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Uso de los RAP derivados de mezclas con asfaltos modificados (RMAP)

Primeras experiencias en mezclas densas en caliente.
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EDITORIAL


Primeras experiencias en mezclas densas en caliente


*Por Nidia N. E. Frentes; Hugo Daniel Bianchetto; Héctor Luis Delbono del LEMAC (Centro de Investigaciones Viales) UTN Facultad La Plata.

Para visualizar las figuras mencionada en la nota, haga click aquí


En las últimas dos décadas, se viene trabajando en estudios sobre la reutilización de los materiales obtenidos de caminos que presentan condiciones que determinan su demolición parcial o total, ya sea de capas superficiales de rodamiento o de bases asfálticas (1). Hoy en día, las mezclas asfálticas confeccionadas con asfaltos modificados se encuentran ante esta situación, generando de esta manera un material novedoso en su reutilización, con un valor agregado a pesar de su envejecimiento, en comparación de un RAP derivado de una mezcla asfáltica convencional, al que denominaremos “RMAP” (“M” de modificado).
En el Centro de Investigaciones Viales LEMaC-CIC PBA se comenzaron los estudios sobre la reutilización de estos materiales y, en este trabajo presentamos los primeros resultados de la caracterización de un RMAP con el fin de utilizarlo en una mezcla asfáltica densa con asfalto convencional, según normativa vigente establecida en el pliego de especificaciones técnicas generales para concretos asfálticos en caliente y semicaliente del tipo densos, con aporte de RAP, de la Dirección Nacional de Vialidad, del año 2017 (2).
Reciclado de mezclas asfálticas
El uso del RAP se ha ido incrementando con el paso de los años. En sus inicios, su disposición en los denominados vertederos se daba como residuo o, en el mejor de los casos, como material reutilizable en zonas próximas a las obras a emplear en rellenos. Luego, comenzó a ser utilizado en estabilizados para banquinas o para capas inferiores de suelos que componen el paquete estructural. Mediante los usos antes mencionados, prácticamente se desestimaba el aporte que el ligante bituminoso puede brindar a los nuevos materiales compuestos (3).
Sin embargo, la revalorización del reciclado en la nueva cultura global de protección medioambiental ha motivado el desarrollo de nuevas tecnologías que pusieron en valor el uso de este material, incrementando su porcentaje en peso de mezclas para su aplicación en capas de base y de rodadura.
La Figura N° 1 permite observar la disponibilidad, en millones de toneladas, de RAP en los países europeos con mayor producción de tal material: Alemania, Italia, Francia, Países Bajos, Bélgica y España, durante el periodo del año 2013 al año 2018 (4).
En la Figura N° 2, se muestra la tendencia creciente del empleo de RAP en mezclas asfálticas en caliente (HMA) en los mismos países europeos antes mencionados y durante igual periodo (4), evidenciándose el aumento de la generación de proyectos sostenibles, tanto desde el sentido económico como medioambiental, a partir de reducir el consumo de dos materiales no renovables y de elevado costo, como son los agregados pétreos y los ligantes asfálticos vírgenes, en las nuevas mezclas para rehabilitación o reconstrucción de los caminos, reemplazando parcialmente su dotación por un material que forma parte de una estructura que ha culminado su vida en servicio. El incremento en el uso de los RAP implica además una notable reducción de gastos de transporte, hecho que debería considerarse muy especialmente en países de extensa geografía, como ocurre en nuestro país.
Esta práctica de reciclar productos descartables conforma la denominada economía “circular” (1), donde considerando los parámetros de la gestión, seguimiento y control de los pavimentos, se obtiene una retroalimentación continúa desarrollando pavimentos sostenibles y sustentables (5).
