Modificación de cemento asfáltico en caliente con emulsión de SBR

 

En los países de la región se registra el uso difundido del Estireno-Butadieno-Estireno (SBS), como principal agente modificador de los cementos asfálticos en caliente. Esto, en parte, se debe a la gran afinidad que presenta con los cementos asfálticos ante temperaturas y cillazamiento adecuados en su proceso de modificación. Pero en la actualidad la tecnología vial se encuentra frente al desafío de disminuir los consumos de energía en los procesos de generación de las mezclas asfálticas, promoviendo la exposición de los asfaltos a condiciones menos severas de temperatura, preocupando en la región, que los proveedores de asfalto modificado no siempre cuenten con instalaciones adecuadas, que garanticen una correcta dispersión del polímero y la estabilidad del producto durante su traslado y manipulación en planta. Por lo expuesto, diseñar procesos que involucren menores temperaturas de trabajo, menor complejidad en la planta modificadora y la adición del polímero “in situ”, son objetivos a abordar.
En el presente trabajo, se diseña una instalación que permite, a escala de laboratorio e industrial, adicionar polímeros de manera estable en un cemento asfáltico en caliente “in situ”, cumpliendo con las normativas vigentes de clasificación de los asfaltos modificados y su reología. Para ello se ha utilizado un polímero Estireno-Butadieno-Rubber (SBR) en forma de emulsión y un proceso de mezclado que reemplaza los molinos dispersores por un mezclado de baja acción mecánica. Se establece una rutina de investigación que permite realizar las comparaciones entre dos cementos asfálticos modificados, uno con SBS y otro con emulsión de SBR a nivel de ligante y de prestación de una mezcla asfáltica del tipo densa. Se presentan las valoraciones realizadas sobre ambos sistemas, los diseños de dispersión de laboratorio, y un modelo de instalación industrial, que permiten garantizar un umbral de prestación compatible con las exigencias de los pliegos de especificaciones técnicas.

 

ASFALTOS MODIFICADOS
Los asfaltos modificados para uso en caliente suelen ser producidos en plantas mediante la incorporación a un asfalto convencional base de un polímero del tipo SBS, el cual es un elastómero de tipo radial tribloque. Este tendrá un desempeño óptimo tanto a bajas como a altas temperaturas, reduciendo los riesgos de fisuración térmica, fisuración por rigidez y de ahuellamiento, pero deberá ser adquirido en volúmenes prefijados y almacenado por diversos periodos a temperatura con recirculación, de acuerdo a su tasa de empleo.
Por otro lado existen en el mercado polímeros modificadores del tipo SBR, que es un elastómero de configuración lineal, los que se presentan como una emulsión en agua, lo cual hace que se hayan empleado desde hace años como modificadores de emulsiones asfálticas. Este producto también puede ser empleado en la modificación de asfaltos en caliente directamente en la planta asfáltica, con un equipamiento mínimo y permitiendo la modificación de la cantidad de asfalto que se vaya requiriendo de acuerdo a la demanda, obteniéndose un producto que clasifica según la normativa IRAM correspondiente como AM-3 (calificación necesaria para su empleo en mezclas asfálticas modificadas).

 

MATERIALES Y METODO
Puede expresarse que se tienen dos familias principales de polímeros de aplicación en asfaltos: los plastómeros y los elastómeros. Las propiedades químicas de cada uno son diferentes al igual que el impacto a esperar de su empleo. Los plastómeros otorgan rigidez al asfalto para contrarrestar la deformación permanente, sobre todo en temperaturas altas. Los elastómeros otorgan rigidez pero también elasticidad, sobre todo en temperaturas bajas o cambiantes que resultan en fatiga. Por lo tanto, el polímero mejor indicado en una obra, aparte de lo económico, va a depender de los problemas específicos que enfrente el caminero y las mejoras que se deseen de la modificación. Es generalmente aceptado que los elastómeros pueden mejorar la resistencia a la deformación plástica, a la vez que mejoran, o al menos no perjudican, la resistencia al agrietamiento por fatiga. En general las experiencias con plastómeros son muy positivas en mejoramiento de la resistencia a la deformación plástica a temperaturas altas de operación, pero a veces no son tan favorables en resistencia al agrietamiento por fatiga, a temperaturas intermedias.
Se desprende que para la elección de cada tipo de modificador lo mejor es siempre ejecutar ensayos de desempeño para la mezcla a la deformación plástica a altas temperaturas, al agrietamiento por fatiga a temperaturas intermedias a bajas, al agrietamiento térmico y a la susceptibilidad por la humedad. Para ello la implementación de ensayos como los de envejecimiento RTFOT, PAV para las distintas condiciones climáticas, la determinación del G* y su ángulo de fase por medio del reómetro de corte son fundamentales, mientras que sobre las mezclas producidas se hace necesario considerar ensayos de test de Lottman, Wheel Tracking Test, Estabilidad Remanente y Módulo dinámico.
En el presente trabajo se realizan dos modificaciones de un cemento asfáltico convencional. Por un lado se utiliza un polímero del tipo SBS, que en principio tendrá un desempeño óptimo tanto a bajas temperaturas como a altas temperaturas. Por otro lado se incorpora como modificador un SBR, que como se comercializa en forma de emulsión requiere de un análisis particular para su adición en caliente. Dado el cambio de configuración en la cadena elastomérica se debe evaluar el comportamiento de esta modificación a bajas y a altas temperaturas, tanto en el ligante como en la mezcla que el mismo conforme.

