COMPARACIÓN DEL ENVEJECIMIENTO DE UNA MEZCLA BITUMINOSA FABRICADA CON BETUNES MODIFICADOS, CON POLÍMERO Y CON CAUCHO DE NFU

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1 COMPARACIÓN DEL ENVEJECIMIENTO DE UNA MEZCLA BITUMINOSA FABRICADA CON BETUNES MODIFICADOS, CON POLÍMERO Y CON CAUCHO DE NFU José Orencio Marrón (1), Julián García Carretero (1), Baltasar Rubio (1), Rafael Jiménez (1) RESUMEN Entre los factores más importantes que afectan al funcionamiento de las mezclas bituminosas está el paso del tiempo, que por efecto de los agentes atmosféricos, provoca endurecimiento y pérdida del poder aglomerante por la oxidación del betún. Dicho tiene como consecuencia la rigidificación de la mezcla, depende directamente del tipo de ligante empleado y supone en cualquier caso variación de las propiedades de las mezclas durante el tiempo de servicio. Con el propósito de evaluar el efecto de estos factores, el Centro de Estudios del Transporte del CEDEX, a petición de la empresa CYOPSA-SISOCIA, ha llevado a cabo un estudio para determinar la influencia del tipo de ligante en el de las mezclas, determinando cómo afectaba a los ensayos de módulo de rigidez y resistencia a fatiga. Se ha empleado una mezcla AC16 S fabricada en el laboratorio con diferentes ligantes: betún convencional, betún modificado con polímero y betún modificado con caucho procedente de neumáticos fuera de uso. En los resultados obtenidos se observa que la mezcla fabricada con betún modificado con polímero es la que presenta mayor resistencia al y a la fisuración por fatiga. (1) Centro de Estudios del Transporte (CEDEX) 1

2 1. INTRODUCCION El de las mezclas bituminosas junto con el paso de vehículos son los factores que más influyen en la vida útil de los firmes. Es un proceso físico químico muy complejo y hasta el momento no del todo conocido pero si se ha verificado que afecta negativamente a las propiedades mecánicas de la mezcla y por tanto a su funcionamiento. Consiste fundamentalmente en pérdida de los componentes más volátiles del ligante y en un proceso de oxidación que producen endurecimiento del ligante y pérdida del poder aglomerante. Depende de la composición del betún y de otros parámetros inherentes a la mezcla bituminosa (contenido de huecos), así como de las condiciones ambientales (temperatura, radiación solar, etc.). El oxígeno atmosférico reacciona con los constituyentes más reactivos del betún, dando lugar a reacciones de oxidación, deshidrogenación, condensación y polimerización. Como consecuencia de estas reacciones se produce un aumento del contenido de asfaltenos y una disminución del contenido de resinas y de los compuestos más aromáticos, lo que conduce a una gelificación progresiva del sistema coloidal. Estas variaciones de composición química y estructura coloidal del ligante se traducen en una pérdida de propiedades de la mezcla bituminosa, pudiendo producir: Desprendimiento de partículas por pérdida del poder aglomerante debido a que el betún se vuelve más frágil. Mayor probabilidad de fractura del firme por disminución de la resistencia a fatiga. Al aumentar la rigidez aumenta también la probabilidad de fisuración térmica. La mayoría de los numerosos estudios realizados se han centrado en los ligantes, desarrollándose métodos para evaluar el producido en la central de fabricación (ensayos de película fina TFOT, película fina y rotatoria RTFOT, etc.) y alguno para evaluar el efecto producido durante el período de servicio (ensayo con aire a presión PAV). Sin embargo los estudios sobre los efectos producidos en las mezclas bituminosas son muy escasos, siendo los más conocidos los trabajos realizados dentro del programa Strategic Highway Research Program. 2

