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INTRODUCCIÓN
Desde hace varias décadas el empleo de polímeros para el mejoramiento de ciertos comportamientos del asfalto, como las deformaciones permanentes, el agrietamiento térmico, por fatiga y mayor durabilidad de la mezcla en general ha ido ganando terreno a nivel internacional (Walker, 2014). En el Ecuador el empleo de estos modificadores ha sido escaso y es posible que esto se deba a las condiciones del mezclado de los asfaltos con polímeros, donde son usuales las elevadas temperaturas y los prolongados tiempos de mezcla, que sin dudas ocasionan una afectación importante en la calidad de nuestro asfalto. A esta situación debe añadírsele los costos de los polímeros. No obstante, a finales de los noventa se construyó el primer tramo experimental de pavimento empleando asfaltos mejorados con polímeros SBS (Vila, 1999) y poco tiempo después se construyeron los carriles exclusivos de la llamada Ecovía, donde se empleó un polímero tipo plastómero. Ambas obras en la ciudad de Quito.
En general los asfaltos modificados se utilizan cuando las necesidades de determinadas propiedades están por encima de aspectos meramente económicos. O sea, que conocer el efecto de los polímeros en el asfalto, al menos los más comunes en el mercado, es interesante y necesario para el país, especialmente ante las nuevas pruebas de calificación Superpave que ya se aplican.
MATERIALES Y MÉTODOS
Para el estudio se utilizó el asfalto procedente de la Refinería de Esmeraldas, al que se le realizaron modificaciones mediante el empleo de tres polímeros comerciales: SBS, Elvaloy y caucho de llantas, que fueron mezclados con el asfalto en ciertos porcentajes para cumplir las exigencias de las clasificaciones recogidas en las normativas ASTM (American Society for Testing Materials). Es decir, se emplearon:
Polímero SBS (estireno-butadieno-estireno) dosificado al 3.0% en peso.
ELVALOY ® RET, terpolímero elastomérico, dosificado al 1.3% en peso.
Caucho de llantas, dosificado al 5.0% en peso.
En todos los casos se utilizaron además productos fluidificantes y catalizadores en cantidades variables.
Posteriormente a estos materiales se les realizaron estudios mediante la tecnología Superpave que permitieron su clasificación por desempeño y análisis reológicos más detallados aplicando los diagramas de Black.
RESULTADOS
Clasificación del asfalto base y los modificados según ASTM
En la Tabla N° 1 se muestran los resultados de las pruebas al cemento asfáltico para su clasificación por viscosidad.
En las tablas N° 2, 3 y 4 se observan los estándares desarrollados por la ASTM efectos de los polímeros sobre algunas para los diferentes tipos de polímeros. de las propiedades del asfalto, según los estándares desarrollados por la ASTM para los diferentes tipos de polímeros.
Tabla N° 3 Resultados de las pruebas en el asfalto con Elvaloy
| Asfalto con | ASTM D- 5841-00 | |||
|---|---|---|---|---|
| Propiedades | Unidad | ELVALOY | Designación III-D | |
| mín | máx | |||
| Punto de ablandamiento | °C | 66 | 60 - | |
| Penetración, 25°C, 100 g, 5s | 0,1 mm | 63 | 30 150 | |
| Penetración, 4°C, 200 g, 60s | 0,1 mm | 45 | 22 - | |
| Punto de inflamación | °C | 293 | 218 - | |
| Residuo RTFO (163°C, 85 min) | ||||
| Penetración, 4°C, 200 g, 60s | 0,1 mm | 27 | 11 - | |
Fuente: elaborado por los autores.
Clasificación por grados de desempeño según Superpave
Esta consiste en determinar un grado de desempeño (PG), que consta de dos temperaturas: una alta que debe satisfacer al promedio de las temperaturas máximas de los 7 días consecutivos más calurosos del año registrados a 20 mm de profundidad y una baja que debe satisfacer la temperatura mínima anual media en la superficie del pavimento. Vale señalar que la temperatura alta puede sufrir ajustes atendiendo al tipo de tráfico.
En las especificaciones Superpave (AASHTO M 320, 2010) se emplean los valores de módulo de corte complejo (G*) y ángulo de fase (δ) obtenidas en el reómetro de corte dinámico (DSR). Las deformaciones permanentes se controlan limitando el valor mínimo de G*/senδ a 1 kPa en estado original y a 2.2 kPa después del RTFO.
