fronteras tecnolÓgicas en el uso de asfaltos … · elástica por torsión a 25° c (ret25) de 40%...
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FRONTERAS TECNOLÓGICAS EN EL USO DE ASFALTOS MODIFICADOS
PARA PAVIMENTOS.
Gabriel Hernández Zamora, Andrés Guerrero Alvarez, Jesús Alberto Mexicano,
Alí Concepción Pineda Sánchez y Mariana Franco Clemente.
Dynasol Altamira, S.A. de C.V. Km. 28.5, carretera Tampico-Mante. Altamira,
Tamaulipas. México. C.P. 89602
INTRODUCCIÓN.
En un escenario de volatilidad de precios en el mercado de las materias primas con
tendencia a la alza (aplica para el caso de asfalto, aditivos, polímeros modificadores, etc.),
crisis mundial en el sector de construcción, preocupación por el daño al medio ambiente y
normativas gubernamentales, lo que queda dentro de los procesos de construcción y
rehabilitación de pavimentos es pensar en procesos sustentables, donde convergen
beneficios ambientales, económicos y sociales.
Figura 1.- Evolución de precios del asfalto.
El desarrollo de productos y tecnologías para la construcción y mantenimiento de
pavimentos considera importante la reducción del consumo de energía durante sus
diferentes etapas de producción.
Los principales problemas que hoy se mencionan en foros internacionales (Argus Asphalt
2011 y 2012) que impactan en el desarrollo de la infraestructura carretera mexicana se
centran en:
1. Necesidad de una mejor y rigurosa supervisión en la ejecución de los trabajos por
parte de las autoridades.
2. Una mejora en la logística vía marítima o ferroviaria.
3. No hay suficiente capacidad de almacenaje de asfalto en México.
En contraparte a los factores ambientales y sociales, la afectación de la calidad de los
pavimentos impacta fuertemente en el tema económico, los cuales se ven afectados por el
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clima, la carga vehicular y el deterioro con el tiempo. Por ello es importante diseñarlos y
construirlos de manera adecuada para asegurar una adecuada durabilidad.
En la elaboración de la mezcla asfáltica de pavimentos flexibles la parte más importante
que da aporte estructural son los agregados; sin embargo, sin el asfalto estos se separarían y
la durabilidad del pavimento se vería rápidamente afectada; por ello el asfalto aunque en
menor contenido contribuye como ligante o material adhesivo de los agregados. Este
asfalto se puede ver mejorado si se modifica con polímeros, particularmente porque se
incrementa la resistencia a la deformación (ya que los polímeros mejoran la recuperación
elástica), la resistencia al desprendimiento (la adherencia a los agregados y la viscosidad
hacen que sea más resistente) y su tiempo de vida útil (reducción de mantenimientos y
mejora de la impermeabilidad al pavimento).
Existen diferentes tipos de polímeros que reconoce la norma N-CMT-4-05-002/06 en una
clasificación general como:
TIPO 1: Polímeros de naturaleza elastomérica principalmente derivados de copolímeros de
estireno-buadieno en configuraciones radial y SB.
TIPO II: Polímeros de naturaleza elastomérica en forma de latex de emulsión acuosa,
principalmente látices de estireno-butadieno o neopreno.
TIPO III: Materiales de naturaleza plastomérica derivados de EVA y polímeros derivados
del polietileno.
CLASIFICACION ADICIONAL: Hule de neumático reciclado.
De los tipos mencionados antes, los que ofrecen las mejores propiedades en la modificación
del asfalto son los del tipo I, ya que funcionan para prevenir la formación de roderas debido
a la acumulación de deformaciones plásticas por las altas temperaturas que reblandecen el
asfalto, también a prevenir la falla por fatiga dinámica o piel de cocodrilo provocada por
fluctuaciones de la temperatura del pavimento por arriba y por debajo de 15°C en un solo
día, por gradientes diferenciales en periodos cortos en días a lo largo del mes y por el paso
del tránsito pesado cuando el asfalto está experimentando dichas transiciones.
Ya que los polímeros del tipo I se expresan como elastómeros, es conveniente definir que
un elastómero1,2
es un polímero que entre 18 y 29°C se pueden estirar más de tres veces su
longitud original sin romperse, y por otro lado, cuando se estira dos veces su longitud
original una vez que cesa el esfuerzo de deformación recupera su forma con una
deformación máxima de una y media veces su longitud original en máximo 5 minutos. En
este trabajo se presentan los resultados de tres líneas de investigación que muestran las
fronteras de desempeño que pueden ofrecer elastómeros de estireno-butadieno en
aplicaciones para fabricación de pavimentos y rehabilitación de los mismos.