3 En el proyecto SHRP A-002 se desarrollaron dos procedimientos acelerados de de mezclas, recogidos en la norma AASHTO R 30 Standard practice for mixture conditioning of hot mix asphalt : 1. El primero tiene en cuenta el efecto de la fabricación y construcción del firme. Se realiza con mezcla sin compactar. 2. El segundo evalúa el durante el periodo de servicio. Se utilizan probetas fabricadas en laboratorio que se introducen en estufa de aire forzado a 85 C durante 5 días. El ensayo no tiene en cuenta el efecto de todos los agentes ambientales, ni el espesor de capa o donde está situada en el pavimento; pero simula el efecto del durante un tiempo de servicio comprendido entre 7 y 10 años. En este trabajo se estudia el a largo plazo de una mezcla bituminosa fabricada con betunes modificados aplicando el procedimiento segundo de la norma AASHTO R 30. El objetivo principal es determinar cómo afecta el tipo de aditivo empleado en la modificación del betún, polímero o caucho procedente de neumáticos fuera de uso, en la resistencia al de la mezcla bituminosa. Las mezclas se han caracterizado aplicando grados crecientes de mediante los ensayos de rigidez y resistencia a fatiga, recogidos en las normas europeas de diseño de mezclas como funcionales por estar directamente relacionados con el comportamiento de la mezcla en servicio. 2. DISEÑO EXPERIMENTAL Para el trabajo se ha empleado un único tipo de mezcla fabricada con el mismo contenido de ligante pero variando el tipo de betún. La mezcla es una semidensa AC16 S compuesta por fracciones de árido silíceo procedente de Velilla de San Antonio hasta tamaño 4 mm, árido calizo de El Hoyón hasta 0,063 mm y fíller calizo de aportación. En la tabla 1 se indica la granulometría empleada. Tamiz UNE EN mm Granulometría árido % que pasa

4 ,5 16 0, ,063 6,0 Tabla 1. Granulometría del árido total empleado en las mezclas bituminosas Se han utilizado tres betunes comerciales de uso generalizado en España: Ligante convencional, B 50/70. Ligante modificado con polímero, PMB 45/80-60 Ligante modificado con caucho procedente de neumáticos fuera de uso, BMC-3b. La dotación de betún de las tres mezclas bituminosas ensayadas ha sido de 5,0 % expresado en porcentaje de la masa total de áridos secos. En la tabla 2 se resumen las propiedades de los tres ligantes empleados. Las características de ambos betunes modificados son muy similares, incluidos los ensayos de estabilidad al almacenamiento y los de después de en película fina. Propiedad Unidades Norma 50/70 45/80-60 BMC-3b Penetración a 25 ºC 0,1 mm UNE EN Punto reblandecimiento ºC UNE EN ,2 59,9 60,4 Índice de penetración NLT-181-0,6 1,7 1,5 Punto fragilidad Fraass C UNE EN Retorno elástico a 25 C % NLT Estabilidad al almacenamiento: NLT-328 -Diferencia p. reblandecimiento C UNE EN ,6-2,7 Envejecimiento TFOT: -Variación de masa % NLT-185-0,199-0,169-0,308 -Penetración a 25 C 0,1 mm UNE EN Punto de reblandecimiento C UNE EN ,0 65,5 64,5 Tabla 2. Propiedades del betún original Para determinar las temperaturas de fabricación se realizaron ensayos con viscosímetro rotacional de los tres ligantes. Las temperaturas obtenidas figuran en la tabla 3. Temperatura de fabricación Mezcla bituminosa Tipo de betún y compactación ºC AC16S 50/70 B50/ AC16S 45/80-60 PMB 45/ AC16S BMC-3b BMC-3b 175 Tabla 3. Temperaturas de fabricación y compactación de las mezclas bituminosas 4

5 De cada mezcla bituminosa se fabricaron 25 probetas cilíndricas de 10 cm de diámetro, empleando una compactadora de impactos y aplicando 75 golpes en cada cara. A continuación se determinó la densidad por el método superficie saturada seca y la altura de las probetas, manteniéndose al aire a una temperatura de 20 ºC a 25 ºC durante dos semanas. Seguidamente las probetas que se emplearon en la medida de módulos (probetas 1 a 5), se acondicionaron a la temperatura de ensayo de 20 ºC durante 24 horas. Determinándose su módulo resiliente correspondiente a un grado de de 0 días. Terminado el primer ensayo se envejecieron las probetas introduciéndolas en estufa con circulación de aire a 85 ºC hasta alcanzar un grado de de 5 días. Se acondicionaron durante 24 horas a la temperatura de 20 ºC y se volvió a determinar su módulo resiliente. El proceso anterior se repitió para grados de de 10 días y 20 días. En el ensayo se aplican cargas reducidas a las probetas por lo que no se producen daños en ellas y se pueden emplear las mismas probetas para obtener los módulos con todos los grados de. Las probetas que se iban a emplear en la determinación de la ley de fatiga sin envejecer (probetas 6 a 15) se acondicionaron a la temperatura de ensayo de 20 ºC durante 24 horas. Determinándose su ley de fatiga correspondiente a un grado de de 0 días. Las probetas con numeración 16 a 25 se emplearon para determinar la ley de fatiga de las mezclas bituminosas con un grado de de 5 días, se envejecieron en estufa a 85 ºC hasta alcanzar un grado de de 5 días. Una vez enfriadas se procedió a determinar la ley de fatiga de forma similar a las probetas no envejecidas. 2.1 DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO DE MEDIDA DE MÓDULO DE RIGIDEZ La medida del módulo resiliente tiene por objeto determinar la rigidez de la mezcla bituminosa. Se realiza aplicando la norma British Standard DD 213 Determination of the indirect tensile stiffness modulus of bituminous mixtures, equivalente a la norma europea EN anexo C. Consiste en la aplicación de una compresión diametral a la probeta, midiendo la variación de la longitud de su diámetro horizontal. 5

