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LIGANTES
Innovación en los
ligantes para las
mezclas bituminosas y
desarrollo sostenible
Autor: POTTI CUERVO, Juan José
Director técnico de Probisa.
([email protected])
Título: Innovación en los ligantes para
las mezclas bituminosas
y desarrollo sostenible.
Fuente: Directivos Construcción nº 175
pág.46 .Febrero 2005.
Resumen: La eficacia medioambiental
de las lechadas bituminosas se ha analizado recientemente a través del análisis de
la eco-eficiencia. Con él se pretende evaluar y visualizar las ventajas y desventajas
de un producto o proceso en términos de
ecología y economía, de forma que permita tomar decisiones apropiadas que conduzcan al desarrollo sostenible.
Descriptores: Ligantes/Carreteras.
En todas las actividades económicas la presión por preservar el
medio ambiente es cada vez mayor; en el caso concreto de la
carretera, la inversión y la innovación para emplear productos
bituminosos y asfálticos menos contaminantes es cada día más
elevado. Fruto de esa presión son los nuevos ligantes bituminosos
para la producción de mezclas bituminosas para carreteras.
La necesidad de responder a las demandas de la sociedad desde el punto de vista medio ambiental y la permanente mejora en el comportamiento
de los productos han sido los dos ejes
principales de desarrollo de los ligantes bituminosos en los últimos años.
En todas las actividades productivas, y
la carretera no es una excepción, la presión y la sensibilidad medio ambiental
es cada día mayor, la mayor eficacia
ecológica o eco-eficacia de los ligantes bituminosos para la producción de
mezclas bituminosas para carreteras
permiten dar una respuesta adecuada
a estas presiones.
y presentado al Congreso ISSA 2001. Este tipo de análisis permite evaluar y visualizar las ventajas y desventajas de un
producto o proceso en términos de ecología y economía, de tal manera que permita a la sociedad tomar decisiones apropiadas que conduzcan al desarrollo
sostenible. El análisis medioambiental,
se basa, para cada caso, en el estudio
de cinco factores:
• Consumo de materias primas.
• Consumo de energía.
• Emisiones a la atmósfera.
De los diferentes pavimentos modernos
para carreteras son las lechadas bituminosas las que tienen un mejor ratio de
eco-eficacia. La eficacia medioambiental de éstas, ha sido abordada recientemente a través del análisis de la eco-eficiencia, desarrollado por K. Takamura(1)
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• Efectos sobre la salud.
• Riesgo de accidente o uso indebido.
1
Dynamic shear rheometer
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Cada una de las técnicas escogidas
para el estudio, recibe en el análisis
de cada factor medioambiental o ecológico, una puntuación entre 0 y 1,
(0 sería el valor óptimo y 1 el pésimo)
y se representan en un sistema de coordenadas, consistente en un pentágono, en el que el 0 es el centro del
pentágono, cada eje representa el
análisis de un factor medioambiental
y el 1, que es el valor máximo y fin de
la escala, correspondería a cada uno
de los vértices.
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Análisis de la eco-eficacia de varias capas
de rodadura
Environmental “footprint”
Cada técnica, queda representada por
un pentágono irregular, que podríamos llamar "Huella medioambiental".
La técnica que posea la huella medioambiental de menor superficie y
sea más regular, sería la óptima desde el punto de vista ecológico. Posteriormente, se ordenan las tres técnicas de menor a mayor impacto
medioambiental (de menor a mayor
huella), en un eje llamado de "impacto medioambiental" y se enfrentan a un eje de costes.
En la óptica actual del crecimiento
sostenible y desde la necesidad de encontrar sistemas y tecnologías de
construcción amigables con el medio
ambiente (E.F.C.T.) sería preciso reflexionar, también en nuestro sector,
bajo tres niveles de exigencia en la
eficacia:
• Eficacia económica.
• Eficacia ecológica.
• Eficacia social.
CAUCHOS DE NEUMÁTICOS
(NFU)
FUERA
Gráfico 1
neumáticos fuera de uso (NFU), han
sido uno de los principales ejes de desarrollo.
El otro gran eje de desarrollo corresponde al natural dinamismo del sector en la búsqueda de productos con
un comportamiento más adecuado o
a la introducción de nuevos productos. Desde esta óptica las recientes
propuestas para el análisis del comportamiento de los ligantes basadas
en principios de comportamiento
aportan un criterio de selección muy
valioso. Analizaremos en detalle esta
propuesta en el apartado correspondiente a los betunes modificados con
polímeros.
