DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS MEDIANTE LA ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS JOSÉ EDILSON FORIGUA ORJUELA ELKIN PEDRAZA DÍAZ

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1 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 1 DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS MEDIANTE LA ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS JOSÉ EDILSON FORIGUA ORJUELA ELKIN PEDRAZA DÍAZ UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE PAVIMENTOS BOGOTÁ D.C. 2014

2 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 2 DISEÑO DE MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS MEDIANTE LA ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS JOSÉ EDILSON FORIGUA ORJUELA ELKIN PEDRAZA DÍAZ Trabajo de grado para optar al título de Especialista en Ingeniería de Pavimentos Director de la Especialización JUAN CARLOS RUGE CÁRDENAS Ingeniero Civil UNIVERSIDAD CATÓLICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE PAVIMENTOS BOGOTÁ D.C. 2014

3 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 3

4 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 4 Nota de aceptación Director de Investigación Asesor Métodológico Jurado Bogotá D.C., diciembre de 2014

5 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 5 AGRADECIMIENTOS A Dios: agradecimientos por permitirnos culminar la especialización en Ingeniería de Pavimentos; y a nuestras familias dedicamos el presente esfuerzo por su invaluable paciencia, comprensión y colaboración a lo largo del tiempo destinado para alcanzar este logro.

6 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 6 CONTENIDO pág. INTRODUCCIÓN GENERALIDADES Línea de investigación Planteamiento del problema Antecedentes del problema Pregunta de Investigación Justificación Objetivos Objetivo general Objetivos específicos MARCOS DE REFERENCIA Marco conceptual Asfaltos modificados para fabricación de mezclas asfálticas Marco legal METODOLOGÍA Determinación del agregado para la mezcla Determinación del porcentaje óptimo de asfalto Determinación del porcentaje óptimo de desperdicio plástico Procedimiento Elaboración de briquetas ANÁLISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES RECOMENDACIONES 31 BIBLIOGRAFÍA 32

7 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 7 LISTA DE TABLAS pág. Tabla 1. Tabla 2. Granulometrías típicas para mezclas densas en caliente Resumen de parámetros Marshall en función del porcentaje de desperdicio plástico

8 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 8 LISTA DE FIGURAS pág. Figura 1. Figura 2. Figura 3. Figura 4. Figura 5. Figura 6. Figura 7. Efecto de los materiales plásticos al bitumen Susceptibilidad térmica de un betún ideal y uno convencional Curvas de tensión deformación Estabilidad vs. porcentaje de trozos de desperdicios plásticos Flujo vs. trozos de desperdicios de plástico Peso unitario mezcla vs. trozos de desperdicios plásticos Módulo de rigidez vs. trozos de desperdicios plásticos

9 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 9 RESUMEN Las mezclas asfálticas modificadas han demostrado mejores resultados en cuanto a durabilidad en comparación con las mezclas asfálticas convencionales, dando la oportunidad de adecuarlas a unas condiciones específicas de respuesta según las necesidades del proyecto. Con este proyecto se busca diseñar una mezcla asfáltica modificada con desperdicios plásticos, que se constituya en una aplicación para pavimentación, que dé respuesta a la problemática de la malla vial en la ciudad de Bogotá, y al mismo tiempo ofrezca una solución ambiental al manejo de los desperdicios (residuos) plásticos. Palabras clave: Mezcla Asfáltica Modificada, Durabilidad, Diseño, Ambiental, Desperdicios Plásticos.

10 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 10 ABSTRACT The modified asphalt mixtures have shown better results in durability compared to conventional asphalt mixtures, giving the opportunity to adapt to specific conditions responsive to the needs of the project. This project seeks to design an asphalt modified with plastic waste, which becomes an application for paving, which answers to the problems of the road network in the city of Bogotá, while offering an environmental solution to managing waste (residue) plastics. Keywords: Mix Asphalt Modified, Durability, Design, Environmental, Waste Plastics

