*Por los Ings. Ignacio Zapata Ferrero, Julián Rivera y Gerardo Botasso del Centro de Investigaciones Viales LEMaC UTN FRLP – CIC PBA.
Una de las principales patologías que enfrentan los pavimentos flexibles es la denominada fatiga. Esta problemática se presenta no por superar el estado último de material, sino por la sucesiva aplicación de cargas que progresivamente consumen la energía interna del material. Las diversas investigaciones y desarrollos llevan a la utilización de nuevos materiales con prestaciones superiores. Uno de los materiales para mejorar el desempeño a fatiga en las mezclas asfálticas es el polvo de neumático fuera de uso. En incorporaciones de hasta el entorno del 10 % en peso de NFU sobre el peso de asfalto mejora notablemente las propiedades de ahuellamiento en mezclas asfálticas densas. Sin embargo, se tiene poco conocimiento del comportamiento con porcentajes superiores y cual es el desempeño frente al envejecimiento que sufren estos materiales.
En el presente trabajo se propone la evaluación de mezclas asfálticas con la incorporación de NFU en 15 y 18 % en comparación con el cemento asfaltico base. Se propone la caracterización a fatiga por medio del ensayo de la Viga Semi Circular. A su vez, se consideran distintos niveles de acondicionamiento para considerar el envejecimiento que actúa en la mezcla asfáltica en su fabricación, elaboración y vida en servicio.
Introducción
Entre los principales factores que afectan la vida de los pavimentos frente a la patología de la fatiga, se presentan la cantidad de repeticiones de ejes que transitan por la vía, el espesor del pavimento, el material asfáltico utilizado, el tiempo en servicio, las condiciones de drenaje entre otros. Vale mencionar que al llegar al estado de fisuracion en superficie los costos de restitución de la vida útil del pavimento suelen ser altos.
En línea con estos fundamentos el Polvo de Neumático Fuera de Uso (NFU) resulta un residuo acorde a utilizar en la industria de la pavimentación asfáltica. Para poder ser utilizado los neumáticos deben ser triturados hasta un tamaño milimétrico. Esta condición asegura que el NFU pueda ser incorporado adecuadamente al asfalto para conformar un material homogéneo que no se separe en sus fases.
Actualmente, existen varias alternativas para recuperar los materiales que conforman los neumáticos. En algunos casos se prescinde de las propiedades elásticas de los materiales intervinientes en pos de obtener un reciclado adecuado del resto de los materiales.
Reciclar los NFU es una alternativa dentro de las tantas que se ofrecen en las legislaciones del mundo. En la Unión Europea se ha fijado una jerarquía en el tratamiento de los NFU, donde reciclar se ubica en el tercer lugar, luego de la prevención y la reutilización. Un programa consolidado al respecto resulta ser SIGNUS Ecovalor en España, en el que se ha regulado el tratamiento de los NFU (SIGNUS, 2017). Asimismo, en Estados Unidos se generan unos 300 millones de unidades de NFU por año según la Rubber Manufacturers Association, 2016.
Para el año 2017 se desechan en Argentina un promedio de 135.000 t/año de neumáticos, de los cuales apenas un 8 % alcanzan a tener un tratamiento adecuado en reutilización, reciclado o quemado en hornos cementeros. Actualmente la estimación de generación de NFU es de 135.000 a 150.000 t/año. En la Figura 1 se ve un tren de trituradoras para obtener distintos tamaños de polvo de neumático fuera de uso junto con los acopios que se disponen (Rodriguez Illescas, 2017).
En el presente trabajo se estudia la resistencia a fatiga de mezclas asfálticas densas modificadas con 15 y 18 % de NFU por encima del peso de asfalto en conjunto con el asfalto base. Para su evaluación se realizan probetas de 150 mm de diámetro en los cuales se aserra por la mitad y se le hace una entalladura en la parte media. Se evalúan tres condicionamientos para considerar las distintas etapas de la vida útil de la mezcla asfáltica.
Desarrollo
Para la elaboración de las mezclas asfálticas se realiza el diseño Marshall para obtener el punto óptimo de asfalto de las mezclas. En primer lugar, se compone la curva granulométrica de los áridos combinando agregado grueso, agregado fino y cal hidráulica como filler. La granulometría resultante en conjunto con los limites estipulados por Vialidad Nacional se ven en la Figura 2. Los asfaltos modificados fueron obtenidos siguiendo los lineamientos de la Guía de Procedimientos LEMaC (2019).
Para la obtención del porcentaje óptimo de asfalto a incorporar en las mezclas asfálticas se utiliza la metodología Marshall según las Normas de Ensayo de Vialidad Nacional (2017). Mediante dicha metodología se determina el porcentaje de asfalto que mejor responde a las propiedades mecánicas y volumétricas de la mezcla asfáltica. La dosificación resultante para los asfaltos considerados se puede apreciar en la Tabla 1.
Los parámetros obtenidos se pueden ver en la Tabla 2, involucrando: la Densidad Marshall, la Densidad Absoluta Rice, los Vacíos de la mezcla, los Vacíos del Agregado Mineral (VAM), la Relación Betún Vacíos (RBV), la Estabilidad y la Fluencia. El diseño Marshall se lleva a cabo respetando la normativa de Vialidad Nacional (2017), con una energía de compactación de las probetas de 75 golpes por cara.
