Mezclas bituminosas con polvo de Neumático Fuera de Uso (NFU)

Transcripción

1 Mezclas bituminosas con polvo de Neumático Fuera de Uso (NFU) Cátedra de Materiales Viales Especiales Dr. Ing. R. Adrián Nosetti Facultad de Ingeniería - Universidad Nacional de La Plata

2 Mezclas con NFU

3 La fabricación y el requerimiento masivo de neumáticos y las dificultades que presenta este residuo sólido, una vez utilizados, constituye uno de los más graves problemas medioambientales de los últimos años en todo el mundo

4 . En la Unión Europea, en el año 2000 se generaron toneladas de neumáticos usados. Correspondiendo aproximadamente al 1 % de los residuos sólidos urbanos NFU generados (t) España Europa En los Estados Unidos en el año 1984 la generación de neumáticos se situó en torno a 1,05 neumáticos por habitante, mientras que el mismo índice en 1990 llegó a 1,25. Se estima que unos millones de neumáticos permanecen en basureros como resultado de su acumulación año tras año

5 En argentina se generan, en promedio anual, mas toneladas de este desecho contaminante de las cuales el 40 por ciento corresponde al Área Metropolitana de Buenos Aires. Neumáticos para AUTOMÓVILES y CAMIONETAS (Unidades) Año Consumo aparente Producción Exportación Importación Nota: los datos corresponden únicamente a neumáticos de Automóvil. Total de NEUMÁTICOS (Unidades) Año Consumo aparente

6

7 La deposición de los neumáticos usados presenta una serie de inconvenientes Forma y tamaño de los neumáticos, por la forma que presentan ocupan un gran volumen y requieren de mucho espacio. Permite la proliferación de roedores, insectos. Para dar una idea la reproducción de ciertos mosquitos, llega a ser veces mayor en el agua estancada de un neumático que en la naturaleza. Además un neumático necesita grandes cantidades de energía para ser fabricado: medio barril de petróleo crudo para fabricar un neumático de camión.

8 . Durante la década de los ochenta comenzó a tomarse conciencia que el problema de la acumulación de neumáticos es inservible. Este hecho ha sido en los últimos años el verdadero motor del desarrollo de técnicas que permiten reciclar los neumáticos en desuso.

9 Reseña histórica La modificación de betunes con caucho natural se remonta al siglo pasado En la década de 1930 comienzan los primeros estudios sistemáticos Luego de la Segunda Guerra Mundial, la construcción de tramos experimentales incorporando caucho triturado ( ) 04/09/2017

10 Reseña histórica En el año 1948, en la Argentina Petroni e Hita realizan los primeros estudios para juntas en pavimentos de hormigón El Dr. Pinilla en el Laboratorio del LEMIT modificó asfaltos incorporando distintos tipos de caucho en polvo (1956) En los años 60 ingenieros suecos emplearon este tipo de mezclas para mejorar las condiciones de vialidad invernal 04/09/2017

11 Reseña histórica En Estados Unidos Charles Mac Donald modificó betunes con caucho de neumático Los estudios más recientes corresponden a la tesis doctoral del Dr. Juan Gallego en la UPM de España

12 . Modificación de cementos asfaltos que se emplean en distintos tipos de mezclas asfálticas Materia prima para la fabricación de alfombras y aislantes de vehículos En campos deportivos de césped sintético Baldosas para pisos articulados o continuo, utilizados en paseos o como pisos en los juegos para niños en plazas para disminuir el impacto en las caídas Compuestos de goma, suelas de zapato, bandas de retención de tráfico y compuestos para la navegación Recapado para ser nuevamente utilizado como neumático Como combustible en hornos de cemento y en centrales térmicas

13

14

15

16 .

17 .

18 .

19 .

20

21

22

23 = 334 gramos de Neumático

24 neumáticos usados en la construcción de un kilómetro de pavimento asfáltico.