11 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 11 INTRODUCCIÓN La malla vial de Bogotá cuenta con más de 15,000 kilómetros-carril, incluyendo las troncales. Según el Índice de Condición de Pavimento (PCI) reportado por el Instituto de Desarrollo Urbano, 40% de la malla vial de la ciudad se encuentra en mal estado a pesar de tener menos de 10 años de intervenidas, un 20% de la misma se encuentra en regular estado con el mismo tiempo de haber sido intervenido, dejando tan sólo un 30% de las vías en buen estado. Estas cifras significan que se requieren inversiones superiores a los 7 billones de pesos para que la malla vial de la ciudad logre un estado de calidad apropiado y consistente con su importancia y dinamismo económico. De acuerdo con lo anterior, se hace necesario que los pavimentos que se ejecuten en la ciudad, presenten un mejor desempeño en sus propiedades mecánicas, lo cual se refleja en su durabilidad y para ello las mezclas modificadas con desperdicios plásticos, pueden ser una buena alternativa de repavimentación. En la actualidad los asfaltos convencionales que se utilizan para acometer las obras de infraestructura vial, presentan calidades y propiedades que son insuficientes o no alcanzan a satisfacer las necesidades y requerimientos de las demandas de tráfico vehicular, en virtud de lo cual se investigan alternativas de solución desde la modificación de los asfaltos incorporando materiales de distinta naturaleza, desde caucho, pasando por fibras de vidrio y acero, hasta desperdicios plásticos, este último objeto del presente trabajo, tendientes a obtener mejoras en su desempeño y comportamiento dentro de las mezclas asfálticas, de las cuales constituyen insumo primordial para su fabricación. Ahora bien, la generación de desechos y residuos plásticos con su consiguiente afectación ambiental, demandan una correcta y adecuada disposición y manejo, en orden a lo cual su reutilización y/o reciclaje, plantea alternativas para su aprovechamiento como modificador en las mezclas asfálticas más aún cuando los antecedentes en su utilización han evidenciado mejoras en su desempeño en sus propiedades mecánicas.

12 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS GENERALIDADES 1.1 Línea de investigación Asfaltos modificados 1.2 Planteamiento del problema Antecedentes del problema En vías pavimentadas con adición de residuos plásticos se pueden nombrar varias construidas en Amsterdam, Holanda, en 1936, las cuales soportaron todo el tráfico pesado de la invasión a Alemania y su posterior retirada, la cual impresionó por su perfecto desempeño hasta el punto de crear recomendaciones para su construcción posterior en Europa y Estados Unidos. Los asfaltos convencionales utilizados en la construcción tienen propiedades y características que en la actualidad no son suficientes para satisfacer las necesidades debido al incremento de flujo vehicular, por esta razón buscamos soluciones que ayuden a mejorar las características de los asfaltos y su comportamiento. Durante el decimoctavo congreso mundial de vías, realizado en Sydney, Australia, en octubre de 1983, fue presentada la utilización de látex en cada país, debido principalmente al precio del petróleo. Australia, Bélgica, Francia, Gran Bretaña, Portugal, Estados Unidos, España y Alemania han desarrollado procesos de modificación de los ligantes asfálticos con la incorporación de polímeros de manera tal que han mejorado las propiedades y obtenido resultados más económicos. En Francia el empleo ha sido cada vez mayor, a partir de la Jornada de Estudios de Asfalto Caucho realizada en LCPC en 1964, siendo adoptadas las normas técnicas, después de quince años de estudios sobre modificaciones más favorables obtenidas a través de compuestos macromoleculares para el refuerzo de carreteras.