6 La carga aplicada es un pulso de carga de 124 milisegundos de duración seguido por un período de reposo de 3 segundos. La amplitud de la carga es la necesaria para producir en la probeta un aumento transitorio de la longitud de su diámetro horizontal de 5 m. Durante el ensayo se aplican 10 ciclos de carga de acondicionamiento para permitir que la prensa se ajuste a la magnitud de la carga y a su duración, para obtener la deformación diametral y el tiempo de carga especificados. Seguidamente se aplican cinco ciclos de carga, para cada uno se calcula el módulo resiliente, aplicando la formula siguiente. El resultado es el valor medio de las cinco determinaciones realizadas. S m = F ( + 0,27) / (Z H) Donde: S m F Z H es el módulo de rigidez medido, en megapascales (MPa) es el valor máximo de la carga vertical aplicada, en newton (N) es la amplitud de la deformación horizontal recuperable obtenida durante el ciclo de carga, en milímetros (mm) es la altura de la probeta, en milímetros (mm) es el coeficiente de Poisson (se adopta un valor de 0,35) 2.2 DESCRIPCIÓN DEL ENSAYO DE FATIGA La resistencia al agrietamiento de la mezcla bituminosa se evalúa mediante su ley de fatiga, que se determina aplicando el procedimiento de la norma DD ABF Method for the determination of the fatigue characteristics of bituminous mixtures using indirect tensile fatigue, equivalente a la norma EN anexo C. El ensayo tiene por objeto determinar la resistencia de la mezcla bituminosa a la rotura a tracción indirecta, por la aplicación de cargas repetidas. Es decir, se estudian los procesos de formación de microfisuras, bajo carga repetida, que dan lugar a la aparición de fisuras y su posterior propagación que causa la rotura de la probeta. Consiste en la aplicación de pulsos de carga de compresión diametral a la probeta hasta su rotura. También se determina el módulo resiliente de la probeta correspondiente a la carga aplicada. 6

7 Se realizan varios ensayos sobre probetas diferentes de la misma mezcla bituminosa, pero con diferente intensidad del pulso de carga aplicado. Las tensiones de tracción máximas aplicadas son de 500 kpa, 450 kpa, 400 kpa, 350 kpa y 300 kpa. Las cargas correspondientes a estas tensiones se obtienen de la siguiente expresión: x,max = 2 P L / ( d t) Donde x,max d t P L es la tensión máxima de tracción en el centro de la probeta, (kpa) es el diámetro de la probeta, (mm) es la altura de la probeta, en milímetros (mm) es la carga vertical aplicada, kn La deformación de extensión que se produce en el centro de la probeta se determina mediante la expresión: x,max = x,max (1 + 3 ) 1000 / S in Donde x,max es la deformación máxima de extensión en el centro de la probeta, en microdeformaciones ( m/m) es el coeficiente de Poisson (se adopta un valor de 0,35) S in x,max es el módulo resiliente correspondiente a la tensión x,max, (MPa) es la tensión máxima de tracción en el centro de la probeta, (kpa) La ley de fatiga en deformación se obtiene representando los valores de x,max y el número de ciclos hasta rotura N f de cada probeta en un gráfico logarítmico. La recta de regresión de log 10 ( x,max ) frente a log 10 (N f ) es la ley de fatiga. log 10 ( x,max ) = d + c log 10 (N f ) Como parámetro único para estimar la resistencia al agrietamiento por fatiga, se emplea el valor de la deformación correspondiente a una duración de la probeta de un millón de ciclos. 7