Para el aprovechamiento del RAP en mezclas asfálticas se puede establecer que, en la generalidad de los casos, su empleo en proporciones de hasta un 15% en peso de las mezclas no debería tener restricciones, dado que se cuenta con una vasta información que demuestra que debajo de tal porcentaje su incorporación tiene como principal finalidad la función de agregado dentro de la nueva mezcla (6). En porcentajes mayores, el asfalto envejecido podría generar variaciones significativas en las propiedades del asfalto resultante de la mezcla final; esto último implica la necesidad de un mayor control y monitoreo de dichas características, para que las mezclas resultantes cumplan con exigencias de performance similares a las establecidas para las mezclas asfálticas en calientes sin incorporación de RAP (7).
Mezclas asfálticas con ligantes modificados
Las condiciones climáticas extremas de ciertas zonas geográficas, los incrementos en las solicitaciones de cargas a las que están expuestos los pavimentos y, la necesidad de disminuir los accidente viales (8), dieron lugar al desarrollo de los ligantes asfálticos modificados, quienes a su vez posibilitaron el desarrollo y la producción de nuevas tecnologías de mezclas asfálticas tales como las Stone Mastic Asphalt (SMA), los microaglomerados discontinuos en caliente, las mezclas drenantes y las mezclas de alto módulo, entre otras, que supieron dar respuesta a las singulares exigencias a que están sometidas las carreteras en la actualidad.
La introducción de las mezclas asfálticas con asfaltos modificados en la Argentina data de 1996, con los primeros tramos en rutas y en pavimentos urbanos de superficies de rodamiento con microaglomerados (9); (10). En ese año, se efectuaron las experiencias iniciáticas con ligantes polimerizados, algunas de ellas intentándose materializar la modificación “in situ” en la obra con medios rudimentarios, y otras con mayor sustento tecnológico gracias a la modificación del ligante en las refinerías. Los modificadores comúnmente utilizados son los poliméricos: elastómeros (tales como el Estireno-Butadieno-Estireno, SBS) y termoplásticos o plastómeros (Estireno Acetato de Vinilo, EVA; Etileno Acrilato de Mitilo, EMA), los cuales aportan notorias mejoras a las propiedades físicas y químicas de los ligantes, fortaleciendo su cohesión y adhesión respecto a los agregados pétreos. Los últimos avances al respecto de esta temática han dado lugar a los asfaltos altamente modificados con polímeros (HiMA), donde en la dispersión la fase polimérica continua ofrece su mayor performance (11), dando lugar a una nueva tecnología de mezclas denominadas Altamente Modificadas AAMP-HIMA, de la cual ya se cuenta con un tramo experimental ejecutado en nuestro país, de aproximadamente 200 km en la Ruta Nacional 9, Autopista Buenos Airess-Rosario, en la obra de reacondicionamiento de un tramo de la calzada ascendente y descendente respectivamente (12).
Problemática actual de los pavimentos con mezclas asfálticas modificadas a rehabilitar en la Argentina.
En la actualidad, muchos pavimentos de mezclas con ligantes asfálticos modificados están llegando al fin de su vida útil y deben ser rehabilitados. El RAP resultante de las intervenciones de fresado da lugar a un material novedoso en nuestro medio, al que hemos denominado RMAP. Si bien, las carpetas se han envejecido y deteriorado por el paso del tiempo, la acción del tránsito y del clima, esto no implica que los materiales componentes estén agotados (13). Los agregados sufren cambios granulométricos por acción de las picas de las fresadoras, pero mantienen en buena medida el resto de sus propiedades, del mismo modo que sucede con el RAP tradicional. Pero en el caso del ligante asfáltico modificado envejecido, por su origen y propiedades, seguramente otorgará mejores prestaciones en comparación con un ligante asfáltico envejecido derivado de un RAP convencional. Cabe destacar que esta última característica se suma a los amplios beneficios que el uso del reciclado provee, otorgándole la posibilidad de incrementar la performance de los asfaltos convencionales, a veces incluso, sin necesidad de implementar agentes rejuvenecedores.
Se podría plantear, directamente, el empleo del RMAP como parte de una nueva mezcla asfáltica modificada a colocar. Sin descartar esta posibilidad, se debe tener presente que una mezcla con asfalto polimerizado es, casi sin excepciones, un material “Premium”, de características especiales y a utilizar en vías con prescripciones de muy alta exigencia, sea por la magnitud de solicitaciones previstas, porque se quiere disponer de una superficie que provea un elevado nivel de seguridad, por proyectarse una vida útil prolongada o por la suma de los preceptos mencionados.