13 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 13 En España se usa látex en las capas asfálticas, especialmente para mejorar las características de ligante entre los agregados y con ello aumentar la resistencia mecánica, la susceptibilidad térmica y las condiciones reológicas generales. Varios estudios fueron realizados en el año de 1985 en España por el ingeniero Miguel Ángel Del Val, donde se sustituía porcentaje de betún por desperdicio plástico doméstico y era probado en el ensayo de pista del laboratorio, con una rueda maciza de 10 centímetros de radio y 5 centímetros de ancho que aplica una carga fija sobre una probeta prismática de 30 centímetros de ancho por 30 centímetros de largo y 5 centímetros de alto y contenida en un molde de acero. Los resultados obtenidos fueron que la susceptibilidad a las deformaciones permanentes de la mezcla bituminosa en las que el betún se ha sustituido parcialmente por desperdicio plástico es reducida y tanto más cuanto mayor sea el contenido de desperdicio plástico. En Brasil las primeras experiencias fueron realizadas por el ingeniero Jean Claude Vogt, en Bahía, en 1968, con concreto asfáltico al introducirle látex SBR en forma manual a un mezclador. En 1969 el mismo ingeniero, con la colaboración de Farah, creó un tramo experimental entre dos poblaciones e introdujo el látex como parte del betún. En Colombia, en 1998, los ingenieros Fredy Alberto Lizcano y Óscar Javier Reyes Ortiz, presentaron un estudio experimental sobre el porcentaje de desperdicio plástico con respecto al peso de la briqueta del ensayo Marshall que se debe a agregar para obtener el óptimo de mejoramiento en las propiedades mecánicas de una capa de asfalto teniendo como base los resultados de estabilidad, flujo, peso unitario y módulo de los ensayos Marshall (Reyes Lizcano, F. A. y Reyes Ortiz, O. J. 1998) Pregunta de Investigación Qué alternativa, desde la aplicación de mezclas asfálticas modificadas para pavimentación, ofrecen respuesta a la problemática de la malla vial y al mismo tiempo se constituyen en una opción actual al problema de manejo de los desperdicios plásticos?

14 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS Justificación Desde el punto de vista de la problemática académica: Los asfaltos convencionales distan mucho de presentar un comportamiento ideal con respecto a la susceptibilidad térmica, de ahí que se han adelantado numerosos intentos para modificar sus propiedades mediante la incorporación de materiales de distinta naturaleza como cauchos, fibras vidrio, fibras de acero, y desperdicios plásticos. Desde el punto de vista de la línea de investigación y de la elección temática: La necesidad actual de desarrollar pavimentos con un envejecimiento menos rápido y con una deformabilidad ante las solicitudes de tráfico menos influenciadas por factores como los climáticos, calidad del cemento asfáltico, encarecimiento de la energía, aumento del parque automotor, incremento de la carga por eje, etc, han generado un impulso en el conocimiento científico de las empresas productoras y constructoras de mezclas asfálticas, a partir de asfaltos modificados. Desde el punto de vista del sector económico al que corresponde la propuesta del anteproyecto: Debido a la mejora de las propiedades mecánicas del cemento asfáltico modificado con desperdicios plásticos, como la disminución a la susceptibilidad térmica, a la mejora de la flexibilidad y elasticidad, al mejor comportamiento de la fatiga, y al aumento en la resistencia al envejecimiento, aspectos que definen su durabilidad y por ende el aumento de la vida útil del pavimento. 1.4 Objetivos Objetivo general Diseñar mezclas asfálticas modificadas mediante la adición de desperdicios plásticos.

15 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS Objetivos específicos Determinar el porcentaje óptimo de desperdicio plástico para el diseño de la mezcla modificada. Determinar los parámetros Marshall de una mezcla asfáltica modificada con desperdicios plásticos. Confirmar la mejora en la durabilidad de la mezcla modificada con desperdicios plásticos.

16 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS MARCOS DE REFERENCIA 2.1 Marco conceptual Asfaltos modificados para fabricación de mezclas asfálticas Los asfaltos modificados son el producto de la disolución o incorporación de un aditivo modificador (polímero o no polímero), que son sustancias estables en el tiempo y a cambios de temperatura que se le añaden al material asfáltico para modificar sus propiedades como: susceptibilidad a la temperatura, intervalo de plasticidad, cohesión, respuesta elástica, resistencia al agua y al envejecimiento. Los modificadores aumentan la resistencia de las mezclas asfálticas a la deformación y a los esfuerzos de tensión repetidos como la fatiga; reducen el agrietamiento, la susceptibilidad de las capas asfálticas a las variaciones de la temperatura. Estos modificadores son adicionados al asfalto antes de mezclarlos con el material pétreo. (Heshmat, 1997). Los ligantes asfálticos tradicionales tienen limitaciones en su respuesta a las cargas que día a día aumentan su frecuencia y su intensidad, sin olvidar la acción del clima que en muchos proyectos han generado ondulamientos y agrietamientos prematuros. En consecuencia es necesario buscar y desarrollar materiales más resistentes que alarguen el periodo de servicio y disminuyan los gastos de conservación. Los ligantes modificados han demostrado capacidad para mejorar el comportamiento de los tradicionales, dando la oportunidad de adecuarlos a unas condiciones específicas de respuesta en los proyectos. (Arenas Lozano, H. L., 2011) Modificador con polímeros El consumo de materiales plásticos está en constante aumento, en 1980 el consumo mundial fue de 90 millones de toneladas en el mundo entero. La disolución de