25

26 NEUMÁTICOS: TIPOS Y COMPOSICION

27 NEUMÁTICOS: TIPOS Y COMPOSICION Actualmente casi la totalidad de los neumáticos son del tipo radial. Una banda de rodamiento elástica, una cintura prácticamente inextensible Una estructura de arcos radialmente orientados sobre una membrana inflada terminado en unos aros también inextensibles que sirven de fijación a un elemento rígido, como es la llanta de la rueda

28 NEUMÁTICOS: TIPOS Y COMPOSICION Pueden clasificarse atendiendo al tipo de vehículo que los utiliza: de automóviles o camionetas (hasta unos 600 mm de diámetro exterior) con un peso de aproximadamente 8 kg de camiones (hasta unos 1400 mm) que pesan en torno a los 65 kg de maquinaria agrícola, industrial y de obras públicas (de mayor diámetro y peso que los anteriores)

29 NEUMÁTICOS: TIPOS Y COMPOSICION El principal componente del neumático es el caucho en casi la mitad de su peso caucho natural (NR) obtenido primariamente como látex de la Hevea Brasiliensis (elasticidad) estireno butadieno (SBR), polibutadieno (BR), polisoprenos sintéticos (IR) (estabilidad térmica)

30 Vulcanización Descubierto por Goodyear en 1834 Durante la vulcanización el caucho es expuestos a temperaturas y presiones elevadas, incorporando algún agente químico, que habitualmente es azufre Su misión es la creación de enlaces o puentes de unión entre las cadenas de polímeros

31 .

32 Composición de los neumáticos Sustancias en el neumático COMPONENTE % Cauchos 48 Negro de carbono 22 Acero 16 Material textil 5 Oxido de zinc 1 Varios aditivos químicos 8

33 Composición de los neumáticos Elementos químicos COMPONENTE % Carbono 72 Hidrógeno 6 Azufre 1 Hierro 16 Otros 5

34 Compuestos 1.- Extracto cetónico 2.- Polímeros 3.- Negro de humo 4.- Cenizas

35 . 1.- Extracto cetónico: Determina la cantidad de aceites usados en el caucho del neumático, sulfuros libres, plastificantes y antioxidantes solubles en acetona, ácidos grasos y productos bituminosos, entre otras sustancias.

36 . 2.- Polímeros: Obtiene el contenido de polímeros de alto peso molecular como el caucho natural vulcanizado (NR), estireno butadieno (SBR), polibutadieno (BR), polisoprenos sintéticos (IR), etc.

37 . 3.- Negro de humo: Permite precisar la cantidad de este antioxidante en el polvo de neumáticos. 4.- Cenizas: Valora el contenido de polvo mineral como óxido de zinc, arcilla o cualquier otro contaminante adherido al neumático.

38 . Mínimo [%] Máximo [%] Extracto cetónico Polímeros Negro de humo Cenizas 3 7

39 Proceso primario: molienda a temperatura ambiente 15 rpm Detecta sobrecargas

40 .

41

42 .

43 .

44 .

45

46 .

47 Proceso secundario: molienda a temperatura ambiente Existen varios tipos de granuladores capaces de reducir el tamaño de los granos de caucho hasta aproximadamente 0,32 mm. Se trata de máquinas fabricadas generalmente por encargo y cuyo principio de funcionamiento es el de corte

48 Proceso secundario: molienda a temperatura ambiente Todo el proceso se realiza a temperatura ambiente, aunque la energía transmitida al caucho durante la molienda eleva su temperatura hasta unos 80 C. Si se desean obtener fracciones menores a los 0,32 mm se introduce el material nuevamente en un sistema de molienda mecánica, en equipos dispuestos en serie, los resultados que se logran son adecuados con costos aceptables sin necesidad de procesos terciarios. Los equipos mas modernos luego de la trituración retiran el metal utilizando el magnetismo como principio de separación, en otros hay que retirarlos previamente.

49 .

50

51 .

