Influencia del uso de asfaltos modificados con polvo de neumáticos fuera de uso, NFU, en la resistencia al punzonado y al ahuellamiento de una mezcla densa


*Por el Ing. Oscar Raúl Rebollo; el Dr. Ing. Gerardo Botasso; el Ing. Enrique Fensel; y el Dr. Ing. Luis Delbono del LEMaC (Centro de Investigaciones Viales FRLP UTN).

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En el presente trabajo se han realizado distintos tipos de mezclas asfálticas, manteniendo constantes el origen y granulometría de los agregados que van a conformar la estructura granular, dejando como variante al tipo de ligante asfáltico a utilizar. Se han aportado, un asfalto convencional y asfaltos modificados con caucho proveniente de polvo de NFU y en otros casos polímeros vírgenes o combinación de ambos.
Se pretende valorar la incidencia del tipo de ligante asfáltico en las propiedades de la mezcla asfáltica elaborada. Particularmente, se sigue un proceso de diseño que involucre el método Marshall para el establecimiento de las relaciones volumétricas, para luego pasar a las determinaciones que valoren la adherencia, por medio del Test de Lottman y luego la resistencia al ahuellamiento la valoración de, mediante el ensayo de Wheel Tracking Test. Se considera de esta forma las exigencias vigentes en las especificaciones de la Dirección Nacional de Vialidad. Por otro lado, se valora la resistencia a tracción indirecta de todas las mezclas formuladas y se realiza el ensayo de la semiprobeta con el fin de valorar la resistencia a fatiga de las mismas. De esta forma, se ha tratado de realizar una valoración amplia de diferentes tipos de solicitaciones y analizar la respuesta final frente a cada tipo de asfalto considerado.
En este caso se muestran los resultados de la resistencia al ahuellamiento, considerando las variaciones del tipo de ligante asfáltico, algunos de los cuales fueron fabricados en el LEMaC, puesto que no son de uso comercial, por medio del ensayo de Wheel Tracking Test, como método de diseño y proponiendo el ensayo de Punzonado como método de control de calidad, habiendo sido ya demostrada la correlación que existe entre ambas determinaciones en distintos estudios, entre los que se destaca el trabajo del Prof. K. W. Kim en Corea y los resultados obtenidos por la Dra. Silvia Angelone, en su tesis doctoral.