17 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 17 los materiales plásticos en el agua o en el aire es casi imposible y por eso causa polución en el medio ambiente. Los materiales plásticos se dividen en dos grandes grupos: los termoplásticos y los termosets plásticos. Los termoplásticos cambian fácilmente cuando se reblandecen al fuero, pero estos conservan sus propiedades mecánicas, de otra parte, ellos recuperan su alta resistencia cuando se enfrían. Los estudios muestran que los desperdicios de material termoplásticos pueden ser útiles en las vías pavimentadas. La adición de materiales plásticos al bitumen puede crear tres efectos que dependen de la naturaleza química, de la talla y de las características físicas del material plástico, como se muestra en la figura 1. El efecto sobre el ligante: la disolución verdadera o la dispersión del estado fundido de material plástico en la mezcla hace aumentar la viscosidad del ligante. El efecto de estructura: las fibras o tiras plásticas crean entre los granos del granular uniones. El efecto bloqueante: las tiras plásticas en los granos pueden llenar los vacíos del esqueleto granulométrico a la hora de compactar. Figura 1. Efecto de los materiales plásticos al bitumen. Fuente: Arenas Lozano, H. L. (2011).

18 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 18 Estos tres efectos solos o juntos producen los siguientes resultados: Susceptibilidad térmica, que es uno de los inconvenientes más importantes en los betunes bituminosos, esto lo mejora. Aumento de la compactación. Aumento de le resistencia de la capa. Disminución del consumo de energía por la fabricación de la mezcla bituminosa Forma de utilización de polímeros como modificador La incorporación de un polímero a un betún es un proceso complejo. Puede decirse que en una primera etapa, el polímero se dispersa en la masa del betún pero sin ejercer efectos importantes sobre sus propiedades. Posteriormente, las partículas de polímero absorben aceites de los maltenos, hinchándose de una manera importante, para dispersarse finalmente en forma molecular, siendo en esta etapa cuando realmente tienen lugar los cambios reológicos más significativos sobre el asfalto. La composición de los asfaltos tiene una importancia decisiva en las propiedades de los asfaltos modificados, en forma muy especial en lo que concierne a la aromaticidad de los maltenos y al contenido de asfaltenos. Cuanto menor sea el contenido de asfaltenos de un asfalto, tanto más compatible será dicho asfalto con el polímero. La fabricación de un asfalto modificado consiste en incorporar el polímero al asfalto a temperatura elevada, haciéndolo pasar por un molino coloidal dotado de una gran capacidad para desarrollar altos esfuerzos de corte o de cizallamiento, durante un tiempo determinado, que dependerá de la naturaleza y tipo de cada uno de los componentes. El objetivo de la modificación de los asfaltos con polímeros puede resumirse en: 1. Disminuir la susceptibilidad térmica a temperaturas elevadas. 2. Aumentar la cohesión interna. 3. Mejorar la flexibilidad y la elasticidad a bajas temperaturas. 4. Mejorar el comportamiento a la fatiga.

19 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS Aumentar la adhesividad árido ligante. 6. Aumentar la resistencia al envejecimiento. Haciendo uso de un diagrama BTDC (Bitumen Date Test Chart) desarrollado por Heukelon, veremos cómo son los cambios en la susceptibilidad térmica de los asfaltos convencionales cuando son modificados con polímeros del tipo SBS. En la figura 2 puede apreciarse cómo un asfalto convencional empleado en pavimentación presenta una variación lineal de su consistencia con la temperatura. Por el contrario, el mismo asfalto modificado con SBS muestra un comportamiento no lineal. Esta diferenciación en el comportamiento de estos materiales justifica las ventajas de utilización de este tipo de productos. Figura 2. Susceptibilidad térmica de un betún ideal y uno convencional. Fuente: Arenas Lozano, H. L. (2011). Tal como se aprecia en las zonas de bajas temperaturas el asfalto modificado presenta mejores características de flexibilidad que el asfalto convencional como lo indican los valores más bajos de consistencia.

