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DYNA

versão impressa ISSN 0012-7353

Dyna rev.fac.nac.minas vol.80 no.179 Medellín maio/jun. 2013

 

DISEÑO DE MEZCLA ASFÁLTICA TIBIA A PARTIR DE LA MEZCLA DE ASFALTO Y ACEITE CRUDO DE PALMA

WARM MIX ASPHALT DESIGN FROM MIX ASPHALT AND CRUDE PALM OIL

 

CONRADO H. LOPERA PALACIO
Magister en Ingeniería: infraestructura y sistema de transporte, Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellín, conralopera@yahoo.es

JORGE E. CÓRDOBA MAQUILÓN
Ph.D. Ingeniería. Profesor Escuela de Ingeniería Civil, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia-Sede Medellín, jecordob@unal.edu.co

 

Recibido para revisar Marzo 13 de 2012, aceptado Septiembre 25 de 2012, versión final Marzo 3 de 2013

 


RESUMEN: El aumento de la conciencia ambiental y una regulación más estricta de las emisiones atmosféricas han permitido desarrollar las mezclas asfálticas tibias (WMA). Estas mezclas se producen a una temperatura menor que las mezclas en calientes reduciendo la viscosidad del asfalto y disminuyendo los costos de producción por la reducción en el consumo de combustible. Para reducir la viscosidad a bajas temperaturas se utilizan aditivos químicos sin embargo es la primera vez que se utiliza en Colombia el aceite crudo de palma como aditivo reductor de viscosidad del asfalto. Colombia es el primer productor de aceite de palma en América Latina y el cuarto a nivel mundial. La gradación de la mezcla se obtuvo con 54.1% de gruesos, 41.7% de finos y 4.2% de llenante utilizando cal hidratada, y se mezcló con asfalto de penetración 60-70, modificado con crudo de palma al 1%. El diseño se realizó por el método Marshall, la temperatura de producción de la mezcla se redujo, así como la viscosidad del asfalto y se mejoró el desempeño de la mezcla asfáltica tibia comparada con la mezcla asfáltica en caliente.

PALABRAS CLAVE: Mezclas asfálticas tibias, viscosidad, temperatura, asfalto, aceite crudo de palma.

ABSTRACT: Increased environmental awareness and stricter regulation of atmospheric emissions have allowed develop the warm mix asphalt (WMA). These mixtures are produced at a lower temperature than the mixtures in hot reducing the viscosity of the asphalt and decreasing production costs by reducing the fuel consumption. To reduce the viscosity at low temperatures using chemical additives yet it is the first time that is used in Colombia crude palm oil as an additive reducer in asphalt viscosity. Colombia is the largest producer of palm oil in Latin America and the fourth worldwide. The gradation of the mixture was obtained with 54.1% of fat, 41.7% fines and 4.2% of filling using hydrated lime, and mixed with 60-70 penetration asphalt, modified with 1% crude palm. The design is performed by the Marshall method, the production temperature of the mixture is reduced and the viscosity of the asphalt and improved performance of the warm mix asphalt compared to the hot mix asphalt.

KEYWORDS: Warm mix asphalt, viscosity, temperature, asphalt, crude palm oil.


 

1. INTRODUCCIÓN

Las carreteras son esenciales para el bienestar de la humanidad, tanto en términos sociales como económicos, pero es innegable que su construcción, mantenimiento y uso tienen un impacto negativo en el ambiente. Para minimizar parte de esos impactos, la respuesta de los ingenieros ha sido la producción y aplicación de mezclas asfálticas a temperatura reducida. En esta línea, se ha desarrollado la técnica para producir las mezclas tibias, la cual explora las distintas opciones y su eficacia a la hora de reducir el impacto medioambiental en la construcción y mantenimiento de las carreteras pavimentadas.

Efectivamente, una mayor concientización acerca del necesario sostenimiento del medio ambiente aunado a las estrictas regulaciones de emisiones de gases por parte de los entes reguladores ha llevado a que se desarrollen nuevas técnicas para la producción de mezclas de asfalto tibio (WMA, Warm Mix Asphalt) con lo cual se busca reducir las altas temperaturas utilizadas en la producción de las mezclas en caliente (HMA, Hot Mix Asphalt). En este contexto, la Ingeniería Civil propone como principal innovación la utilización de mezclas asfálticas en "tibio", con las cuales lo que se pretende es reducir las temperaturas de mezclado, compactación y viscosidad de la mezcla asfáltica.

