado en la mezcla asfltica, por lo general, como un sustituto de una pequea parte del

agregado fino, el cual puede estar entre el uno y tres por ciento del peso total de los

agregados en la mezcla. A diferencia del proceso hmedo, este proceso no requiere un

equipo especial, slo un sistema de alimentacin que proporcione la cantidad adecuada de

GCR y que sea suministrada en el momento indicado para que se mezcle con los agregados

cuando estos alcancen cierta temperatura y antes de que el ligante sea adicionado.

5.2.1 Tecnologas. Las dos tecnologas ms comunes en Estados Unidos para el uso del

GCR por la va seca son la tecnologa PlusRide y la tecnologa Genrica sistema TAK,

otra tecnologa muy popular es la que emplea granulometras convencionales, la cual fue

desarrollada en Espaa y es actualmente usada en muchos pases.

5.2.1.1 PlusRide. Esta tecnologa fue originalmente desarrollada en Suecia a finales de

los aos 1960, y registrada en los Estados Unidos bajo el nombre comercial PlusRide por la


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firma EnviroTire. El GCR es agregado a la mezcla asfltica en proporciones que van de 1 a

3 por ciento del peso total de los agregados. El GCR son partculas que van desde 4.2 mm

(1/4) a 2.0 mm (tamiz No 10). El contenido de vacos con aire en la mezcla asfltica debe

estar entre 2 y 4 por ciento, y por lo general son obtenidos con contenidos de ligante entre

7.5 a 9 por ciento.

5.2.1.2 Genrica. Esta tecnologa fue desarrollada por el Dr. Barry Takallou a finales de

los aos 1980 y a principio de los aos 1990 para producir mezclas asflticas en calientes

con granulometra densa. Este concepto emplea tanto el GCR grueso como fino para

emparejar la granulometra de los agregados obteniendo una mezcla asfltica mejorada. En

este proceso la granulometra del GCR es ajustada para acomodar la granulometra de los

agregados. A diferencia de las mezclas PlusRide, la granulometra del GCR se divide en

dos fracciones en la que la parte fina se encarga de interactuar con el cemento asfltico

mientras la parte gruesa entra a comportarse como una agregado elstico en la mezcla

asfltica.

El GCR puede llegar a necesitar una pre-reaccin o pre-tratamiento con un catalizador para

alcanzar un ptimo hinchazn de la partcula. En este sistema, el contenido de GCR no

debe exceder el 2 por ciento del peso total de la mezcla para capas de rodadura.

5.2.1.3 Convencional. Esta tecnologa fue desarrollada en Espaa para usar el GCR en la

mejora de mezclas asflticas empleando granulometras con

estudio de mezclas asfalticas2 pav

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