Por las razones señaladas, se estima que sería muy apropiado el uso de RMAP en mezclas con asfaltos convencionales. Precisamente, ésta es la finalidad del trabajo de investigación que ha comenzado a desarrollarse en la Universidad Tecnológica Nacional, en su Centro de investigaciones Viales LEMaC-CIC PBA de la Facultad Regional de La Plata y en la Facultad Regional Avellaneda, y que forma parte de la tesis doctoral denominada “Estudio del comportamiento de los RAP derivados de mezclas asfálticas con asfaltos modificados en la producción de mezclas en caliente para carreteras”, en la que se propone analizar los alcances y los eventuales beneficios del empleo de diferentes RMAP en mezclas convencionales en reemplazo de una cierta proporción de materiales vírgenes.
Para ello, se están estudiando en el laboratorio tres tipologías diferentes de RMAP de obras de pavimentación asfáltica con ligantes modificados que llegaron al final de su período de servicio o debieron ser fresadas por fallas prematuras.
El “RMAP1” se obtuvo de las tareas de rehabilitación de la AU. Ezeiza-Cañuelas, Buenos Aires; la tipología de mezcla original es una SMA 19 y su tiempo estimado de servicio fue de aproximadamente diez años. El RMAP2 es un material proveniente de la Ruta Provincial 91, tramo comprendido entre las localidades de Cañada de Gómez (Ruta Nacional 9) y Totoras (Ruta Nacional 34), entre la progresiva 0 a 5000, en la provincia de Santa Fe. Se trata de una mezcla densa en caliente con asfalto AM3 de carpeta de rodamiento y el periodo de servicio fue de tan sólo un año y medio aproximadamente. Por último, el RMAP3 proviene de un pavimento urbano, la Avenida 7 entre las calles 54 y 57 de la ciudad de La Plata; durante las tareas de rehabilitación efectuadas en 2018 y responde a una mezcla densa en caliente con AM3 con aproximadamente 20 años de usufructo. Se infiere que tanto las composiciones de los ligantes asfálticos como las tecnologías disponibles para la ejecución de los diferentes tramos fueron, seguramente, diferentes, habida cuenta de los avances en el conocimiento de estos materiales y en la tecnología de obras que se experimentaron desde finales del siglo pasado en las obras viales con asfaltos modificados con polímeros.
Parte experimental
Se ha comenzado con la caracterización reológica del asfalto componente del RMAP1, Figura N° 3, proveniente de una mezcla SMA 19, información indispensable para evaluar sus posibilidades de empleo en la construcción de nuevos caminos; se aspira evaluar las capacidades que este material bituminoso puede aportar en la elaboración de una mezcla asfáltica en caliente convencional. También se realizó un análisis granulométrico del RAP.
Para tales fines se tomó una cantidad de material representativa del acopio con el que se cuenta en el laboratorio. El material fue secado en estufa a 60°C hasta peso constante, disgregando de manera manual los bloques que amalgama el ligante asfáltico, lo que le otorga al RMAP su característica de hidrofílico, debido a su gran absorción de agua, la cual queda contenida dentro de estos flóculos. Por lo antes mencionado, es primordial el control de acopio del RMAP, no sólo en laboratorio sino especialmente en las obras, en lugares preferentemente techados, abiertos, para generar recirculación de aire, y evitar el embolsado, por la humedad de transpiración que puede generarse dentro de las mismas.
De igual manera se procederá a futuro con los otros dos materiales de fresado, RMAP2 y RMAP3.
Se determinó, mediante el horno de calcinación, que el tenor de asfalto del RMAP1 es de 4,59 % en peso respecto del total del material de reciclado (14).
Por otra parte, se separó en laboratorio, convenientemente, el asfalto del agregado mineral, empleando un solvente (diclorometano) lo suficientemente invasivo para eliminar completamente la presencia del cemento asfáltico por absorción pero que, a su vez, no provocase alteraciones químicas en contacto con el ligante asfáltico pues puede usarse a temperatura ambiente y no genera un envejecimiento adicional.