20 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 20 En el rango de temperaturas de servicio, C, el asfalto modificado presenta menor susceptibilidad térmica, con consistencias elevadas, lo que asegura una buena resistencia de las mezclas asfálticas a las deformaciones permanentes. En la zona de temperaturas de mezclado en planta, el asfalto modificado presenta una viscosidad algo mayor que la del asfalto convencional, pero de ninguna manera dificulta las operaciones de preparación de las mezclas. Una de las propiedades más importantes que le imparten los polímeros a los asfaltos es un aumento en su cohesión. Un ensayo que pone de manifiesto este defecto por parte de los polímeros del tipo SBS es el desarrollado por Benson, denominado de resistencia tenacidad (Toughness Tenacity). El método consiste en medir el trabajo requerido para separar una semiesfera de acero, sumergida dentro de un recipiente con el asfalto modificado. El dispositivo que se emplea consiste en una semiesfera de acero de 1,9 cm de diámetro, unida a un eje. La misma es introducida en un recipiente con 50 cm 3 del ligante modificado, previamente fundido. La muestra es dejada estacionar por 12 horas a 25 C. Al cabo de este tiempo, manteniendo el recipiente fijo, la semiesfera es separada a una velocidad de 30 cm/min mediante un aparato de tensión Instrom o similar, registrando automáticamente la curva tensión deformación. Dado que el ensayo involucra la medida de una distancia y una fuera, el resultado se expresa en términos de un trabajo en kg/cm. En la figura 3 se presenta la forma de las curvas tensión deformación para un asfalto con el agregado de polímero y sin él.

21 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 21 Figura 3. Curvas de tensión deformación. Fuente: Arenas Lozano, H. L. (2011). La resistencia (Toughness) es el trabajo representado por el área total bajo la curva y la tenacidad (Tenacity), por el área limitada por la curva de deformaciones elevadas y la proyección del pico de la curva al eje de abscisas. En realidad la tenacidad es aquella parte del área total aportada principalmente por el polímero. Si bien el ensayo de resistencia y tenacidad puede no llegar a tener una buena correlación con el comportamiento de las mezclas, el mismo resulta de utilidad para detectar la presencia de polímeros en el ligante y en cierto modo, apreciar su concentración. Una tenacidad mejorada significa que habrá de efectuarse más trabajo para desprender una partícula de árido de la superficie de un pavimento por acción del tránsito. Una mejora en la resistencia significa un aumento en la resistencia interno de la mezcla bituminosa. Para caracterizar las propiedades mecánicas y reológicas de los asfaltos modificados, además de los ensayos convencionales normalmente empleados, tales como la penetración, punto de ablandamiento, ductilidad, etc, se ha de recurrir a otros

22 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 22 ensayos que permitan poner en evidencia las propiedades elastoméricas que le confieren los polímeros a los asfaltos modificados. La mejora en la susceptibilidad térmica se puede determinar mediante ensayos de consistencia a distintas temperaturas, ensayos de viscosidad y penetración. El comportamiento elastomérico se puede poner en evidencia mediante el ensayo de recuperación elástica por torsión o con ductilómetro (ductilidad modificada.) Entre las principales aplicaciones de los asfaltos modificados en mezclas en caliente se cuentan: 1. Mezclas resistentes a las deformaciones plásticas. 2. Mezclas drenantes. 3. Carpetas de rodamiento finas. 2.2 Marco legal En Colombia, la construcción, rehabilitación, mejoramiento y conservación de infraestructura vial (puentes y carreteras) está normalizada por el INVÍAS. El presente trabajo se realizó bajo la normatividad vigente establecida por el Instituto Nacional de Vías INVIAS, la cual hace parte de los contratos celebrados por la entidad, a través del documento técnico Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras, la cual reglamenta las especificaciones de mezclas asfálticas en caliente (concreto asfáltico y mezcla de alto módulo) y sus criterios de diseño de mezclas asfálticas en caliente por el método Marshall, Artículo