Consciente de la importancia que para el equilibrio ambiental tiene la utilización de las mezclas de asfalto tibias, la presente investigación tiene como propósito diseñar y producir en laboratorio mezclas asfálticas tibias a partir de la mezcla de asfalto y aceite crudo de palma. Los beneficios esperados se verán reflejados en la reducción del consumo de energía durante la producción de la mezcla asfáltica y la reducción de las emisiones tanto en la fase de producción como en la de colocación.

Existen varios métodos para la producción de este tipo de mezclas (WMA) estos métodos tienen en común la reducción de la viscosidad del asfalto a una temperatura determinada, lo cual permite al agregado estar plenamente cubierto a temperaturas más bajas que en la producción de la mezcla asfáltica en caliente (HMA).

Las investigaciones sobre WMA se han centrado mucho en la producción con varias tecnologías. En este trabajo se investiga el potencial del aceite crudo de palma como agente reductor de la viscosidad en el asfalto para posteriormente evaluar sus características de desempeño y compararlas con las de la mezcla en caliente (HMA).

 

2. MARCO TEÓRICO

Las mezclas tibias se describen como aquellas que se producen a temperaturas menores que las mezclas en caliente, es decir entre 100°C y 135°C , su producción involucra nuevas tecnologías a partir de los cuales  es posible producir y colocar los concretos asfálticos a temperaturas sensiblemente inferiores a las técnicas convencionales. El concepto de mezcla tibia surgió en Europa [1], tras la necesidad de una mezcla bituminosa que ofreciera economía de energía y tuviera el mismo desempeño de las mezclas bituminosas en caliente.

El desarrollo de esta tecnología con enfoque en la reducción de temperatura de mezcla [2] y compactación empezó en 1997, para cumplir con el Protocolo de Kyoto [3]. Esta alternativa también facilita el trabajo de pavimentación en los países en los que el invierno es muy riguroso [4], una vez que la mezcla tibia enfría más lentamente que la mezcla en caliente.

En 2002, especialistas de los Estados Unidos [5] empezaron a investigar esta técnica, que rápidamente sería adoptada por ese país [6]. En Brasil, se empezó a investigar la tecnología, adaptándola para las condiciones de trabajos locales.

2.1 Antecedentes en la producción de mezclas asfálticas tibias (WMA)
Los antecedentes cronológicos en el trabajo con mezclas tibias se presentan en la tabla 1.

 

2.2 Aceite Crudo de Palma
La palma de aceite es una planta tropical propia de climas cálidos que crece en tierras por debajo de los 500 metros sobre el nivel del mar. Su origen se ubica en el golfo de Guinea en el África occidental. De ahí su nombre científico, Elaeis guineensis Jacq. , y su denominación popular: palma africana de aceite. Su introducción a la América tropical se atribuye a los colonizadores y comerciantes esclavos portugueses, que la usaban como parte de la dieta alimentaria de sus esclavos en el Brasil.

En 1932, Florentino Claes fue quien introdujo la palma africana de aceite en Colombia y fueron sembradas con fines ornamentales en la Estación Agrícola de Palmira (Valle del Cauca). Pero el cultivo comercial sólo comenzó en 1945 cuando la United Fruit Company estableció una plantación en la zona bananera del departamento del Magdalena.

La expansión del cultivo en Colombia ha mantenido un crecimiento sostenido. A mediados de la década de 1960 existían 18.000 hectáreas en producción y hoy existen más de de 360.000 hectáreas (2010) en 73 municipios del país.