52 .

53 .

54

55 .

56

57 .

58 .

59

60

61

62 Procesos terciarios: criogenización del caucho o molienda en húmedo La molienda con criogenización está basada en la reducción de la temperatura de un material hasta conseguir su fragilización Para ello el procedimiento más utilizado es la inmersión directa en baño de nitrógeno líquido. También es frecuente hacer circular los gases del nitrógeno a través de una cámara cilíndrica por la que se desplaza el material

63 Procesos terciarios: criogenización del caucho o molienda en húmedo La temperatura de criogenización del caucho de neumáticos se alcanza aproximadamente a los 60 C. A esa temperatura el caucho puede molerse por los procedimientos empleados con materiales pétreos como los molinos de martillos o de bolas. En ambos casos el proceso no es tan eficaz como el aplicado a áridos, por lo que el tamaño de los granos de caucho resultantes suele situarse alrededor de los 0,16 mm.

64 Procesos terciarios: criogenización del caucho o molienda en húmedo El polvo de caucho así logrado se caracteriza por una menor superficie específica que el obtenido a temperatura ambiente. Las "caras de fractura" son lisas, mientras que el aspecto del grano de caucho obtenido a temperatura ambiente se deriva de acciones de corte y desgarro combinadas que permite tener una mayor superficie específica, lo que implica tener mayor contacto con el cemento asfáltico en el momento de la incorporación al ligante asfáltico.

65 Procesos terciarios: criogenización del caucho o molienda en húmedo Dado la baja temperatura del proceso, se favorece la condensación del vapor de agua presente en el ambiente sobre su superficie, el polvo de caucho obtenido debe secarse antes de su envasado o almacenamiento para que no produzca un efecto nocivo al asfalto.

66 Procesos terciarios: criogenización del caucho o molienda en húmedo En cuanto a la molienda en húmedo se trata de formar un "lodo" de agua y partículas de caucho que, sometido durante un período suficiente a la acción de unas muelas, reduce el tamaño del grano hasta conseguir que, como en el caso de la criogenización, pase por un tamiz de 0,16 mm. El proceso concluye con el secado final del lodo. Estos procesos terciarios son muy costosos y por ende pocos competitivo en relación a los procesos mecánicos, además no ofrecen las ventajas técnicas que poseen los polvos de neumático provenientes de procesos mecánicos exclusivamente.

67 INCORPORACIÓN DEL CAUCHO EN LOS MATERIALES ASFALTICOS Vía húmeda Vía seca Vía Mixta

68 INCORPORACIÓN DEL CAUCHO EN LOS MATERIALES ASFALTICOS Vía húmeda Consiste en modificar el asfalto añadiendo ciertas cantidades de polvo de neumático bajo condiciones de temperatura, tiempo de energía de agitación, aditivos etc.

69 INCORPORACIÓN DEL CAUCHO EN LOS MATERIALES ASFALTICOS Vía seca Se utiliza sólo en la fabricación de mezclas asfálticas en caliente y consiste en la mezcla directa del caucho con los áridos, antes de incorporar el ligante al mezclador. Se considera al polvo de neumático como si fuese una fracción más de agregado.

70 INCORPORACIÓN DEL CAUCHO EN LOS MATERIALES ASFALTICOS Vía Mixta Combina los dos casos anteriores. Es un sistema en vías de desarrollo y se basa en fabricar mezclas con asfalto modificado con caucho procedente de neumáticos de desecho y una pequeña cantidad de caucho triturado (polvo de neumáticos) como árido que se aportará directamente al mezclador en la usina de mezcla asfáltica como lo indicado en el caso anterior.

71 Vía húmeda La incorporación del polvo de neumático al asfalto vía húmeda puede realizarse de dos maneras: Microdispersiones Macrodispersiones

72 Vía húmeda Microdispersiones La primera de ellas es la sustitución de los polímeros habitualmente empleados en la modificación de ligantes asfálticos, por caucho procedente de neumáticos fuera de uso agregándole además otros componentes Obtenemos un asfalto modificado con caucho cuyas propiedades reológicas se asimilan a un asfalto modificado con polímeros.