Se realizó la granulometría del material árido limpio, Figura N° 4, la que se puede observar en la Figura N° 5. Se asume que esta distribución de tamaños es la más representativa de la condición en la cual se incorporará el agregado inerte particulado a la nueva mezcla pues, en el tambor de la planta elaboradora, las elevadas temperaturas del recinto y también de los agregados vírgenes precalentados al momento de mezclarse con el RAP permitirán una disgregación similar del material.
En la gráfica se incluyó, además, el huso previsto por el Pliego General de Especificaciones de la DNV para una mezcla SMA 19. Puede así ponderarse claramente el efecto del fresado en el tamaño resultante del agregado del RAP. En la curva se resaltó el tamiz Nº4 que separa los agregados gruesos de los finos. Se destaca, entonces, que en este RMAP1 genera un gran aporte de agregado fino, dato no menor, ya que se espera evaluar en etapas posteriores la incidencia de las máquinas fresadoras en el producto final que se obtiene.
Para separar el asfalto envejecido del solvente se utiliza un rotovapor, equipamiento, Figura N° 6, el cual mediante temperatura y presión controladas separa al ligante bituminoso del solvente (15). El asfalto modificado recuperado fue caracterizado mediante penetración (16), punto de ablandamiento (17), viscosidades rotacionales con el viscosímetro Brookfield a diferentes temperaturas (18) y, en particular, un ensayo emblemático que demuestra las propiedades elásticas de los asfaltos modificados con polímeros, el ensayo de Recuperación Elástica Torsional (RET) (19). Los resultados se pueden ver en la Tabla N° 1, en comparación con los parámetros establecidos según la Norma IRAM 6596, la cual establece la clasificación para los asfaltos modificados, donde se puede apreciar que un asfalto modificado AM3 envejecido puede clasificarse aún como un asfalto modificado AM1, dejando en evidencia la conservación, pese a la oxidación sufrida en servicio, de ciertas propiedades elásticas importantes.
En una instancia posterior se efectuará un análisis reológico mediante un reómetro dinámico de corte (DSR), y también un estudio específico integral con técnicas de análisis macromolecular por espectrometría de dispersión de electrones (EDAX), Termo-gravimetría (TGA), calorimetría diferencial de barrido (DSC) y Espectroscopía Infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). Con toda esta batería de ensayos se busca evaluar las propiedades y el comportamiento del asfalto modificado residual en comparación con un asfalto virgen.
Con los materiales caracterizados se comenzó a realizar la primera experiencia de una mezcla convencional con la adición de RMAP1 en un 25 % en peso, aspirando incrementar dicho porcentaje hasta un 50% en etapas posteriores. La granulometría de la mezcla de diseño (que según el pliego DNV 2017 es un “concreto asfáltico denso en caliente de tamaño máximo 19 mm”, CAC D 19), se compone entonces con los áridos vírgenes y el árido provisto por el material de reciclado. Una mezcla de tales características sería apta incluso para una carpeta solicitada ante altas prestaciones (tránsito T1, porque el contenido de RAP es menor a 30%; Tabla N° 2).
Para el diseño de la mezcla, en esta primera etapa, se utiliza el Método Marshall, por su amplia aplicación en diseño y control de las obras viales en nuestro país; se estudian las propiedades físico-mecánicas establecidas por el procedimiento con la finalidad de obtener el porcentaje óptimo de ligante convencional virgen a incorporar en la mezcla con un 25% de RMAP. En subsiguientes etapas se evaluará su performance mediante la determinación de módulos a diferentes temperaturas y determinando su comportamiento ante esfuerzos que provocan deformaciones permanentes y fallas por fatiga. De igual manera se procederá con los otros RMAP a evaluar en estas investigaciones.
