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Revista Lasallista de Investigación

versão impressa ISSN 1794-4449

Rev. Lasallista Investig. vol.15 no.2 Caldas jul./dez. 2018

http://dx.doi.org/10.22507/rli.v15n2a24 

Artículo original

Incidencia del empleo de polímeros como modificadores del asfalto1

Incidence of the use of polymers as modifiers of the asphalt

Incidência do uso de polímeros como modificadores do asfalto ecuatoriano

Rolando Vila-Romaní2  *  , José Gabriel Jaramillo-Briceño3 

2 Doctor en Ciencias Técnicas. Ingeniero Civil. Profesor-Investigador. Director del Laboratorio de Carreteras. Universidad Católica de Santiago de Guayaquil. ORCID: 0000-0002-9109-5679 Correo electrónico: rolando.vila@cu.ucsg.edu.ec

3 Ingeniero Civil. Investigador. Laboratorio de Carreteras. Universidad Católica de Santiago de Guayaquil. https://orcid.org/0000-0002-8356-1094 Correo electrónico jose.jaramillo@cu.ucsg.edu.ec

Resumen

Introducción:

El empleo de asfaltos modificados con polímeros en la construcción de obras viales es una práctica frecuente a nivel internacional pero limitada aún en Ecuador. Sin embargo, ante la poca durabilidad de nuestros pavimentos asfálticos, mayormente causada por agrietamientos prematuros de fatiga o bloques, el potencial de estos productos debe ser considerado.

Objetivo:

Evaluar el comportamiento del asfalto procedente de la Refinería de Esmeraldas al mezclarse con tres tipos de polímeros, mediante las pruebas exigidas para la clasificación por viscosidad y por grados de desempeño Superpave, incluyendo un análisis reológico empleando diagramas de Black.

Materiales y métodos:

Los polímeros empleados fueron: SBS, Elvaloy y caucho de llantas, dosificados para cumplir ciertas exigencias de calidad determinadas por métodos experimentales, según las normativas ASTM.

Resultados:

Como principales resultados se obtuvo que al modificar el asfalto PG 64-28 con los distintos polímeros todos incrementaron el grado alto de temperatura a 76, manteniéndose el grado bajo en los modificados con Elvaloy y caucho en -28, mientras que para el SBS aumentó a -22. En relación a las temperaturas intermedias, la temperatura crítica a la fatiga no tuvo mayor variación al emplear los diferentes modificadores. Esta situación fue corroborada con los diagramas de Black.

Conclusiones:

Tratar de solucionar el mal comportamiento del asfalto ecuatoriano ante el agrietamiento mediante su mezcla con los polímeros estudiados no sería la solución más efectiva, aunque es notoria la mejora del comportamiento ante las deformaciones plásticas.

Palabras-clave: asfaltos; polímeros; Superpave; diagramas de Black

Abstract

Introduction:

The use of modified asphalts with polymers in the construction of roads is a frequent practice at an international level but still limited in Ecuador. However, due to the short durability of our asphalt pavements, mainly caused by premature fatigue cracks or blocks, the potential of these products should be considered.

Objective:

Evaluate the behavior of the asphalt coming from the Esmeraldas Refinery when it is mixed with three commercial polymers, by means of the tests required for the classification of viscosity and by Superpave performance grades, including a rheological analysis using master curves and Black diagrams.

Materials and methods:

The polymers used were: SBS, Elvaloy and rubber tires, dosed to meet certain quality requirements determined by experimental methods, according to ASTM regulations.

Results:

As main results the high degree of temperature increased to 76 by modifying the PG 6428 asphalt with the different polymers, maintaining the low degree on those modified with Elvaloy and rubber in -28, while for the SBS it increased to -22. Regarding to intermediate temperatures, the critical temperature to fatigue didn't have much variation when the different modifiers were applied. This situation was corroborated with Black diagrams.

Conclusions:

Trying to solve the poor cracking performance of the Ecuadorian asphalt by mixing it with the polymers studied would not be the most effective solution, although the improvement of the performance to plastic deformations is notorious.

Key words: asphalts; polymers; Superpave; Black diagrams

Resumo

Introdução:

O uso de asfalto modificado com polímeros na construção de obras viárias é uma prática frequente em nível internacional, mas ainda limitada no Equador. No entanto, dada a curta durabilidade de nossos pavimentos asfálticos, causada principalmente por rachaduras prematura de fadiga ou blocos, o potencial desses produtos deve ser considerado.