2.3 Planta de palma de aceite
En una palma de aceite se mezclan flores masculinas y femeninas, de las que nacen frutos por millares, esféricos, ovoides o alargados, para conformar racimos compactos de entre 10 y 40 kilogramos de peso. Antes de adquirir el color anaranjado rojizo del sol tropical que les brinda la madurez, los frutos son de color violeta oscuro, casi negro. En su interior guardan una única semilla, la almendra o palmiste, que protegen con el cuesco, un endocarpio leñoso rodeado, a su vez, por una pulpa carnosa. Ambas, almendra y pulpa, proveen aceite. La primera, el de palmiste, y la segunda, el de palma propiamente dicha.

El procesamiento de los frutos de la palma de aceite se lleva a cabo en la planta de beneficio o planta extractora. En ella se desarrolla el proceso de extracción del aceite crudo de palma y de las almendras o del palmiste. El proceso consiste en esterilizar los frutos, desgranarlos, macerarlos, extraer el aceite de la pulpa, clarificarlo y recuperar las almendras del bagazo resultante. De las almendras se obtienen dos productos: el aceite de palmiste y la torta de palmiste que sirve para alimento animal.

Al fraccionar el aceite de palma se obtienen también dos productos: la oleína y la estearina de palma. La primera es líquida y se puede mezclar con cualquier aceite vegetal, la otra es la fracción más sólida y sirve para producir grasas, principalmente margarinas y jabones. Las propiedades de cada una de las porciones del aceite de palma explican su versatilidad, así como sus numerosas aplicaciones.

Por su composición física, el aceite de palma puede usarse en diversas preparaciones sin necesidad de hidrogenarse, proceso mediante el cual se forman las grasas trans, indeseables ácidos grasos precursores de enfermedades como la diabetes y los problemas cardiovasculares, entre otras.

 

3. METODOLOGIA

El estudio que se realizó fue de tipo experimental, y durante la investigación el bio-asfalto se evaluó en su desempeño utilizando como técnica los ensayos de laboratorio.

Las actividades más importantes que se desarrollaron fueron:

  • Ubicación y selección de las fuentes de producción de aceite crudo de palma, para caracterizar dicho crudo, identificar sus componentes y definir con base en los resultados; el material vegetal que resulta más apropiado para utilizarlo como modificador de la viscosidad del asfalto.
  • Caracterización del asfalto base que se desea modificar, para definir sus propiedades.
  • Dosificación y mezcla en laboratorio, de las proporciones crudo de palma y asfalto base.
  • Realización de ensayos de viscosidad Brookfield, para cada porcentaje de adición de crudo de palma.
  • Elaboración de curvas de viscosidad vs temperatura, ensayos de penetración, punto de ablandamiento e índice de penetración del bioasfalto producido.
  • Escogencia del porcentaje óptimo de crudo de palma, que le proporcione al asfalto base la mayor disminución de la viscosidad a la misma temperatura, y cumpla la norma INVIAS.
  • Elaboración de la curva reológica del asfalto modificado (bioasfalto), con el fin de determinar las temperaturas mezclado y compactación de las mezcla.
  • Definición de la fuente de los materiales pétreos, para elaborar la mezcla asfáltica.
  • Caracterización por medio de ensayos de laboratorio, de los materiales a utilizar de acuerdo a la norma INVIAS 2007.
  • Calcular la curva granulométrica para una mezcla asfáltica semidensa MSC-2, y definirla como curva para la fórmula de trabajo.
  • Fabricación de las probetas a utilizar, para cada porcentaje de asfalto definido.
  • Elaboración del diseño de la mezcla asfáltica de acuerdo al método Marshall, dibujar las curvas y definir la formula de trabajo.
  • Elaboración de las probetas usadas en laboratorio, con la fórmula de trabajo obtenida para ejecutar las pruebas de desempeño dinámico de las mezclas.
  • Comparación de los resultados de desempeño de la mezcla tibia con resultados de las mezclas en caliente.

 

4. RESULTADOS

Después de analizar varias muestras de diferentes partes del país, se seleccionó la muestra de "dismaprim", esta plantación está ubicada en el departamento de Cundinamarca y cuenta con las siguientes características químicas: crudo de Palma 100% vegetal, apariencia semi-sólida, color naranja o rojizo. Dependiendo del tiempo de almacenamiento puede cambiar la acidez y puede presentar un olor rancio. En la tabla 2 se pueden ver las características de la muestra escogida.