DE USO
Este tipo de reflexiones, la sensibilidad hacia la integración de la carretera en su entorno, el reaprovechamiento de subproductos generados
en nuestra propia actividad, fresado
de pavimentos, o de otras actividades, el caucho de recuperación de
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Desde hace tiempo se viene hablando de la reutilización de los neumáticos fuera de uso (NFU) para tratar de
minimizar el gran problema de acopios que existe en el mundo occidental. El concepto de Desarrollo Sostenible, tan en boga hoy en día, exige
que toda la sociedad se conciencie de
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la necesidad de aprovechar al máximo los recursos disponibles, intentando minimizar la generación de residuos.
Bajo esta filosofía, desde los años 60
se inició la reutilización de molienda
de neumáticos fuera de uso (NFU) como materia prima para la modificación de las mezclas bituminosas empleadas en la construcción de
carreteras. Curiosamente, el gran crecimiento en el empleo de los betunes
modificados con polímeros fue en paralelo con las experiencias de betunes
modificados con polvo de neumáticos, pero mientras los primeros llegaron a consolidarse como el máximo estándar de calidad, los segundos
han sufrido una serie de vaivenes en
su desarrollo, sin llegar nunca a despuntar.
Desde los años 60
se reutiliza la
molienda de
neumáticos fuera
de uso para
modificar las
mezclas
bituminosas
• La forma más reciente de abordar
la vía húmeda es producir betunes
modificados con caucho de neumáticos, de características similares
a los betunes modificados con polímeros, en instalaciones muy similares a las de producción de betunes modificados con polímeros. El
producto es almacenado, controlado y transportado en cisterna y presenta características de betún modificado con polímero, se le podría
denominar BMP NFU. La instalación
de producción no necesita ser instalada al lado de la planta de fabricación de la mezcla en caliente.
El empleo de caucho procedente de
neumáticos usados para modificar las
propiedades del betún data de los
años 50, aunque no fue hasta 1963
la primera vez que se realizó una prueba industrial de cierta relevancia. Desde entonces se han hecho multitud
de ensayos, pero de forma muy general se pueden resumir en dos las
tecnologías empleadas en la modificación de mezclas asfálticas:
En este momento hay cuatro o cinco
suministradores de betún con caucho
(NFU) en España. Casi todos los suministradores, en general, han optado
por el primer esquema de la vía húmeda, fabricar un betún caucho siempre en el mismo lugar donde se sitúa
la planta de aglomerado asfáltico.
• Modificación por "Vía Húmeda":
Este procedimiento consiste en la
dispersión del caucho dentro del
betún. El betún con caucho se emplea posteriormente en la fabricación de las mezclas asfálticas.
Un aspecto que debe ser tenido en
cuenta con estos ligantes es el control
de la viscosidad. En el pasado, el famoso
ligante Flexochape® de Beugnet, presentaba una viscosidad muy elevada que
generaba serios inconvenientes en las
temperaturas de mezcla y compactación de los aglomerados asfálticos.
• Modificación por "Vía Seca": En
este caso, el caucho molido se trata como un "árido", mezclándose
con el betún y el resto de áridos para obtener una mezcla bituminosa
de características especiales.
Dentro de la modificación por "Vía
Húmeda" se podrían establecer dos
filosofías:
• Instalaciones concebidas para fabricar un betún caucho siempre en
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el mismo lugar donde se sitúa la
planta de aglomerado asfáltico, de
forma que no existe en la práctica
un almacenaje y transporte, en cisternas, del producto.
CONTROL
DE LA VISCOSIDAD
En general, a medida que aumenta el
contenido de NFU aumenta la viscosidad. Debe ser por tanto tenido en
cuenta que formulaciones muy ricas
en NFU generan ligantes muy viscosos. Existen, sin embargo una o dos
empresas que se han decantado por
la fabricación de un betún-caucho tipo BMP NFU de alta estabilidad. El pasado 8 de marzo de 2004, una de estas empresas ha obtenido una patente
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para la obtención de un BMP NFU estable al almacenamiento.
Las principales diferencias de estos ligantes BMP NFU, respecto a los que
incorporan el NFU siempre en el mismo lugar donde se sitúa la planta de
aglomerado asfáltico son:
• Es un betún modificado (BMP)
con NFU. Según la CE, sólo puede ser considerado BMP el producto industrial que puede ser analizado, almacenado, transportado
y controlado independientemente
del lugar de empleo. Los fabricantes que añaden el NFU al betún en
una instalación acoplada a una
planta en caliente no fabrican BMP,
por tanto.
• Es un BMP con NFU que cumple
especificaciones de BM-3a, a excepción de la ductilidad. El primer
objetivo de la reutilización del NFU
por la vía húmeda es la eliminación
del NFU pero es muy deseable técnicamente ofrecer un producto mejorado respecto al betún de base.
Las características del BMP con NFU
es similar, en características mecánicas, al BM-3a.