Objetivo:

Avaliar o comportamento do asfalto da refinaria de Esmeraldas quando misturado com três tipos de polímeros, por meio dos testes exigidos para a classificação por viscosidade e pelos graus de desempenho Superpave, incluindo uma análise reológica usando diagramas pretos.

Materiais e métodos:

Os polímeros utilizados foram: SBS, Elvaloy e pneus de borracha, dosados para atender a determinados requisitos de qualidade determinados por métodos experimentais, de acordo com as normas da ASTM.

Resultados.

Como principais resultados, foi obtido que, ao modificar o asfalto PG 64-28 com os diferentes polímeros, todos aumentaram o alto grau de temperatura para 76, mantendo o baixo grau naqueles modificados com Elvaloy e borracha em -28, enquanto para o SBS aumentou para -22. Em relação às temperaturas intermediárias, a temperatura crítica à fadiga não apresentou muita variação ao utilizar os diferentes modificadores. Esta situação foi corroborada com os diagramas de Black.

Conclusões:

Tentar resolver o mau comportamento do asfalto produzido na Refinaria de Esmeraldas antes de partir pela fadiga, misturando-o com os polímeros estudados, não é a solução mais eficaz, embora seja notório a melhora do comportamento diante das deformações plásticas.

Palavras-Chave: asfalto; polímero; superpave; diagramas Black

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.

Tabla N° 1 Resultados de la clasificación por viscosidad. 

Fuente: elaborado por los autores.

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° 2. Resultados de las pruebas en el asfalto con SBS. 

Fuente: elaborado por los autores.

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.

Tabla N° 4 Resultados de las pruebas en el asfalto con caucho. 

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.

Tabla. 5 Resultado y exigencia. 

Fuente: elaborado por los autores.

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.

Figura N° 1 Diagrama de Black de los asfaltos en estado original a 50 °C. 

Luego del envejecimiento RTFO y a la misma temperatura, el diagrama adopta la forma mostrada en la Figura N° 2.

Figura N° 2 Diagrama de Black de los asfaltos después del RTFO a 50 °C. 

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.

Figura N° 3 Diagrama de Black de los asfaltos después del PAV a 20 °C. 

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.

AGRADECIMIENTOS

El apoyo de la Universidad Católica Universidad Católica Santiago de Guayaquil, y los participantes del proyecto.

Referencias

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Araya F., González A., Delgadillo R., Wahr C., García G. y Zúñiga R. (2012). Caracterización reológica avanzada de betunes tradicionales y modificados utilizados actualmente en Chile. Revista Ingeniería de Construcción. (Vol. 27 N°3, p. 198-210). [ Links ]

ASTM D3381/D3381M-12. (2012). Standard Specification for Viscosity-Graded Asphalt Cement for Use in Pavement Construction, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012. Recuperado de www.astm.org. [ Links ]

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Querol, N., Del Pozo, J., Pérez, A., Felipo, J.; García, J. y Potti J. (2009). Envejecimiento de los ligantes bituminosos empleados en mezclas recicladas en caliente con muy altas tasas. Proyecto Fénix, Monografía 1. Madrid. Pp. 97-119. [ Links ]

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Villegas, R. E., Baldi, A., Aguiar, J.P. & Loría, L.G. (2017). Análisis reológico de fatiga en asfaltos a temperaturas intermedias de servicio. Trabajo presentado en el XIX CILA, Medellín, Colombia. [ Links ]

Walker, D. (2014). The Benefits of Modified Asphalts. ASPHALT. The Magazine of the Asphalt Institute. Volumen 29. Issue 1, p.p. 13-19. USA. [ Links ]

1 Artículo derivado del Proyecto de Investigación: "Evaluación del nivel de daño generado por el agua en las mezclas asfálticas calientes" realizado entre 2016 y 2018 en la UCSG. Auspiciado por el SIN-DE-UCSG.

Recebido: 01 de Maio de 2018; Aceito: 19 de Julho de 2018

* Autor para correspondencia, Rolando Vila, E-mail: rolando.vila@cu.ucsg.edu.ec

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