Otras muestras analizadas fueron suministradas por Palmagro, ubicada en becerril Cesar y crudo de palma de Santa Marta, ninguna de estas muestras cumplieron con los controles de calidad, por eso se descartaron, ver tablas 3 y 4 respectivamente.

Se realizan los ensayos de laboratorio con el fin de identificar las características del asfalto base a utilizar, cuyos resultados se pueden ver en la tabla 5.

Dado que el crudo de Palma se considera como un aditivo modificador de la viscosidad del asfalto base, su utilización y dosificación obedeció a los parámetros que se usan para dichos objetivos, es decir, se establece una cantidad que sea menor a 1%, controlando los resultados obtenidos con cada porcentaje. Para tal efecto se consideraron cantidades de 0.3%, 0.5%, 0.7% y 1.0% generando con estos valores una regresión logarítmica en el plano viscosidad vs temperatura.

4.1 Viscosidades para la mezcla asfalto y crudo de palma
Se realizó ensayo de viscosidad para la mezcla de asfalto base y aceite crudo de palma en los porcentajes de 0.3%, 0.5%, 0.7% y 1.0% y a diferentes temperaturas, y a distintas muestras, entre ellas "dismaprim" y "palmagro" resultados que se muestran en las tablas 6 y 7, y donde se puede observar que el crudo de palma procedente de "dismaprim", y con el 1% de adición con relación al peso del asfalto, posee el mayor potencial reductor de la viscosidad.

De los resultados obtenidos de la tablas 6 y 7, se escoge el crudo de palma procedente de Dismaprim, y con el 1% de adición con relación al peso del asfalto.

4.2 Características de los materiales
Los materiales pétreos se obtienen de una planta para el procesamiento de agregados en el Valle de Aburrá y de la cual se obtiene la caracterización de acuerdo a ensayos realizados a dichas muestras, donde las proporciones fueron de 54.1% gruesos, un 41.7% de finos y un 4.2% de llenante. Para determinar en el laboratorio las propiedades del material se utilizaron las normas del Instituto Nacional de Vías (INVIAS) 2007. El Bioasfalto utilizado fue el aceite crudo de palma de "dismaprim" al 1%, para la producción de la mezcla se utilizó el diseño Marshall con el cual se obtuvo la formula de trabajo; que sirvió para elaborar las briquetas y evaluar el desempeño de la mezcla.

En las tablas 8, 9 y 10 se pueden observar la caracterización de los agregados gruesos, finos, llenante mineral y los valores de la norma INVIAS, donde se puede evidenciar que los agregados cumplen con dicha norma.

El asfalto utilizado fue Normalizado de penetración 60-70 modificado con crudo de palma al 1%, y cuyas características se pueden ver en la tabla 11.

4.3 Diseño Marshall
Mediante el ensayo Marshall se determinó el contenido óptimo de betún para una mezcla de agregados de composición y granulometría determinada. Para ello se prepararon cinco juegos de tres briquetas con 75 golpes por cada cara con incrementos del medio por ciento (0.5%) en el contenido de asfalto en peso sobre la mezcla total.

Los contenidos de asfalto variaron desde 4.0 hasta 6.5%, los agregados en fracciones representativas fueron calentados a una temperatura de 165°C, el asfalto se calentó a 155°C y se mezclaron hasta obtener un conjunto homogéneo.

Las probetas se compactaron a una temperatura de 140°C con 75 golpes por cada cara, con la energía de compactación correspondiente a un martillo de 10 lbs. de peso y 18" de caída. Una vez frías las briquetas se determinaron la densidad seca y la densidad húmeda superficie seca, como específica la norma. Además, se realizan los ensayos de estabilidad y deformación, previa inmersión en un baño de agua a 60°C y durante un tiempo de 30 minutos. En la tabla 12 se observan las especificaciones técnicas del INVIAS para mezcla asfálticas.

4.3.1 Formula de trabajo
De acuerdo con los resultados obtenidos, las normas de diseño del INVIAS, de diseño de mezclas asfálticas, se escogió la formula de trabajo que se describe en la tabla 13.