• Es un BMP con NFU que cumple con el artículo 542 de Mezclas en Caliente del PG3. El PG3
establece unas temperaturas máximas de fabricación. La incorporación de NFU aumenta la viscosidad del betún de base. Si se
fabrica un betún con NFU al que
añaden mucho NFU, o se parte de
un ligante muy duro, y como consecuencia la viscosidad aumenta
demasiado, existen riesgos muy
serios.
Reutilizar el NFU es bueno ecológicamente pero un exceso es malo técnica, energética y ecológicamente
hablando; si se incorpora demasiado NFU la viscosidad puede subir demasiado y las temperaturas necesarias de fabricación, extensión y
compactación pueden sobrepasar los
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200ºC. Eso en España está en contra del artículo 542 de Mezclas en
Caliente:
• Una mezcla demasiado viscosa puede producir serios problemas de
puesta en obra.
• Cualquier incremento de temperatura en la fabricación implica un
mayor consumo de combustible,
aproximadamente un litro de combustible cada 20º que subamos la
temperatura de fabricación por tonelada de mezcla en caliente.
• A medida que quemamos más
combustible lanzamos más CO2, y
eso va contra el compromiso de
Kyoto, y
• Cuanto más caliente va una mezcla en caliente más riesgos hay para nuestros operarios por emisiones de gases. En muchos paises
europeos las mezclas fabricadas a
más de 200ºC obligan a una equipación especial por parte de los
operarios o están restringidas.
En el Cuadro 1 se describen las características de un BMP NFU estable
al almacenamiento.
Características
Unidad
Norma
ensayo
Penetración (25oC, 100g, 5s)
0.1 mm
NTL 124
Punto de restablecimiento
°C
NTL 125
Recuperación elástica
%
NTL 329
Ductivilidad (5°C)
cm
NTL 126
Punto de fragilidad Fraass
°C
NTL 182
Consistencia (flotador a 60°C)
s
NTL 183
Punto de inflamación
°C
NTL 127
Densidad relativa
NTL 122
Estabilidad al almacenamiento
NTL 3289
Dif. penetración
0,1 mm
NLT 124
Dif. punto de reblandecimiento
°C
NLT 125
Ensayos sobre el residuo de película fina (NLT 185)
Penetración
0,1 mm
NLT 124
Punto de reblandecimiento A&B
°C
NLT 125
Variación de masa
NLT 185
Ductilidad a 5°C
NLT 126
Valor
característico
55
56.5
27
8
-17
>3000
327
1.037
Especificación
Min.
Max.
50
55
25
4
-12
1200
235
3
2
80
+5
-0.2
6
70
10
5
65
-5
+10
1.0
2
Cuadro 1
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La variación viscosidad-temperatura de
este ligante se muestra en el Gráfico 2.
Curva viscosidad - temperatura
La viscosidad de este BMP NFU es intermedia entre la de un betún convencional 60/70 y la de un betún modificado con polímero tipo BM-3b. La
temperatura recomendada de fabricación es de 175°C y la temperatura mínima de compactación de 160°C. Desde el punto de vista de la viscosidad,
este BMP NFU, es un ligante que se aplica más fácilmente en obra que un betún modificado tipo BM-3b.
Viscosidad (mPa.s)
10000
1000
100
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
Temperatura oC
Gráfico 2
En el rango de temperaturas de servicio la
susceptibilidad térmica de este BMP NFU
es menor que la de los betunes convencionales, e incluso que la de los betunes
modificados con polímeros tipo BM-3b.
La susceptibilidad térmica de los ligantes viene dada por la pendiente de las
representaciones gráficas de la penetración frente a la temperatura, tal como la definieron Pfeiffer y Van Doormaal. En el Gráfico 3 puede observarse
Susceptibilidad térmica de los ligantes bituminosos
1000
Penetración 0,1 mm
100
10
1
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Temperatura C
o
Gráfico 3
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Ligante
IP
Betún 13/22
0,37
Betún 40/50
-0,15
Betún 60/70
-0,15
BMP NFU
1,21
BM-3b0,74
Cuadro 2
cómo los betunes convencionales tienen pendientes equivalentes, es decir
la misma susceptibilidad térmica, mientras que el BMP NFU es el que tiene la
menor pendiente. Los valores numéricos del índice de penetración, deducidos de la penetración a diferentes temperaturas, para los ligantes incluidos
en el gráfico anterior son los siguientes (Cuadro 2):
Desde hace bastantes años se reutiliza la molienda de neumáticos fuera de uso como materia
prima para modificar las mezclas bituminosas empleadas en la construcción de carreteras.