El agrietamiento por fatiga se controla limitando el valor de G*.senδ del material con envejecimiento secundario en cámara de envejecimiento a presión (PAV) a un máximo de 5000 kPa, mientras que el agrietamiento por contracción a bajas temperaturas se controla a través de dos parámetros: la rigidez a la fluencia (S) con un valor máximo de 300 MPa y el valor de la pendiente "m" con un valor mínimo de 0.300, que representa la variación de la rigidez. Estos dos valores son determinados con el reómetro de viga en flexión (BBR). Las temperaturas bajas no se consideran importantes en nuestras carreteras y por tanto no se hará énfasis en las mismas.
Los resultados obtenidos en las pruebas para la calificación por grados PG se resumen a continuación en la Tabla 5.
Diagramas de Black
El cambio del módulo G* en el comportamiento visco elástico depende principalmente del tiempo de carga (t) y temperatura (T), por lo que un mismo G* se puede obtener con diferentes combinaciones de dichos parámetros. Precisamente, el diagrama de Black permite valorar las relaciones entre G* y δ obtenidos para diferentes frecuencias y temperaturas (King et al, 2012). En este estudio se realizaron los diagramas de los asfaltos estudiados correspondientes a sus diferentes estados (original, RTFO, PAV), con un rango de frecuencias de 0.1 a 37.5 Hz, pero solo a ciertas temperaturas.
Las deformaciones plásticas se manifiestan fundamentalmente en presencia de temperaturas altas en el pavimento, para su análisis se realizaron las gráficas del Diagrama de Black a una temperatura de 50°C que corresponde a un valor representativo de las altas temperaturas en Ecuador. Es conocido además que las exigencias del método Superpave para el control de las deformaciones plásticas se basan en el parámetro G*/Senδ, siendo favorable para contrarrestar las deformaciones plásticas un menor y un mayor G*.
En la Figura N° 1 se presenta el diagrama de Black para los asfaltos estudiados.
Luego del envejecimiento RTFO y a la misma temperatura, el diagrama adopta la forma mostrada en la Figura N° 2.
El agrietamiento por fatiga es un problema que se presenta en el pavimento principalmente a temperaturas intermedias, por lo que en la elaboración de los diagramas de Black se consideró una temperatura representativa de 20°C con un rango de frecuencia similar al empleado anteriormente. La fatiga es un fenómeno controlado típicamente por esfuerzo en pavimentos con grandes espesores de mezcla asfáltica y un fenómeno controlado por deformación en capas asfálticas delgadas. Dado que se sabe que el agrietamiento por fatiga es más frecuente en pavimentos delgados, los investigadores del SHRP supusieron que debía considerarse principalmente un fenómeno controlado por deformación (Querol et al, 2009).
En las estructuras de poco espesor de mezcla asfáltica, donde las deformaciones van a ser grandes, interesa la máxima recuperación elástica, es decir una curva de relajación rápida. Además, tomando como referencia el criterio Superpave ante el agrietamiento por fatiga, donde se exige: G*Senõ <5000 kPa para asfaltos con envejecimiento secundario (PAV), puede deducirse que un menor õ y un menor G* serían favorables para prevenir el agrietamiento por fatiga. En la Figura N° 3 se presentan los diagramas para los diferentes cementos asfálticos después del PAV.
DISCUSIÓN
De acuerdo a la Tabla 1 el cemento asfáltico cumple como AC 30 en las pruebas al asfalto original pero incumple por un margen muy pequeño las exigencias de viscosidad y ductilidad en el residuo del ensayo de película delgada en horno rotatorio (RTFO). Esta situación nos indica que este asfalto sufrirá un excesivo endurecimiento durante el proceso de mezclado, transporte y tendido de la mezcla.
Los asfaltos modificados de acuerdo a las dosificaciones seleccionadas cumplen las exigencias indicadas por las normativas correspondientes como se observa en las Tablas 2, 3 y 4.
En dicha Tabla 5 se aprecia que de acuerdo a la clasificación por grado PG el cemento asfáltico tomado como base o referente, y procedente de Esmeraldas, califica como PG 64-28. Puede notarse que pese a existir problemas con las afectaciones por envejecimiento, según las pruebas para la clasificación por viscosidad realizadas al residuo (ver Tabla N° 1) y validados con los agrietamientos por fatiga frecuentes de las mezclas en obra, estos no se identifican claramente en la clasificación PG. Al modificar el asfalto con los distintos polímeros todos incrementaron el grado alto de temperatura a 76, manteniéndose el grado bajo en los asfaltos modificados con Elvaloy y caucho en -28, mientras que para el SBS aumentó a -22.