23 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS METODOLOGÍA La materia prima utilizada en la ejecución del presente trabajo consistió en: agregados pétreos, asfalto, desperdicios plásticos consistentes en trozos de bolsas. La elaboración fue adelantada siguiendo las siguientes etapas: 3.1 Determinación del agregado para la mezcla Se escogió una granulometría para el agregado de las muestras Marshall de las características de la tabla 1 cuyas especificaciones granulométricas cumplen las normas establecidas por el Instituto Nacional de Vías INVIAS, agregados procedentes del río Tunjuelo los cuales fueron ajustados a la gradación establecida en la tabla mencionada. Para el presente trabajo se tomará el diseño óptimo para una mezcla densa en caliente tipo MDC-19, prevista por la normatividad de las especificaciones del Instituto nacional de Vías - INVIAS 2013.

24 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 24 Tabla 1. Granulometrías típicas para mezclas densas en caliente. Fuente: INVIAS (2013). 3.2 Determinación del porcentaje óptimo de asfalto Con la granulometría citada anteriormente se procedió a realizar muestras del ensayo Marshall variando el porcentaje de asfalto que se iba a introducir con respecto al peso de la briqueta, como lo especifica la norma del ensayo Marshall. Con los datos obtenidos del Marshall (estabilidad y flujo) se determinó que el porcentaje óptimo de asfalto que se iba a utilizar era del 6,73%. Con base en el dato del porcentaje óptimo de asfalto que se iba a agregar a las muestras del ensayo Marshall, se comenzó a realizar las muestras con la adición de desperdicio plástico, iniciando con un porcentaje del 0,1% del peso de la muestra aumentando este valor en 0,1% hasta encontrar el que tuviera mejores características. 3.3 Determinación del porcentaje óptimo de desperdicio plástico Se realizaron tres probetas por cada porcentaje de desperdicio plástico, una por cada 25, 50 y 75 golpes.

25 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 25 A las muestras con 0,1%, 0,2%, 0,3%, 0,4% y 0,5% de desperdicio plástico se les realizó el ensayo Marshall, y se les calculó el peso unitario, la estabilidad, el flujo y el módulo para determinar cuál era el porcentaje óptimo. El desperdicio plástico fue obtenido de la molienda de plástico reciclado y seleccionado para la elaboración de mangos de rodillo. 3.4 Procedimiento Se realizaron 15 probetas para ensayos Marshall, previo a lo cual se obtuvo el porcentaje óptimo de asfalto equivalente al 6,73%, y se inició con un porcentaje de 0,1% del peso de la muestra total como se indicó anteriormente Elaboración de briquetas Las briquetas fueron elaboradas utilizando la dosificación cuyas características granulométricas se ajustaron a las especificaciones granulométricas establecidas por el INVIAS para el tipo de mezcla MDC-19 (ver tabla 1), utilizando material proveniente del río Tunjuelo, al cual se le realizó el respectivo tamizado y clasificación, a efecto de establecer la cantidad de agregado requerida para el porcentaje de asfalto óptimo. Con la mezcla óptima dosificada y su contenido óptimo de asfalto, se procedió con la adición del desperdicio plástico, el mezclado y calentamiento de la mezcla hasta alcanzar homogeneidad, es decir que todas las partículas estuvieran totalmente cubiertas por el ligante, y posteriormente se procedió con la compactación de acuerdo con lo previsto en la norma de ensayo de materiales INVIAS E-748.