73 Vía húmeda Microdispersiones La modificación del ligante base depende de: Tamaño y textura del polvo de neumático (tamaño máximo sea de 0,32 mm) Cantidad y tipo del cemento asfáltico Tiempo y temperatura de mezclado Mecanismo y grado de agitación mecánica Aromaticidad de los componentes del cemento asfáltico Uso de aditivos

74 Vía húmeda Microdispersiones Estas modificaciones son microdispersiones que tienden a ser estables al almacenaje Es importante pues el ligante asfáltico modificado con caucho debe transportarse desde el lugar de fabricación hasta el frente de producción Los contenidos de polvo de neumático máximos que pueden utilizarse en este proceso son del orden del 10 % en peso del asfalto

75 Vía húmeda Microdispersiones % de polvo de neumático s/ asfalto Viscosidad a 175 C [cp] Punto de ablandamiento [ºC] Retorno elástico [%]

76 Vía húmeda Microdispersiones Tamaño del caucho [mm] Asfalto original 2-0,8 0,8 0,16 < 0,16 Viscosidad a 175 C [cp] minutos minutos minutos minutos

77 . Ensayo Vía húmeda Microdispersiones Asfalto Base Asfalto caucho Penetración (25ºC, 100 g, 5 seg) [0.1 mm] Punto de ablandamiento (A y B) [ºC] Recuperación elástica torsional [%] Viscosidad Brookfield Rotor SC4-28 [Poise] 60 ºC ºC ºC ºC

78 Vía húmeda La segunda manera de incorporar el polvo de neumático es mediante macrodispersiones Se realizan a pie de obra, en mezcladores continuos que poseen asociados dosificador del polvo de neumático la mezcla asfalto-polvo de neumático logradas son dispersiones inestables y deben utilizarse inmediatamente a su fabricación Se bombean a la usina asfáltica para la producción de mezclas asfálticas en caliente

79 Vía húmeda Macrodispersiones Las viscosidades logradas son elevadas, lo que permite ejecutar mezclas asfálticas con altos contenidos de ligante sin que se produzca escurrimiento del mismo Se las utiliza para repavimentaciones en capas fisuradas pues el alto contenido de ligante con componentes elásticos retarda el recrecimiento de las fisuras

80 Vía húmeda Macrodispersiones Los porcentajes de polvo de neumático están en el orden del 20 % Los tamaños son mayores que en el caso anterior por debajo de 1,0 mm, aunque generalmente se utilizan tamaños inferiores a 0,8 mm.

81 Vía húmeda Macrodispersiones ENSAYO NLT RESULTADO Penetración. [10-1 mm] Punto de ablandamiento [ºC] Retorno elástico por torsión [%] Viscosidad a 175ºC [cp]

82 Vía húmeda Macrodispersiones

83 .

84 .

85 Vía húmeda. Macrodispersiones

86 .

88 .

89 .

91 Vía seca La introducción de polvo de caucho por vía seca supone una modificación de la granulometría. En general se incorporan porcentajes del 1 al 3 % de polvo de caucho sobre peso de los áridos. En volumen representa entre el 2 y el 7 %, peso específico de 1,15 g/cm³ frente a valores aproximados de 2,65 g/cm³ de los áridos.

92 Vía seca El fenómeno de reacomodación de las partículas de árido y caucho durante la compactación es un fenómeno volumétrico, por ello no debe olvidarse la importancia relativa que puede tener la presencia de partículas de caucho, aún en porcentajes pequeños.