Respecto a las temperaturas intermedias se muestra en la Tabla 6 una comparación entre las calculadas a partir del PG, o sea, la semisuma entre la máxima y mínima temperatura más 4 °C, y la temperatura crítica a la fatiga, que corresponde a la temperatura exacta de cumplimiento del parámetro de control de fatiga.
Tabla N° 6 Comparación de las temperaturas intermedias.
| TIPO DE ASFALTO | BASE | SBS | ELVALOY | CAUCHO |
|---|---|---|---|---|
| Grado PG Superpave | 64-28 | 76-22 | 76-28 | 76-28 |
| Temp. Intermedias según Superpave, °C | 22 | 31 | 28 | 28 |
| Temp. Intermedias críticas a la fatiga, °C | 14,5 | 16,1 | 15,0 | 13,7 |
Fuente: elaborado por los autores.
Puede notarse que según Superpave existe una variación en dichas temperaturas, especialmente entre el asfalto base de Esmeraldas y los modificados; sin embargo, de acuerdo a las temperaturas críticas a la fatiga la variación es extremadamente pequeña, en la práctica no significativa. Este comportamiento de las temperaturas críticas es parecido al obtenido por investigadores en Chile (Araya et al, 2012).
En la Figura N° 1 puede verse que los asfaltos modificados con polímeros en estado original presentan para todos los módulos un ángulo de fase menor que el asfalto base de Esmeraldas. Esto permite considerar que todos los asfaltos modificados estudiados tendrán un mejor comportamiento que el asfalto base ante esta falla. Se destaca que el asfalto modificado con SBS es el que mejor se comporta, seguido del modificado con caucho.
Luego del envejecimiento RTFO, como se muestra en la Figura N° 2, se mantiene la tendencia de los asfaltos modificados de comportarse de mejor manera debido a que presentan menores õ y mayores G* para frecuencias bajas. Los mejores comportamientos también se observan en los asfaltos modificados con SBS y con caucho.
Puede observarse Figura 3 que existieron cambios considerables en el comportamiento de los diferentes asfaltos respecto a la magnitud tanto de G* como de õ, encontrándose todos los diagramas muy cercanos. Por esta razón se hace difícil establecer una calificación respecto al comportamiento a la fatiga en los mismos, aunque el asfalto modificado con SBS presenta ligeramente menores õ, lo que sin dudas sería beneficioso. De hecho, el estudio de la fatiga es uno de los más complejos y aún en la actualidad existen discrepancias para su determinación y comprensión (Villegas et al, 2017).
CONCLUSIONES
El asfalto procedente de la refinería de Esmeraldas clasifica por grado de viscosidad en su estado original como un AC-30, sin embargo después de haber sido envejecido en el horno RTFO, no cumple con las exigencias de la normativa ASTM, lo que implica un posible comportamiento inadecuado en obra luego del proceso de mezclado, transporte y compactación. Esta situación no se detecta en la clasificación por grado de desempeño Superpave, donde el mismo asfalto califica como PG 64-28, que sería un grado excelente para nuestras condiciones climáticas.
Los asfaltos modificados en general cumplen las exigencias ASTM correspondientes. Al aplicar la clasificación PG se obtuvo que el asfalto modificado tanto con Elvaloy como con caucho clasifica como PG 76-28, indicando un mayor rango de temperaturas de trabajo que el asfalto modificado con SBS que clasifica como PG 76-22. Si bien en los tres casos se obtuvo una mejora significativa en el grado alto de temperatura, no ocurre lo mismo respecto al grado bajo, donde para el Elvaloy y caucho se mantuvo el valor de -28 y para el SBS aumentó a -22. En relación a las temperaturas intermedias, la crítica a la fatiga no tuvo mayor variación al emplear los diferentes modificadores, por lo que pretender emplear los mismos para mejorar el comportamiento a la fatiga, problema común en Ecuador, sería un error.
Los diagramas de Black indican que los asfaltos modificados tienen mejores comportamientos ante las deformaciones plásticas que el asfalto de Esmeraldas, ya que en general las exigencias del Superpave podrán cumplirse con menores ángulos de fase. El polímero SBS fue el que mostró mejores resultados. Por otra parte el comportamiento a la fatiga no mejora sustancialmente con el empleo de los polímeros estudiados ya que el rango de variación obtenido en los diagramas es muy estrecho a temperaturas próximas a la intermedia luego del PAV.