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Figura 2.- Grado de deformación que sufren los plastómeros y elastómeros bajo condiciones
de definición de elastómero.
MATERIALES.
Para propósitos del estudio se usará un SBS radial de alto peso molecular, un SBR de peso
molecular medio, un plastómero de naturaleza EGA y una material multifuncional que
incluye cadenas SBS acopladas con SB.
Las propiedades de estos materiales se describen en la siguiente tabla 1.
Tabla 1.- características de los polímeros usados.
PROPIEDAD METODO SBS
RADIAL
SBR EGA SBS-Ac-
SB
Peso molecular GPC
ASTM D5296
Alto medio medio Medio
Contenido de estireno total, % FTIR
ASTM D5775
30 25 0 28
índice de fluidez a 190°C y
2.16Kg, g/10 min
Plastómetro
(ASTM D1238)
0 0 12 0
Temperatura de fusión o
transición vítrea, °C
DSC
ASTM E1269
-90
(Transición
vítrea)
-35
(Transició
n vítrea)
70°C
(temperatura
de fusión)
-65
(Transició
n vítrea)
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Tabla 2.- Características del asfalto modificado grado AC-20 de Ciudad Madero.
Propiedad Método Valor
Viscosidad Brookfield a 135°C, cP MMMP4-05-005-02 540
Penetración a 25°C, 100 g, 5 s, 101 mm.
MMMP4-05-006-00 62
Temperatura de reblandecimiento, °C
MMMP4-05-009-00 56
Saturados, % Iatroscan 6.5
Aromáticos, % Iatroscan 24.9
Resinas, % Iatroscan 41.7
Asfaltenos, % Iatroscan 26.9
DESARROLLO.
Caso 1: Diferenciación del asfalto modificado en mezcla con agregado.
Un tema controvertido hasta hace unos años era la demostración de la contribución del
asfalto y de forma más específica el asfalto modificado a propiedades estructurales de la
mezcla. Para evidenciar la contribución del aporte a la estructura se hicieron diferentes
pruebas de las cuales se eligió la resistencia a la deformación por rodamiento medida en
rueda APA cargada, se evaluó una mezcla en caliente formulada con un SBR descrito en la
sección de materiales a 2.8% peso/peso de polímero en asfalto grado AC-20 y se comparó
el efecto de reforzamiento frente a una mezcla en caliente formulada con el mismo asfalto
sin modificar, el contenido de asfalto en la mezcla fue de 4.5% peso/peso y el resto de
agregados pétreos con un diseño tipo SUPERPAVE y compactada usando un compactador
giratorio.
Figura 3.- Sistema de rueda APA cargada.
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Para hacer más sobresaliente la prueba se manejaron dos condiciones con probetas secas
(insaturadas) y con probetas sumergidas en baño de agua a 25°C (saturadas), los resultados
de este diseño hecho a 8,000 ciclos de repetición y ensayos de 5 probetas por muestra se
presentan en la siguiente figura 4.
Figura 4.- resultados de deformación por rueda cargada APA.
Caso 2: Diferenciación en la estructura del elastómero modificador para reducir tiempo
y temperatura en la modificación del asfalto.
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Mediante tecnologías de acoplamiento por polimerización aniónica se genero una estructura
del SBS-Ac-SB multifuncional. Éste polímero ofrece la posibilidad de producir asfaltos
modificados a temperaturas de 170 + 5 ° C y tiempos de dispersión menores a los que se
requieren con un SBS radial.
En los resultados obtenidos se puede observar que los asfaltos modificados a 170 + 5° C
con SBS-Ac-SB proporcionan valores de módulo dinámico similares a los que proporciona
el SBS radial cuando se modifica a 190 + 5° C, y valores mayores de módulo dinámico que
los proporcionados por el mismo SBS radial cuando se modifica a 170 + 5° C. Esto es
debido a que las moléculas de SBS-Ac-SB en su fracción SB requieren menor tiempo y
temperatura para dispersarse en el asfalto por ser más afines químicamente que las
moléculas de tipo SBS y también requieren de menor energía para promover una mejor
transferencia de masa y dispersión del polímero en el asfalto.