4.4 Modulo Dinámico
Se determinó el módulo dinámico de una probeta tipo Marshall, por medio del principio de tensión indirecta. El principio enuncia que al aplicar una carga compresiva a través del diámetro de una muestra cilíndrica, se produce una tensión sobre un diámetro ortogonal al cual se aplica la carga. Al registrar la carga vertical aplicada y la deformación horizontal producida se obtuvo el módulo dinámico [MPa], cuyos resultados se pueden ver en la figura 1.

4.5 Deformación permanente
La prueba es útil para identificar el potencial de ahuellamiento de una mezcla asfáltica, teniendo en cuenta que la mezcla no será ahuellable si al cabo de los 3600 ciclos de carga el porcentaje de deformación axial (relación entre la deformación vertical final y el espesor inicial) en los especímenes es menor del 1%, la mezcla podrá ser ahuellable si ésta deformación axial se encuentra entre el 1% y el 2% y no cumple por ahuellamiento cuando esta deformación supera el 2%. En la tabla 14 se puede ver que la mezcla no será ahuellable.

4.6 Fatiga a esfuerzo controlado
Los resultados de las pruebas de resistencia a la fatiga y módulo dinámico por esfuerzo controlado se presentan en la tabla 15. Las condiciones normales de ensayo son 20ºC de temperatura y diferentes niveles de esfuerzo horizontal inducido y frecuencia de 2,5 Hz.

Con base en los resultados de laboratorio que se acaban de presentar se realiza una comparación del desempeño de las mezclas asfálticas en caliente y las mezclas asfálticas tibias que se puede observar en la tabla 16, y donde se muestra un buen desempeño de la mezcla asfáltica tibia.

 

5. CONCLUSIONES

De acuerdo a los resultados de los ensayos de laboratorio, podemos afirmar que las mezclas asfáltica tibias ofrecen una gran solución para minimizar el impacto medioambiental que generan la emisión de gases debido a la combustión y calentamiento de materiales .En el mundo hay una gran variedad de tecnologías con las cuales se pueden producir mezclas tibias; el crudo de palma de Colombia es otra alternativa viable que se puede tener en cuenta para este fin, la cual brinda beneficios económicos técnicos y ambientales.

Las pruebas de laboratorio muestran al crudo de palma como un aditivo de gran potencial reductor de viscosidad y a su vez la mezcla producida con este refleja una buena resistencia mecánica y desempeño producidas a menor temperatura.

De los tres tipos de crudo de palma que se evaluaron, el que brindo el mejor resultado como reductor fue el de dismaprim, dado que se obtuvieron los valores más altos de reducción en viscosidad, por esta razón fue el utilizado para modificar el asfalto base al 1%, y la temperatura de producción de la mezcla se logró disminuir de 155ºc a 126ºc.

 

REFERENCIAS

[1] Koenders, B.G., Stoker, D.Ä., Bowen, C., De Groot, P., Larsen, O., Hardy, D. y Wilms, P.K., "Proceso de innovación en la producción de asfalto y la aplicación para obtener bajas temperaturas de operación".,.Barcelona : s.n., Congreso y Eurasphalt Eurobitume. 2000.         [ Links ]
[2] Koenders, B.G., Stoker, D.Ä., Robertus, C., Larsen, O. y Johansen, J., Espuma WAM-, la producción de asfalto a temperaturas de funcionamiento más bajas". ISAP. 2002.         [ Links ]
[3] Vaitkus, A., Vorobjovas, V., Ziliute, L., "The Research on the use of warm mix". Riga : s.n., Baltiic Institute. 2009.         [ Links ]
[4] Hassan, Marwa. "Life-Cycle Assessment of Warm-Mix Asphalt An Environmental and Economic Perspective". Lousiana Univerty, Civil Engineering Class. 2009.         [ Links ]
[5] Gandhi, Tejash.Effects of warm asphalt additives on asphalt and mixture propperties. Clemson University. s.l. : Disertación para optar el título de Ph.D en Ing. Civil, 2008.         [ Links ]
[6] Mullins, Oliver C."Asphaltenes, heavt oils, and petroleomics. New York": Springer, 2007.         [ Links ]