Descripción

Se ha utilizado para este trabajo una mezcla asfáltica en caliente CAC D19, en la cual se va a variar el tipo de asfalto, manteniendo constante el tipo de agregado y su granulometría, los asfaltos utilizados en este caso serán:
CA-20 clasificación de acuerdo con la Norma IRAM 6835 que se utilizó como base para obtener los asfaltos modificados por el LEMaC.
AC-2 con incorporación de NFU se obtiene un asfalto modificado con caucho clasificación dada según la Norma IRAM 6673.
AM2-C se ha fabricado un asfalto con incorporación de una parte de polímero SBS y otra parte de NFU, que clasifique como un asfalto modificado AM-2-C, sin contar con una norma IRAM al respecto, y si con recomendaciones del CEDEX de España.
AM-3 un asfalto modificado con SBS de clasificación AM-3 según la Norma IRAM 6596.
Con estos asfaltos se moldearon probetas Marshall para realizar el ensayo de Punzonado (SdP) y para el ensayo de Rueda Cargada (WTT), a las cuales después de ser ensayadas se le extraerán testigos para realizarles el ensayo de Punzonado (SdT).
El ensayo de Resistencia a la Deformación o del Punzonado nos permite calcular la resistencia a la deformación “Sd” de una mezcla asfáltica. El objetivo del ensayo de Punzonado es reproducir en laboratorio la carga inducida por el neumático a baja velocidad o cuasi estático, para un estado crítico de temperatura (60°C) y sobre todo considerar que la dirección de la aplicación de la carga sea la misma que se produce in situ, producida por la rueda de un vehículo al circular sobre el pavimento asfaltico. Este ensayo se basa teniendo en cuenta la carga que transmite una rueda al pavimento a través de su sección, considerada circular. Esta forma está dada por el neumático, el cual transmite una carga que tiene hombros, o sea no es plana, sino que es de forma redondeada en sus bordes, la cual influye en la distribución de las tensiones de compresión y de corte sobre la capa de rodamiento del pavimento asfáltico. En el laboratorio debemos tratar de reproducir esta situación, a fin de representar el mismo estado de tensiones sobre una probeta de mezcla asfáltica que las producidas in situ por el neumático al pavimento asfaltico, para lo cual se diseña un vástago o cabezal de carga de sección proporcional a la del neumático. En la Figura N°1 se muestra el modelo comparativo.
Las características del vástago provienen del análisis de sensibilidad de la Resistencia al Punzonado “Sd” (deformation strength), del cual surge que tanto el diámetro “D” del vástago como el radio de los bordes redondeados del mismo “r”, como se indican en la Figura N°2, son variables importantes. El análisis de sensibilidad estudia la influencia de distintas dimensiones, en Figura N°3 se muestran los modelos de los distintos vástagos propuestos.
Para este trabajo se propone utilizar el vástago y la velocidad de ensayo de acuerdo con lo propuesto por la Dra. Silvia Angelone en su tesis doctoral. El diámetro del vástago será “D” = 40mm y bordes de curvaturas correspondiente a un radio “r” = 10 mm, con una velocidad de ensayo de 50,8 mm/min. El ensayo de Punzonado se realiza con la prensa Marshall automática, la cual nos da la carga máxima y la deformación en forma automática.
Se moldean 3 probetas Marshall las cuales se compactan con 75 golpes por cara, y 2 probetas con el roller compact según la Norma UNE –EN 12697-33, para realizar el ensayo de Rueda Cargada de acuerdo con la Norma UNE-EN 12697-22 Procedimiento B, a las cuales después de ser ensayadas se le extraen 2 testigos a cada una para el ensayo de Punzonado, sobre la zona no ensayada. En la Figura N°4 se puede ver el momento en que se ensayan las muestras en el equipo de Wheel Tracking Test. Luego de ello, se procede a extraer los testigos de las probetas de Wheel Tracking, para el ensayo de punzonado, como se ve en la Figura N°5.
Para realizar el ensayo de Punzonado, se acondicionaron las probetas sumergiéndolas en agua a 60°C por un período de 30 minutos.
El Ensayo de Wheel Tracking ha sido explicado en diferentes oportunidades. En este caso es por vía seca, con el paso de una rueda cargada con 700 kN y a 10.000 ciclos con una frecuencia de 26,5 ciclos/minuto.
En cuanto al ensayo de punzonado, el mismo consiste en aplicar a la probeta de mezcla asfáltica una carga a través del vástago a una velocidad de 50,8 mm/min (correspondiente a la velocidad del ensayo Marshall) hasta alcanzar la rotura. El vástago se introduce en la mezcla asfáltica provocando una deformación “y”. Cuando se alcanza la máxima carga P el ensayo se detiene y queda registrada la evolución tanto de la carga como de la deformación “y”. Con esos datos es posible calcular la Resistencia al Punzonado “Sd”.
Siendo:
Sd = Resistencia a la Deformación de Punzonado (MPa)
P = Carga máxima (N)
Ap = Área transversal dejada por el vástago (esta varía con respecto a la profundidad “y”) (mm2)

Se considera:
D = Diámetro de cabezal de carga = 40 mm
r = Radio de los hombros del vástago = 10 mm

Por lo que la ecuación queda:
Siendo:
P = Carga máxima (N)
y = Deformación producida por la carga máxima (mm)
Sd = Resistencia a la deformación (MPa)

Para la realización del trabajo se siguen los siguientes pasos, para un mejor entendimiento de las tareas y organización:

  1. Se diseña la curva granulométrica que va a servir de base para todas las mezclas asfálticas.
  2. Se determina el porcentaje de asfalto óptimo para cada tipo de asfalto a usar en las mezclas de estudio.
  3. Se moldean las probetas Marshall para el ensayo de Punzonado y WTT.
  4. Se obtienen los resultados de la Resistencia a las deformaciones SdP de las probetas.
  5. Se ensayan las probetas WTT y se obtienen los valores de PRDaire y WTSaire.
  6. Se sacan los testigos en las probetas de WTT.
  7. Se ensayan los testigos a Punzonado obteniéndose SdT.

En la Figura N°6 se muestra el dispositivo para punzonado utilizado en una prensa automática de ensayo Marshall.