En la figura 5 se observa que el valor de G*/Seno δ (82° C) de un asfalto modificado con
de SBS radial se reduce cuando se la temperatura baja de 190 + 5 a 170 + 5° C, observando
valores de 1.33 y 0.75 kPa respectivamente, sin embargo, el asfalto modificado con SBS-
Ac-SB a 170 + 5° C mantiene sus propiedades reológicas muy cercanas a las obtenidas a
con el SBS radial modificado a 190 + 5° C, proporcionando valores de G*/Seno δ (82° C)
de 1.17 kPa.
Figura 5.- Desempeño del asfalto modificado con SBS -Ac-SB y SBS radial a diferentes
temperaturas de producción
Los resultados obtenidos hasta el momento, nos indican que con esta nueva tecnología es
posible producir asfaltos modificados con propiedades elásticas con polímeros de tipo I a
temperaturas del orden de 165 - 175° C. En la tabla 3 se muestran las temperaturas de falla
de los asfaltos modificados con SBS y SBS-Ac-SB, en la cual podemos observar que la
temperatura de falla de un asfalto modificado con SBS radial es 0.45% mayor que la
temperatura de falla del asfalto modificado con SBS-Ac-SB, lo cual sugiere que ambos
190 + 5° C
170 + 5° C
170 + 5° C
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asfaltos presentarán similares características y resistencia a la deformación plástica en el
pavimento.
Tabla 3. Desempeño reológico del asfalto modificado con SBS radial y SBS-Ac-SB a diferentes
temperaturas de producción.
Polímero Temperatura de
producción (°C)
G*/Seno δ
(kPa)
Temperatura
de prueba (°C)
Temperatura
de falla (°C)
Angulo
fase (°)
SBS Radial 190 + 5 1.33 82 85.0 84.08
SBS Radial 170 + 5 0.751 82 82.1 79.4
SBS-Ac-SB 170 + 5 1.17 82 83.7 83.7
Caso 3: Pavimentos elásticos.
Se ha comprobado que la durabilidad de los pavimentos a temperaturas medias y frías se
encuentra directamente relacionada con la maleabilidad y elasticidad del asfalto a dichas
temperaturas4. La norma de la SCT N-CMT-4-05-002-06 solicita valores de recuperación
elástica por torsión a 25° C (RET25) de 40% para asfaltos modificados con elastómeros
(Tipo I), y 30% para asfaltos modificados con plastómeros (Tipo III) como se muestras en
la figura 6.
Figura 6.- Recuperación elástica por torsión a 25° C de asfaltos modificados con elastómero y
plastómero a diferentes concentraciones.
Debido a que la temperatura del pavimento puede ser menor a 25°C, es importante observar
el comportamiento de la recuperación elástica torsional en los asfaltos modificados con
elastómeros y plastómeros a temperaturas inferiores, tal como se observa en la figura 7,
donde se muestran los resultados de recuperaciones elásticas evaluadas a 13 y 7° C.
Figura 7.- Recuperación elástica por torsión a 13 y 7° C de asfaltos modificados con
elastómero y plastómero a diferentes concentraciones.
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Se puede observar que un elastómero como los SBS radiales mantienen las propiedades
elásticas del asfalto incluso a temperaturas inferiores de 25° C, las pruebas de RET
realizadas a 13° C muestran que los asfaltos modificados con SBS radial se recuperan ante
el esfuerzo de torsión en 40% según lo solicitado por la norma a pesar de estar por debajo
de la temperatura te prueba, mientras que la RET de los plastómeros cae a niveles inferiores
de 30%.
Los valores de RET obtenidos a 7° C muestran como el asfalto modificado con plastómeros
siguen reduciendo su capacidad de recuperación elástica, pero en esta ocasión se puede
observar que el valor de la RET es de 20% en las tres concentraciones evaluadas (0.8, 1.1 y
1.5%). Lo cual sugiere que a esos niveles de temperatura no importa si se duplica la
concentración de plastómero, éste tiende a perder su capacidad de recuperarse de un
esfuerzo torsional. Sin embargo, el asfalto modificado con SBS muestra mayores
características elásticas que el asfalto modificado con EGA, mientras que con un SBS radial
se obtiene un valor de RET a 7°C de 34%, con un EGA (independientemente de la
concentración) se obtienen valores de 20%.
De igual manera, la RET de los asfaltos modificados con SBS puede ser incrementada
mediante el aumento de la concentración de SBS, es decir, al aumentar la concentración de
SBS, la recuperación elástica aumenta tal como se muestra en la figura 8, cuando se
aumenta la concentración de 2 a 3% de SBS-Ac-SB, la RET a 7°C aumenta de 27 a 30%.