Aplicando el criterio de valoración basado en el comportamiento del ligante que se detalla en diversas publicaciones(2). Se utilizan cinco criterios para
cuantificar las propiedades:
• Intervalo de plasticidad
Cuantifica el rango de temperaturas
entre las cuales el ligante presenta un
buen comportamiento mecánico, es
decir diferencia entre temperaturas de
servicio altas y bajas. Este intervalo viene definido como la diferencia entre
TG*/sin = 1Kpa (obtenida por medio
de
un
equipo
DSR
)
y
Ts=300Mpa/m=0,3 (equipo BBR(3)). En
el caso concreto para este BMP NFU,
este intervalo es superior a 95°C.
• Susceptibilidad térmica
Esta característica se determina por medio de un DSR. Para ello se realiza un
El empleo de caucho procedente de neumáticos usados para modificar las propiedades
del betún data de los años 50.
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2
B.Brûle, J.J.Potti " Hacia una propuesta de
especificaciones de betunes modificados
basadas en su comportamiento". Carreteras, nº121, Junio 2002
3
Bending beam rheometer
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barrido de temperaturas entre 20°C
y 60°C y se calcula la pendiente a, definida como: a= dlogG*/dlogT. Este
BMP NFU proporciona valores superiores a -0,06.
• Elasticidad
El comportamiento elástico de los ligantes bituminosos se evalúa por medio del ángulo de desfase que se mide nuevamente con el DSR. Cuanto
menor es el ángulo de desfase mayor
es el comportamiento elástico del material analizado. Este BMP NFU proporciona ángulos de desfase entre 55
y 65°.
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Características
Puntuación
0
Intervalo de plasticidad (°C)
1
3
Min.
Max.
Min.
Max.
Min.
85
85
90
90
95
95
0,07
0,07
0,06
5
55
0.06
65
-0,06
5
75
0,9
0,9
1,3
1,3
1,8
Susceptibilidad térmica (a)
Ángulo de desfase
2
75
Cohesión Vialit (J/cm2)
Max. Min.
Max
0,06
65
55
1,8
Envejecimiento:
(°C)= T 2,2 KPa-T 1 KPa
4
2
4
2
R= G*25 RTFOT- G*25
2
1,5
2
1,5
Cuadro 3
• Cohesión
Características
Para determinar esta propiedad se
calcula su variación en función de
la temperatura por medio de un
péndulo Vialit. Los valores obtenidos se expresan en J/cm 2. Este BMP
NFU presenta valores entre 0,9 y
1,3 J/cm 2.
• Envejecimiento
Para simular a escala de laboratorio el
proceso de envejecimiento, se ha empleado el RTFOT (equipo de película fina y rotatoria). El criterio de evaluación
es doble (Cuadro 3)
TRTFOT G*/sin = 2,2 KPa - Toriginal
G*/sin = 1Kpa
R= G*RTFOT/G*original a 25°C
BM-3b
BMP NFU
Betún
80/100
Intervalo de plasticidad (°C)
Ángulo de desfase
Susceptibilidad térmica
Cohesión Vialit
Envejecimiento:
(°C)= T 2,2 KPa-T 1 KPa
R= G*25 RTFOT- G*25
3
2
2
2
3
2
3
2
0
0
0
0
1
2
2
1
2
1
Total
12
13
3
Cuadro 4
De acuerdo con esta tabla y los resultados obtenidos se deduce que las puntuaciones para cada ligante serían
(Cuadro 4).
es equivalente al de los betunes
modificados tipo BM-3b y muy superior al de los betunes de penetración.
De estos datos se deduce que el
comportamiento de este BMP NFU
Referencias Bibliográficas
1. B. BRULE, S. LARGEAUD, M. MAZE, "Evaluation performantielle des bitumes polymères : de nouveaux résultats et des propositions concrètes",
RGRA, nº761, Avril 1998.
2. B. BRULE, "Liants bitumineux : caractéristiques fonctionnelles et méthodes
d'essais", RGRA, nº578, Janvier 1998
3. B. BRULE, M. MAZE, "Les bitumes
polymères pour enrobés spéciaux: élas-
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tomères ou plastomères?", RGRA,
nº726, Février 1995.
4. J.A. Fernández del Campo, J.J. POTTI, "Influencia del ligante y los polímeros en los betunes modificados",
VI Congreso Latino-Americano del Asfalto, Noviembre 1991.
5. J.J. POTTI, "Essais sur bitumes polymères et leur caractérisation", Eurobitume, Junio 1989.
www.directivosconstruccion.es
6. J.J. POTTI, "Innovaciones en ligantes bituminosos", VI Congreso de Firmes de León, León Mayo 2004.
7. J.J. POTTI, "Reutilización de neumáticos fuera de uso por la vía húmeda. Betún caucho tipo BMP NFU."
IX Jornadas de Conservación de carreteras, Salamanca, Junio 2004.
nnn
53 • Directivos Construcción