93 Vía seca En los años sesenta, en Suecia aparecieron las primeras mezclas asfálticas que incorporaban trozos de caucho por vía seca, con el objetivo de mejorar la resistencia al deslizamiento en pavimentos helados. Se incorporaba entre el 3 y 4 % de caucho (sobre peso de la mezcla), con lo que mejoraba la adherencia del neumático al pavimento

94 Vía seca Las partículas de caucho llegaban a tener hasta 10 mm de tamaño, sustituyendo parte de las partículas de árido del mismo tamaño El procedimiento de dosificación era similar al de las mezclas PlusRide de los EE.UU., dichas mezclas son mezclas cerradas, con una discontinuidad granulométrica en la que encaja el caucho que se añade por vía seca El polvo de caucho empleado es inferior a 6 mm y se pueden incorporar contenidos del 1 6 % de caucho aunque lo habitual es emplear el 3 %

95 Vía seca Para dosificar las mezclas con la incorporación de polvo de neumático vía seca se debe definir la granulometría y la cantidad de caucho a añadir, luego se determinan los contenidos de ligante tratando de encuadrar el contenido de vacíos en torno al 3 % Se puede dosificar por el método Marshall

96 Vía seca Estas mezclas son mas difíciles de compactar debido al efecto rebote que ofrece el caucho y a la baja trabajabilidad que este material le otorga Las estabilidades Marshall son del orden de la mitad que una mezcla densa sin caucho La deformación es por su parte muy alta por el bajo módulo elástico del caucho.

97 Vía seca El Dr. Juan Gallego también estudió la incorporación del polvo de neumático vía seca El caucho no actúa como un producto inerte sino que sufre cambios en sus características químicas y físicas e incluso introduce modificaciones en el betún asfáltico. Estos cambios progresan con el aumento de la temperatura de fabricación y, sobre todo, con el tiempo que el caucho está en contacto con el ligante y los áridos a alta temperatura.

98 Vía seca A este periodo lo denominó tiempo de digestión del caucho. Para representar el tiempo de digestión en laboratorio, recomendó el siguiente procedimiento: 1.- Mezclar el ligante asfáltico, a la temperatura recomendada, con los componentes hasta lograr una envuelta adecuada con todos los áridos.

99 Vía seca 2.- Introducir en estufa a 10 C por debajo de la temperatura de fabricación, durante un tiempo igual al que se prevea de digestión en la obra 3.- Transcurrido el tiempo de digestión en estufa, la mezcla asfáltica se compacta Con este proceso de digestión se mejoran varios aspectos de la mezcla asfáltica; entre ellos, la adherencia árido-ligante y la resistencia que ofrece a la acción del agua.

100 Ensayo inmersión-compresión NLT 162/84 Probetas 4`x 4` ( 10 probetas en total) Presión Inicial 1 Mpa. ( 10 kg/ cm2 ) Presión durante 2 min. 21 Mpa. (210 kg/ cm2 )

101 1 DIA A 60 ºC Grupo 1 : En estufa a 25ºC 1 día, luego en agua 2 horas a 25 ºC y se ensaya (seco) Grupo 2: 24 horas en agua a 60ºC, luego 2 horas temp ambiente, seguidamente se colocan en agua 2 horas a 25 ºC y se ensaya ( tras inmersión)

102

103

104 Mezclas cerradas % de caucho Tamaño del caucho(mm) 1.0 > /60 Ensayo de inmersión Compresión % de Resistencia conservada Ensayo de inmersión Compresión Resistencia a compresión simple en MPa.

105 Sin Digestión Tamaño del caucho(mm) Mezclas cerradas % de caucho > /60 2.7/ /64 2.9/ < /63 2.7/

106 Digestión 120 min Tamaño del caucho(mm) Mezclas cerradas % de caucho > /73 4.3/ /88 4.3/82 3.9/76 < /88 4.4/86 3.8/86

107 Digestión 240 min Tamaño del caucho(mm) Mezclas cerradas % de caucho > /77 4.6/ / /82 4.7/80 3.8/75 < /87 4.7/90 4.6/90

108 NORMA IRAM 6673