Como temperatura de mezclado se adopta 140 ºC para la mezcla con asfalto CA-30, mientras que para ambas mezclas con NFU se utilizan 160 ºC. La producción de pastones de laboratorio se realiza mediante el empleo de un mezclador manual desarrollado en el LEMaC. Para la compactación de los especímenes se utiliza 135 ºC para la mezcla con asfalto CA-30 y 155 ºC para las mezclas con polvo de NFU.
Envejecimiento de la mezcla asfáltica
En este estudio, para caracterizar la evolución que tiene el cemento asfáltico con polvo de NFU en su interacción con el resto de los materiales, se plantea el envejecimiento de la mezcla asfáltica según los lineamientos de la norma AASHTO R30 (AASHTO, 2002). La norma plantea dos instancias de envejecimiento. En primer lugar, el envejecimiento a corto plazo plantea la simulación del envejecimiento al cual se encuentra expuesta la mezcla durante su elaboración. Finalizada la elaboración de la mezcla se coloca dispersada en bandejas. La altura de mezcla asfáltica en bandeja no debe superar una altura de 50 mm. Finalmente se deja en estufa durante 4 horas a 135 ºC. En segundo lugar, se plantea el envejecimiento a largo plazo. Este envejecimiento simula las condiciones que se encuentra el pavimento durante su vida útil, el cual contempla un periodo de 7 a 10 años aproximadamente. En este caso se moldean probetas que previamente deben ser envejecidas a corto plazo, para ser colocadas en estufa durante 5 días continuos a 85 ºC. Ambos envejecimientos se aprecian en la Figura 3.
Ensayo de viga semi Circular
El ensayo de Viga Semi Circular se llevan a cabo en una prensa universal del EMIC DL 10000, la cual tiene una capacidad de carga de 50 kN. La velocidad de ensayo es de 50 mm/min y se lleva la probeta hasta la falla. El espécimen colocado previo al ensayo se visualiza en la Figura 4.
Análisis de resultados
Cracking Test Index (CTI)
Para la interpretación de los ensayos de las probetas moldeadas se pueden utilizar distintos índices con el fin de analizar los resultados obtenidos. Los índices evidencian la energía interna que contiene el material, en conjunto con la tenacidad y la capacidad de tomar carga por la probeta luego de su carga máxima. El Cracking Test Index es propuesto por Zhou (2019) para evaluar la resistencia a la fisuración en mezclas asfálticas. Según sus estudios han mostrado sensibilidad a los cambios en las mezclas asfálticas en tal sentido. Por otra parte, también se han encontrado buenas correlaciones con evaluaciones en campo. Para su cálculo se utiliza la Ecuación 1. Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 5.
Una vez obtenidos los parámetros para los ensayos de las probetas de Viga Semi Circular, se puede observar la eficiencia en distinto orden de las mezclas asfálticas modificadas con polvo de NFU. En líneas generales, el comportamiento de las muestras 15NFU y 18NFU evidencian un aumento de los parámetros en comparación de las muestras CA30.
Para el grupo de las muestras envejecidas a corto plazo se evidencia una caída en los porcentajes de las muestras con 15NFU para el CTI. Sin embargo, las muestras con 18NFU para el parámetro antes mencionado, mantienen la brecha con respecto a las muestras CA30. En último lugar, el grupo envejecido a largo plazo evidencia una separación aún más grande para las muestras de 15NFU y 18NFU en relación con a la CA30. De esta forma, se pone en manifiesto los beneficios de la incorporación de NFU dentro de las mezclas en comparación con las muestras base.
Conclusiones
Los ensayos estáticos sobre las probetas de Viga Semi Circular (SCB) que se realizan a 20 °C con las mezclas CA30, 15NFU y 18NFU en conjunto con los distintos grupos de envejecimiento demuestra ser una metodología practica y ágil para la evaluación de concretos asfalticos frente a la fisuracion. En el presente trabajo se pudo determinar el beneficio de la incorporación de NFU en altas proporciones dentro de una mezcla del tipo CAC D19 evidenciado por el aumento del Cracking Test Index para las muestras consideradas.
Referencias
AASHTO R30. (2002). Mixture Conditioning of Hot Mix Asphalt (HMA). R30. American Association of State Highway and Transportation Officials.
AASHTO TP124. (2018). Standard Method of Test for Determining the Fracture Potential of Asphalt Mixtures Using the Illinois Flexibility Index Test (I-FIT).
LEMaC. (2019). Guía de Metodologías y Procedimientos para uso Vial desarrollados en el LEMaC. edUTecNe.
Pérez-Jiménez, F., Botella, R., Martínez, A. H., & Miró, R. (2013). Analysis of the mechanical behaviour of bituminous mixtures at low temperatures. Construction and building materials, 46, 193-202.
Rodríguez Illescas, S. (2017). Reutilización de neumáticos fuera de uso.
Zhou, F. (2019). Development of an IDEAL cracking test for asphalt mix design, quality control and quality assurance. NCHRP-IDEA Program Project Final Report, (195).