26 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS ANÁLISIS DE RESULTADOS Utilizando los parámetros arrojados después de utilizar el método Marshall como son estabilidad, flujo, peso unitario y módulo de rigidez utilizando la fórmula de Nijboer (1957), donde se encuentra el módulo por medio de la utilización de los parámetros de estabilidad y el flujo por una constante de las mezclas obtenida a partir de 15 ensayos para obtener el porcentaje óptimo de desperdicio plástico que mejora las propiedades del asfalto, y después de haber encontrado un óptimo de asfalto de 6,73%, cálculos que no se presentan por no ser objeto del presente trabajo, se puede decir que mediante los gráficos de los diversos parámetros Marshall encontramos los mayores valores que se presentan en la tabla 2: Tabla 2. Resumen de parámetros Marshall en función del porcentaje de desperdicio plástico. % Trozos de bolsas de plástico Golpes Estabilidad (Lb) Flujo (1/100") Peso Unitario mezcla (Ton/m 3 ) Módulo de Rigidez (kg/cm 2 ) 0, ,47 13, ,42 0, ,74 14, ,86 0, ,65 15, ,35 0, ,65 16, ,12 0, ,25 15, ,98 0, ,55 24, ,06 0, ,25 22, ,85 0, ,38 27, ,98 0, ,28 27, ,66 0, ,43 24, ,92 0, ,6 27, ,63 0, ,97 22, ,01 0, ,66 26, ,66 0, ,06 22, ,71 0, ,87 29, ,56 Fuente: Elaboración propia. Mediante la curva de estabilidad figura 4, los mejores porcentajes para cada muestra que optimizaron sus propiedades son: 1) para muestras de 25 golpes en un porcentaje de 0,4%, 2) para las muestras de 50 golpes un porcentaje de 0,4%, 3)

27 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 27 para las muestras de 75 golpes un porcentaje de 0,4%; por lo cual el porcentaje óptimo para los tres ensayos es de 0,4% de porcentaje de trozos de desperdicios plástico con respecto al peso de la muestra Marshall, donde su estabilidad máxima de las tres curvas es 2591,06 Lb. Figura 4. Estabilidad vs. porcentaje de trozos de desperdicios plásticos. Fuente: Elaboración propia. Mientras que para los resultados del flujo se realizó una regresión lineal para cada grupo de probetas del ensayo Marshall (25, 50 y 75 golpes), se muestra que los valores de flujo para cualquier porcentaje de desperdicio plástico es aproximadamente constante para todas las curvas, como se observa en la figura 5, mientras que para el peso unitario de la mezcla se observa en la figura 6, que para 75, 50 y 25 golpes es de 0,4% de trozos de desperdicios plásticos con respecto al peso de la muestra y cuyo valor máximo es de 2256 Ton/m 3.

28 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 28 Figura 5. Flujo vs. trozos de desperdicios de plástico. Fuente: Elaboración propia. Figura 6. Peso unitario mezcla vs. trozos de desperdicios plásticos. Fuente: Elaboración propia.

29 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 29 En cuanto al módulo de rigidez se puede ver en la figura 7, que el módulo para las tres gráficas presenta un máximo de 0,4% del porcentaje de trozos de desperdicios plásticos cuyo valor máximo es 388,71 kg/cm 2. Figura 7. Módulo de rigidez vs. trozos de desperdicios plásticos. Fuente: Elaboración propia. Con los resultados anteriores de los parámetros Marshall de estabilidad, flujo, peso unitario de la mezcla, y módulo de rigidez para los trozos de desperdicios plásticos, se puede concluir que el porcentaje óptimo que mejora de manera substancial las propiedades mecánicas del asfalto esta alrededor de 0,4% del porcentaje de los trazos de desperdicios plásticos con respecto al peso de la muestra, y sí hay que tener cuidado porque para porcentajes bajos entre el 0,1 y 0,2% de desperdicio plástico, el efecto para las muestras compactadas con 25 y 50 golpes es dañino ya que en vez de aumentar la estabilidad lo que hace es disminuirla en un porcentaje bastante alto del orden del 55%, con respecto a si no se introdujera trozos de desperdicio plástico.