Los asfaltos utilizados

Se diseña una mezcla asfáltica densa, donde la variable serán los tipos de asfaltos. En la Tabla N°1 se puede observar los valores logrados en los cementos asfálticos en cada tipo de modificación. Se puede destacar que se generan cambios en la penetración, los puntos de ablandamiento y la recuperación elástica por torsión. Analizando las exigencias para cada tipo de asfalto modificado, se observa que la adición de polvo de NFU, provoca un asfalto del tipo AC-2. Luego se elaboró el asfalto modificado AM-3 con aporte de SBS como modificador. A posteriori, se procedió a disminuir la dosis de SBS e ir reemplazándola por polvo de NFU hasta lograr un asfalto del tipo AM-2. En esta condición y de acuerdo con lo que el CEDEX ha clasificado en España, se ha seguido el criterio de que cuando un asfalto modificado utiliza polvo de NFU, la clasificación que logre satisfacer se le asigna la letra C. Por lo tanto, se ha designado a ese ligante modificado como AM-2-C.
Como se había comentado se elige trabajar con una mezcla del tipo densa que clasifica según las especificaciones 2017 de la DNV como CAC D 19 R (CA-20; AC-2; AM-2-C; AM 3). En la Tabla N° 2 se muestran las curvas límites y la curva adoptada de la combinación de los agregados que la componen.

Resultados obtenidos

En la Tabla N°3 se muestran los valores obtenidos en el ensayo de ahuellamiento, profundidad de huella proporcional (PRDaire) y pendiente de ahuellamiento (WTSaire), y Punzonado, de la mezcla fabricada con los distintos asfaltos empleados. En el caso de los valores de Sd informados son el resultado de un valor medio de 3 valores individuales, mientras que para los valores informados de WTS y PRD son el valor medio de 2 valores individuales.
En primera instancia se analiza la resistencia al punzonado, tanto sobre las probetas moldeadas como sobre los testigos calados. En este caso los valores expresados son los valores medios de las medias informadas en la Tabla N°3.
Luego se busca analizar la variación media para los dos parámetros de ahuellamiento WTS y PRD. Se obtienen aquí los valores medios de los 7 valores medios expresados para cada tipo de asfalto en la Tabla N°3.

Conclusiones

Es posible formular mezclas densas con asfaltos mejorados con polvo de caucho, lo cual sería la mezcla densa CAC D 19 R AC-2, como así también con dos tipos de asfaltos modificados CAC D 19 R AM-2-C y la mezcla CAC D 19 R AM-3. Se puede lograr un asfalto modificado con aporte de polvo de NFU. Esto significa una disminución en los costos de materia prima, evaluado en forma directa, y además se pueden sumar beneficios ambientales al lograr un destino para el caucho proveniente de los NFU.
La mezcla asfáltica del tipo CAC D 19 R CA-20 no cumple en general con los valores exigidos en el pliego de la DNV 2017 en cuanto a los valores de WTS y PRD. En ese caso además, se tiene un valor testigo de la resistencia al punzonado de 4,2 MPa en los testigos extraídos de la probeta de WTT, situación similar a la extracción que se produce en la obra.
La adición del polvo de caucho al asfalto CA-20, que lo ha transformado en un AC-2 produce un cambio de significación en la mezcla de estudio, llevando a que el desempeño de la mezcla CAC D 19 R AC-2 cumpla con los estándares de los pliegos de referencia. Esta situación es de destacar dado qué en una mezcla asfáltica como la inicial, dónde faltaba muy poco para que la misma cumpla con los estándares de ahuellamiento, la adición del polvo de caucho ha producido un cambio satisfactorio en estos parámetros y se mantiene a su vez un crecimiento en la resistencia al punzonado
Los dos asfaltos modificados, con y sin inclusión de polvo de caucho, han provocado mejoras en el desempeño a la resistencia a las deformaciones plásticas permanentes y a la resistencia al punzonado, siendo que donde se registra una tasa de cambio mayor es en la mezcla elaborada con el asfalto tipo AM-3.
De todos modos se puede lograr un asfalto del tipo AM-2 con incorporación de una parte de polvo de NFU, calificándolo según la propuesta de los autores como AM-2-C, con desempeños excelentes, valorados con los resultados obtenidos tanto en la WTS y PRD como en el SDt.

Se recomienda que el uso del polvo de NFU se utilice en las dos condiciones tanto como para un asfalto mejorado AC-2 como para un asfalto modificado AM-2-C.