Caso 4: Emulsiones modificadas de asfalto para riegos de sello.
El actual interés por reducir el consumo energético y la emisión de gases de efecto
invernadero, ha despertado el interés por las emulsiones asfálticas5,6
, en este sentido se ha
observado que dichas emulsiones fabricadas a partir de asfalto modificado con copolímeros
de estireno-butadieno ofrecen la opción más barata y eficiente, ya que en esta técnica se
asegura la modificación del asfalto.
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En relación a los copolímeros de estireno-butadieno se han desarrollado diferentes familias
para llevar a cabo la modificación del asfalto por la tecnología de Emulsión. Por un lado se
encuentran elastómeros termoplásticos SBS lineales donde la totalidad de la composición
de los monómeros se encuentran formando bloques secuenciales alternantes (para formar
un tribloque) de poliestireno-polibutadieno-poliestireno, una segunda modalidad son
materiales que combinan tribloques secuenciales con dibloques estireno butadieno y
finalmente, un tercer grupo comprende copolímeros de estireno-butadieno que tienen un
bloque parcial de estireno en su estructura3. Las figuras 8 y 9 esquematizan el tipo de
estructuras de las cuales se habla.
Figura 8.- Elastómero compuesto de SB y SBS lineal.
Figura 9.- Elastómero de estructura parcial (SBR).
En este estudio se produjeron emulsiones asfálticas de rompimiento rápido7,9
con el
objetivo de observar las propiedades elásticas que proporcionan al residuo asfáltico los
siguientes polímeros:
a) SBS + SB
b) SBR
c) SB
d) EGA
e) Látex de SBR
Donde:
= monómero de butadieno.
= monómero de estireno.
Estructura tipo SBS tri-bloque secuencial Estructura tipo SB Di-bloque
+
Donde:
= monómero de butadieno.
= monómero de estireno.
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Los resultados obtenidos en la figura 10 muestran que el modificador que proporciona la
mayor recuperación elástica en las tres concentraciones evaluadas es el SBS + SB, lo cual
se atribuye a que su peso molecular es aproximadamente mayor en un 30% a las moléculas
de SBR y SB, y 45% mayor que el látex.
Figura 10.- Valores de recuperación elástica por ductilómetro del residuo de
destilación de emulsiones con distintos modificadores poliméricos.
Las características de las emulsiones modificadas con SBS + SB se muestran en la tabla 4,
en la cual se puede observar que es posible producir emulsiones de alta viscosidad y
estables al almacenamiento, la propiedades elásticas del residuo asfáltico incrementan con
el aumento de la concentración de polímero, siendo una concentración de SBS + SB de 3%
la adecuada para cumplir todos los parámetros solicitados por la norma mexicana.
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Tabla 4.- Características de la emulsión modificada con SBS+SB.
Propiedades Norma
SCT
SBS+SB
2%
SBS+SB
3%
SBS+SB
4%
Contenido de cemento asfáltico, % 60 67 66 67
Viscosidad Saybolt-Furol a 50°C; s 50 – 200 107 132 145
Retenido en malla #20, % 0.1 0.001 0.0015 0.002
Asentamiento a 5dás, % 3 0.5 1 1.6
Penetración a 25°C, 100g, 5 s; 10-1
mm 100 a 200 124 113 105
Ductilidad a 4°C, 5 cm/min; cm, min 30 28 34 37
Recuperación elástica por ductilómetro a 25°C,
20cm, 5 min, % min.
40 35 44 46
Recuperación elástica por ductilómetro a 10°C,
20cm, 5 min, % min.
50 46 53 54
En la tabla 5 se muestran las características de las emulsiones modificadas al 3% con SBR,
SB y látex, se observa que es posible obtener valores de viscosidad Saybolt Furol mayores
a 100 segundos, lo cual indica que para el caso de los asfaltos modificados con SBR y SB
es posible alcanzar niveles aceptables de molienda y obtener tamaños de partícula menores
a 10 micras, tal como se muestra en la figura 11.
Tabla 5. Características de la emulsión modificada con SBR, SB y Látex.
Propiedades Norma
SCT
SBR
3%
SB
3%
Látex
3%
Contenido de cemento asfáltico, % 60 66 65 66
Viscosidad Saybolt-Furol a 50°C; s 50 – 200 122 105 116
Retenido en malla #20, % 0.1 0.01 0.013 0.011
Asentamiento a 5dás, % 3 1.2 1.5 1.4
Penetración a 25°C, 100g, 5 s; 10-1
mm 100 a 200 113 124 115
Ductilidad a 4°C, 5 cm/min; cm, min 30 36 38 35
Recuperación elástica por ductilómetro a 25°C,
20cm, 5 min, % min.