Los agregados pétreos vírgenes a emplear son los de mayor disponibilidad de la región, tal es el caso de los granitos con graduaciones de 0-6 y 6-20, originarios del sistema serrano de Tandilia en la provincia de Buenos Aires, a los cuales se efectuaron los ensayos de caracterización físico-mecánicos de rigor: granulometría, densidad, absorción, índices de lajas y de elongación, desgaste los Ángeles, abrasión Micro Deval y limpieza (equivalente arena, polvo adherido), que demostraron las buenas condiciones de los agregados pétreos para ser empleados en la confección de mezclas asfálticas. Debido a los beneficios que otorga el hecho de utilizar cal como filler (20), se consideró la adición de cal hidráulica hidratada, de origen comercial, en este caso en proporción de 1% en peso de las mezclas, asegurando que su aporte se encuentra dentro de los valores aceptables establecidos con el parámetro de concentración critica (Cc) para no rigidizar a la mezcla resultante.
Como ligante asfáltico virgen se dispone del ligante convencional de mayor implementación por sus rangos de prestaciones en esta parte del país, un CA-30, que cumple con las especificaciones técnicas y del cual se intentará establecer su compatibilidad con el ligante residual del RMAP e inclusive comprobar si su incorporación puede generar mejoras en el medio ligante resultante.
Se determinó que la temperatura óptima de mezclado es de 155°C.
Los primeros resultados obtenidos de este análisis demostraron parámetros aceptables o incluso en ciertos aspectos superiores a los obtenidos en mezclas densas sin la incorporación de RMAP. Si bien la pandemia del COVID-19 impidió la prosecución de esta fase experimental, los ensayos preliminares indican que se podría obtener una mezcla que cumpla las exigencias prescriptas con un contenido de asfalto virgen inferior a 4% en peso de la mezcla, lo cual demuestra que el aporte de ligante asfáltico modificado envejecido que ofrece el RMAP1 es relevante. Así, la economía de materiales vírgenes no sólo se manifiesta en los agregados pétreos sino también en el ligante bituminoso.
Conclusión y discusión
Con el panorama expuesto, a partir de este análisis introductorio de las investigaciones que se están llevando adelante, se puede vislumbrar que la aplicación en mezclas asfálticas en caliente de RAP derivado de mezclas con asfaltos modificados (RMAP) puede llegar a significar un aporte técnicamente valioso a la mezcla resultante, además de contribuir notablemente al cuidado medioambiental y a la economía de obra.
Si bien ya se ha comenzado en nuestro país con la incorporación de material de reciclado de pavimentos, a sabiendas de las recomendaciones internacionales de su uso prácticamente irrestricto hasta tasas inferiores del 15%, la aplicación de estudios y ensayos de laboratorio y las posteriores pruebas de campo de esta técnica en continuo crecimiento están siendo fuertemente incentivadas por nuestra repartición vial madre con el objeto de incrementar, dentro de lo tecnológicamente factible, el aporte de RAP, toda vez que el Pliego de Especificaciones Técnicas para mezclas en caliente de la Dirección Nacional de Vialidad, versión 2017, prevé adiciones hasta un máximo de 50% en peso de RAP en mezclas de concretos asfálticos densos y semidensos para bases y carpetas.
En particular, estas investigaciones proponen analizar una tipología de RAP de reciente disponibilidad: el derivado de los pavimentos ejecutados con mezclas asfálticas modificadas con polímeros que han concluido su etapa de servicio. El ligante que forma parte de este RAP, si bien se encuentra envejecido, puede llegar a conservar algunas de sus propiedades deseables que lo distinguen por sobre un asfalto convencional de destilería. Esto se corroboró al caracterizar el ligante componente del RMAP1 evaluado en estas experiencias, el cual por ejemplo mantiene, aunque atenuadas, propiedades elásticas nada despreciables.
La continuidad de este trabajo, enmarcado en una Tesis Doctoral, permitirá profundizar las reales posibilidades y ventajas del uso de los RMAP en mezclas nuevas, valorando las propiedades resultantes del conjunto y optimizando en la medida de lo posible la dotación del material fresado a fin de lograr pavimentos flexibles más económicos, funcionales, durables y amigables medioambientalmente.