 

METODOLOGÍA DE ADITIVACIÓN
Luego de varias experiencias guiadas por experiencia previas relacionables a nivel internacional, se establece que la modificación óptima en laboratorio del cemento asfáltico convencional CA-20, reúne las siguientes características:
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ANÁLISIS SOBRE LA MUESTRA DE ASFALTO MODIFICADO
Dada la clasificación como AM-3, se procede a caracterizar al mismo mediante SUPERPAVE, para valorar el comportamiento del ligante a altas, medias y bajas temperaturas, obteniendo como resultado final el Grado de Performance (PG). El procedimiento, comienza con la determinación del Punto de Inflamación y la Viscosidad a 135 ºC sobre el Ligante Original. Se determina el Factor de Ahuellamiento como el cociente entre el Módulo Complejo de Corte (G*) y el seno del Angulo de Fase (), establecidos mediante el ensayo Dynamic Shear Rheometer (DSR). Se le realizan al ligante dos procesos de envejecimiento: en el Rolling Thin Film Oven Tester (RTFOT) y en el Pressure Aging Vessel (PAV).
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Ambos simulan el envejecimiento en planta y en servicio del ligante, respectivamente. Después de pasar por el RTFOT se determina el Factor de Ahuellamiento como el cociente entre el G* y el seno de . Finalmente para medias y bajas temperaturas sobre el asfalto envejecido en el RTFOT y luego en el PAV, se determina el Factor de Fisuración por Fatiga como el producto entre el G* y el seno de . Con el Bending Beam Rheometer (BBR), sobre el asfalto en estas mismas condiciones, se determina el Módulo de Rigidez del ligante envejecido.