30 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS CONCLUSIONES De acuerdo con los resultados evidenciados de los parámetros Marshall de estabilidad, flujo, peso unitario de la mezcla, y módulo de rigidez para los trozos de desperdicios plásticos, se concluye que el porcentaje óptimo que mejora de manera substancial las propiedades mecánicas del asfalto es de alrededor de 0,4% del porcentaje de los trazos de desperdicios plásticos con respecto al peso de la muestra. También se evidencia que en porcentajes bajos comprendidos entre el 0,1 y 0,2% de desperdicio plástico, el efecto para las muestras compactadas con 25 y 50 golpes redunda en una disminución del orden del 55% de los parámetros Marshall de la mezcla asfáltica con respecto a si no se introdujeran trozos de desperdicio plástico, circunstancia que también se observa para valores mayores al óptimo del orden de 0,45%. Si bien se aprecian mejoras en las propiedades mecánicas de la mezcla, se observa que el diseño de mezcla asfáltica con desperdicios plásticos es sensible a la dosificación de este material en planta. El hecho de evidenciar una mejora en las propiedades mecánicas de la mezcla asfáltica diseñada mediante la adición de desperdicios plásticos, confirma un aumento en la durabilidad que ya puede ser afectada por agentes externos como lo son los atmosféricos (agua, ozono, oxígeno y humedad), la radiación solar, el calor, los microorganismos, los agentes químicos, y desde luego la acción directa de las cargas de tránsito. Estos cambios generados por dichos agentes dependerán del tipo de polímero, su composición y estructura química, lo cual está por fuera del alcance del presente trabajo. Los resultados obtenidos en el presente trabajo evidencian lo citado por algunos autores reconocidos, quienes afirman que los asfaltos modificados con polímeros presentan propiedades mecánicas superiores a las de los ligantes tradicionales. Para su evaluación se han desarrollado y adaptado una serie de ensayos tales como: tensión deformación, la tenacidad, fuerza ductilidad, entre otros. (Arenas Lozano, H. L., 2011).

31 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS RECOMENDACIONES También se evidencia que en porcentajes bajos comprendidos entre el 0,1 y 0,2% de desperdicio plástico, el efecto para las muestras compactadas con 25 y 50 golpes redunda en una disminución del orden del 55% de los parámetros Marshall de la mezcla asfáltica, con respecto a si no se introdujeran trozos de desperdicios plástico, circunstancia que también se observa para valores mayores al óptimo del orden de 0,45%, en orden a lo cual el diseño de mezcla asfáltica con desperdicios plásticos es sensible a la dosificación de este material en planta. Debido a los resultados obtenidos a partir del Marshall con 25 y 50 golpes de compactación, para los cuales se observó disminución en los parámetros Marshall para porcentajes de adición de desperdicio de plástico que se alejan del óptimo, la compactación dentro del proceso constructivo cobra una mayor importancia en relación con una mezcla asfáltica del tipo convencional. Si bien el enfoque del presente trabajo no es ambiental aunque si tiene alguna pretensión en esta materia, las entidades que rigen este aspecto desde el Estado deberían especificar y reglamentar la implementación y utilización de la adición de desperdicios plásticos en las mezclas asfálticas dentro la contratación de obra pública, para lo cual resulta necesario primero ahondar en la investigación sobre estas nuevas tecnologías.

32 DISEÑO MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS ADICIÓN DE DESPERDICIOS PLÁSTICOS 32 BIBLIOGRAFÍA Alberto, C. (1978). Caracteristicas tecnologicas das emulsoes. En: Encontro do Asfalto (3, 1978): IBP Arenas Lozano, H. L. (2011). Tecnología del cemento asfáltico. 5a ed. Bogotá: Faid Editorial. Del Val Melús, M. Á. (1985). Mezclas bituminosas resistentes a las deformaciones permanentes mediante sustitución parcial del betún por un polímero. En: Congreso Iberoamericano del Asfalto (3: octubre): Cartagena (D. T.) Memorias: Escuela Colombiana de Ingeniería, 496 p. Heshmat A. (1997). Polymer Modifiers for Improved Performance of Asphalt Mixture. En: Usmani, A. M. (ed). Asphalt science and technology. New York: Marcel Dekker, Inc, pp Nijboer, L. W. (1957). Einige Betrachtungen über das Marshallverfahren zur Untersuchung bituminöser Massen. Bielefeld: Kirschbaum Verlag. Reyes Lizcano, F. A. y Reyes Ortiz, O. J. (1998). Mejoramiento de las propiedades mecánicas de una capa de asfalto con desperdicios plásticos. En: Simposio Colombiano sobre Ingeniería de Pavimentos (11: 8-12, octubre, 1997): Cartagena (D. T.) Memorias: Escuela Colombiana de Ingeniería, p.