40 41 42 41
Recuperación elástica por ductilómetro a 10°C,
20cm, 5 min, % min.
50 55 52 54
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Figura 11.- Fotografía del la ECR-2P modificada con SBR tomada con un microscopio
de fluorescencia a 10 x.
Los tamaños de partículas que se muestran en la figura 12 son consistentes con los valores
de retenido en malla #20 y con la estabilidad al almacenamiento mostrada en las pruebas de
asentamiento a 5 días8,9
, ya que los valores observados fueron de 1.2% para la emulsión
modificada con SBR, 1.5% para emulsión modificada con SB y 1.4% para emulsión
modificada con látex.
Durante el estudio se intentó producir emulsiones a partir de asfalto modificado con
plastómero de EGA, pero esta emulsión no se mantenía estable y rompía a los pocos
minutos de la molienda, se observó que los problemas principales se encuentran en la
rigidez del asfalto que el plastómero le transfiere y los tamaños de partícula son mayores a
30 micras.
CONCLUSIONES.
En este estudio se presentaron resultados del desempeño de diferentes tipos de polímeros
que modifican el asfalto y su aporte de propiedades a la mezcla de asfalto modificado. En
el primer caso de estudio se observa que el asfalto modificado genera mayor reforzamiento
del asfalto contribuyendo al módulo elástico de la mezcla asfáltica con agregados petreos
sometida a esfuerzo de deformación por rueda cargada APA, esta mejoría del asfalto
modificado no se observa en la mezcla formulada con asfalto virgen.
En un segundo caso, se presenta una modificación en la estructura de los copolímeros de
estireno-butadieno que combina tribloques secuenciales acoplados con dibloques de
estireno-butadieno que ofrecen la gran ventaja de poderse dispersar en menos tiempo y
temperatura en el proceso de modificación del asfalto cuando se comparan contra el SBS
radial utilizado en este estudio. Para los productores de asfalto modificado esto representa
un ahorro en energía y tiempo.
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Las propiedades reológicas que se consiguen tanto con SBS radiales como con este nuevo
polímero de características estructurales diferenciadas permiten ver que adecuando las
condiciones de proceso se pueden conseguir grados PG superiores a 82°C, y por supuesto el
grado PG 76 que la mayoría de las obras en México solicitan.
Es muy importante estudiar el comportamiento del asfalto modificado a bajas temperaturas
por los efectos de fatiga dinámica o cracking térmico, esto también está relacionado con la
durabilidad del pavimento porque generalmente el enfoque de diseño está pensado para las
fallas por acumulación de deformaciones plásticas y generación de roderas y se descuida la
parte de las fallas por cambios en la temperatura hacia fluctuaciones por debajo d 15°C. es
interesante denotar la versatilidad que ofrecen elastómeros del tipo I como los SBS y SBS-
Ac-SB para mantener altas propiedades de recuperación elástica por torsión, cosa que no se
observa con polímeros del tipo II como plastómeros como el EGA, como se demuestra en
el caso 3 de este estudio.
Finalmente, el caso 4 permite ver que los copolímeros del tipo SBS y SB permiten contar
con una opción viable para no solo modificar el asfalto sino también emulsionar el asfalto
modificado ofreciendo un residuo asfalticos que cumple con las características que exige la
SCT y asegurando la modificación del asfalto. Estos materiales compiten en el mercado con
latices de SBR que se encuentran formulados con agua, los cuales partiendo de una
emulsión se integran muy rápido con el asfalto cuando se emulsionan en conjunto, pero no
garantizan que se modifique el asfalto.
En el escenario de altos precios en materias primas y altos costos de construcción en
ambientes de crisis es importante pensar en calidad de materiales y durabilidad, los
copolímeros de estireno butadieno en sus diferentes versiones ofrecen soluciones duraderas
para adaptarse a cualquier tipo de clima y tráfico, garantizando reducción de mantenimiento
y alto tiempo de visa útil. Es importante que México como país elimine las malas prácticas
de construcción, se pienso en soluciones de largo plazo donde el mayor ahorro esta en el
número de mantenimientos y la seguridad de los usuarios, y no en la reducción de
espesores de carpetas y el uso de materiales que no cumplan con calidad en las normas que
se establecen y las nuevas propuestas como el protocolo AMAAC.
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