ANÁLISIS DEL EMPLEO DEL CEMENTO ASFÁLTICO MODIFICADO EN MEZCLAS ASFÁLTICAS
Se procede al análisis de incorporación del asfalto modificado en laboratorio en una mezcla asfáltica. Se ha seleccionado para el análisis una mezcla CAC-D20, según la clasificación de la Especificaciones Técnicas para Mezclas en Caliente de la Comisión Permanente del Asfalto de Argentina, publicación que se considera incluye los más modernos lineamientos en tal sentido. Esta mezcla se puede diseñar tanto con cemento asfáltico convencional como con cemento asfáltico modificado, lo cual la torna ideal para este estudio en particular, además de representar una tipología de mezcla, por sus parámetros físicos y mecánicos, representativa de las que se utilizan en la enorme mayoría de las pavimentaciones en Argentina. Las determinaciones efectuadas son:
* Vacíos, Estabilidad y Fluencia Marshall, además de Densidad Marshall, Relación E/F, VAM y la Relación B/V, que complementan el análisis.
* Ahuellamiento por Wheel Tracking Test: No se encuentra especificada con límites de aceptación o rechazo, pero permite comparaciones relativas de desempeño de diversas mezclas asfálticas.
* Análisis de adherencia: Para predecir el comportamiento de las mezclas en obra mediante el Test de Lottman Modificado (AASHTO 182 modificada). Se establece una resistencia conservada por encima del 80 % como umbral de aceptación.
* Análisis de respuesta estructural mediante Módulo Dinámico: Para estudiar la respuesta estructural ante la acción de cargas dinámicas del tránsito, según la normativa UNE-EN12697-26. En este caso se ha efectuado el análisis sobre probetas Marshall, estableciéndose para el estudio las siguientes combinaciones de frecuencia y temperatura: Temperatura baja (5 ºC) y frecuencia alta (5 Hz), se representa un estado frágil ante una solicitación a alta velocidad; temperatura intermedia (20 ºC) y frecuencia intermedia (1 Hz), se representa una situación intermedia de trabajo; y temperatura intermedia/alta (40 ºC) y frecuencia baja de (0,1 Hz), se representa una situación de temperatura intermedia/alta con acción de un tránsito lento.
Para las mezclas con asfalto convencional y asfalto modificado comercial AM-3 se utilizó un contenido de 4,8 % de asfalto. Y para la mezcla con asfalto modificado con SBR se empleó un contenido de asfalto del 5,2 %, en cada caso este es el contenido óptimo determinado por el análisis Marshall de al menos cuatro contenidos.
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Algunos resultados demuestran que se trata de mezclas asfálticas comparables entre si (Vacíos, Densidad Marshall, Densidad Rice, Fluencia, Adherencia, etc.), mientras otros permiten establecer en cuanto a prestaciones como existe una tendencia a ubicar a la modificación con SBR en un punto próximo a los valores alcanzados con el AM-3 comercial, y superior a los obtenidos con el CA-30 (Estabilidad, Módulos Dinámicos, RD, WTS y PRD).
En la Figura 7 se han volcado las evoluciones de los ahuellamientos en el Wheel Tracking Test de las tres mezclas en forma comparativa, pudiéndose observar como la mezcla con emulsión de SBR se aproxima fuertemente a la que posee AM-3 comercial, con ahuellamientos muy por debajo de los obtenidos con la mezcla con asfalto convencional.
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ANÁLISIS DE LA IMPLEMENTACIÓN A ESCALA INDUSTRIAL
La modificación de asfalto mediante emulsión de SBR se basa en la dispersión de dos líquidos, siendo la mezcla de dos componentes inicialmente separados. El proceso puede traer aparejado la formación de vórtice con incorporación de aire, importante ya que produce un aumento de formación de espuma y una aceleración de la oxidación del cemento asfáltico, logrando un envejecimiento prematuro. Además se debe efectuar la prevención del flujo circulatorio, debiéndose evaluar las componentes que forman la velocidad del fluido en un punto del tanque. La primera componente es radial y actúa en dirección perpendicular al eje del agitador. La segunda componente es longitudinal y actúa en dirección paralela al eje del agitador, mientras que la tercera es tangencial y actúa en dirección tangencial a la trayectoria de rotación del agitador. En una operación de mezclado las componentes útiles y que dan el flujo necesario para una correcta mezcla son las radiales y longitudinales y la componente a evitar es la tangencial, la cual sigue una trayectoria circular alrededor del eje creando un vórtice en la superficie. Estos aspectos se han analizado en el desarrollo del equipamiento a escala industrial.
Por otro lado, las etapas del proceso productivo de modificación de cemento asfáltico con emulsión de SBR pueden considerarse en forma conceptual son: “Recepción y almacenamiento de materias primas”, “Carga de materias primas en el tanque de mezcla”, “Mezcla con calefacción de los componentes” y “Descarga y almacenamiento del producto final”, debiéndose considerar que de este sistema sólo algunos son equipos diferenciales de los que intervienen en el proceso convencional de modificación de asfalto con SBS.
Adicionalmente se considera:
* Se trata de un fluido con una viscosidad promedio de 400 cps (a 140°C), una densidad de 1,000 gr/cm3 y una velocidad de agitación máxima de 200 RPM.
* Una capacidad máxima de 5.000 litros, superada la cual la potencia necesaria es excesiva. Esto permite una producción en Batch, que se relaciona con la forma habitual de presentación de la emulsión de SBR, su grado de dilución, el contenido de modificador necesario en función de la experiencias realizadas y la demanda de cemento asfáltico para el tipo de aplicaciones contemplado, materializable de dos maneras con un mismo equipo:
– Batch de 2.500 kg con un tambor de 200 litros de emulsión de SBR.
– Batch de 5.000 kg con dos tambores de 200 litros de emulsión de SBR.
* Un tipo de rodete de turbina de disco con palas, la cual genera un buen flujo de mezclado.
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Se ha estimado que para la producción de un Bacth de 2.500 kg calefaccionado por serpentín, incorporando la emulsión de SBR sobre la superficie con un rociador tipo flauta, siendo el mezclado a 200 RPM con un motor con reducción de 7,5 HP con variador de potencia, se requiere para la evaporación del agua de emulsión una energía de 34.290 kcal, siendo la extracción de vapores conducida a un contenedor de 1 m3 con solución alcalina.

 

CONCLUSIONES
Es posible dispersar una emulsión de SBR en cemento asfáltico en caliente tanto a escala de laboratorio como a escala industrial. A escala de laboratorio se ha podido modificar el asfalto base CA-20 con un contenido de SBR residual del 5%, usando simplemente un mezclador con paleta a 300 RPM, en lugar de emplear un dispersor con rotor-estator a más de 5.000 RPM, como sería necesario en el caso de querer realizar la modificación con pelets de SBS. Esta dispersión se realizó a 160-170 ºC gracias a un baño de aceite termostatizado, requiriéndose para producir 1 kg de asfalto modificado una hora de mezclado. Se registró como máximo una duplicación del volumen respecto del asfalto original por formación de espuma al liberar el agua de la emulsión, habiendo sido incorporada ésta en un periodo de entre 10 y 15 minutos. A escala industrial esta modificación se determinó es posible realizar con paletas sumergidas en el asfalto replicando la experiencia de laboratorio, reemplazando esto el uso de un molino coloidal de gran tamaño, con tanques de reserva que permitan almacenar el flujo generado por el mismo, como los utilizados en la modificación con SBS.
Con este proceso es posible obtener un asfalto modificado AM-3 según la Norma IRAM 6596 con un PG 70-22 por la metodología Superpave.
Con dicho asfalto modificado se ha podido elaborar una mezcla asfáltica, tipo CAC-D20, con prestaciones de Módulo Dinámico, Resistencia al Ahuellamiento y Adherencia Arido-Ligante, similares a las de un asfalto modificado comercial.

 

* H. Gerardo Botasso, J. Julián Rivera, Cecilia Soengas, Oscar Rebollo y German Spinelli integran el LEMaC, Centro de Investigaciones Viales, de la Universidad Tecnológica Nacional de La Plata.