8 (d + 6 c) 6 = RESULTADOS En la tabla 4 se indican los valores medios de densidades por método superficie saturada seca y espesores de las 25 probetas fabricadas por impacto para cada mezcla y sus correspondientes resultados de desviación típica. Mezcla AC16S 50/70 Mezcla AC16S 45/80-60 Mezcla AC16S BMC-3b Espesor mm Densidad gr/cm 3 Espesor Mm Densidad gr/cm 3 Espesor mm Densidad gr/cm 3 Media 64,0 2,373 63,6 2,395 65,2 2,333 Desv. Típ. 0,7 0,016 0,5 0,009 0,5 0,012 Tabla 4. Valores medios de densidad y espesor En los resultados obtenidos se observa que las probetas fabricadas con betún modificado con caucho presentan menor densidad a las fabricadas con los otros dos ligantes, pese a utilizar una mayor temperatura de mezclado (15 o 25 C más según el betún empleado). La mayor densidad se obtiene en las probetas fabricadas con betún modificado con polímero que además presentan menor dispersión en los resultados. 3.1 RESULTADOS DEL ENSAYO DE MÓDULO En la tabla 5 figuran los valores medios de módulo y desviación típica, obtenidos para cada mezcla con diferentes grados de y en la figura 1 se representa gráficamente la evolución del módulo de rigidez. Módulo inicial Módulo 5 días de Módulo 10 días de Módulo 20 días de Mezcla MPa MPa MPa MPa AC16S 50/ Desv. típica AC16S 45/ Desv. típica AC16S BMC-3b Desv. típica Tabla 5. Resultados medios de módulo de rigidez a 20 ºC con diferentes grados de 8

9 Figura 1. Relación de módulo con el grado de En la tabla 6 y figura 2 se presentan los datos de incremento del módulo en función del grado de para cada mezcla. Incremento de Módulo 5 días de Incremento de Módulo 10 días de Incremento de Módulo 20 días de Mezcla % % % AC16S 50/ AC16S 45/ AC16S BMC-3b Tabla 6. Incremento porcentual de módulo resiliente a 20 ºC con diferentes grados de 9

10 Figura 2. Relación del incremento de módulo con el grado de En los resultados se observa que el módulo inicial de la mezcla fabricada con betún 50/70 es sensiblemente más elevado. Los valores obtenidos en las mezclas fabricadas con betunes modificados son del mismo orden de magnitud. Sin embargo, al someter las probetas a 5 días de a 85 C, los resultados de módulo de la mezcla fabricada con betún caucho son superiores a los obtenidos con mezcla fabricada con betún modificado con polímero; el incremento porcentual es incluso superior al obtenido en la mezcla fabricada con 50/70. Al aumentar los grados de se observa que tanto la mezcla fabricada con betún 50/70 como la fabricada con betún modificado con polímero siguen la misma tendencia. El módulo de rigidez aumenta al doble del valor inicial al mantener las probetas 10 días en estufa y posteriormente aumenta pero en menor medida. En el caso de AC16S BMC-3b aumenta al doble con 5 días en estufa y sigue subiendo al mismo ritmo al mantenerlas en estufa, incluso tras envejecer 20 días en estufa el valor de módulo de rigidez es superior en las probetas fabricadas con betún caucho a las fabricadas con betún 50/70. 10

11 Si se comparan los resultados obtenidos con probetas fabricadas con betún 50/70 y betún modificado con polímero se observa que al envejecer hay un mayor incremento de módulo en el primer caso y se acentúa con el tiempo de en estufa. Los valores en cualquier caso son siempre superiores en las probetas fabricadas con betún 50/70 a fabricadas con betún modificado con polímero. 3.2 RESULTADOS DEL ENSAYO DE FATIGA En la tabla 7 se indican los resultados obtenidos en el ensayo de fatiga para la mezcla fabricada con betún 50/70 inicial y envejecida durante 5 días a 85 C; figuran los parámetros c, d, coeficiente de correlación r 2 y el valor de la deformación para un millón de ciclos ε 6, de las leyes de fatiga obtenidas. Mezcla bituminosa c d r 2 6 AC16S 50/70 inicial -0,2174 3,0838 0,654 60,2 AC16S 50/70 envejecida 5 días -0,1893 2,8384 0,590 50,4 Tabla 7. Parámetros de ley de fatiga a 20 C de mezcla AC16S 50/70 con y sin En la figura 3 se representan gráficamente las rectas de fatiga de ambas mezclas. 11

12 Figura 3. Leyes de fatiga a 20 C de mezcla AC16S 50/70 inicial y con En la tabla 8 se indican los resultados obtenidos en el ensayo de fatiga para la mezcla fabricada con betún modificado con polímero con los dos grados de, en la figura 4 se representan gráficamente. Mezcla bituminosa c d r 2 6 AC16S 45/80-60 inicial -0,2139 3,2330 0,640 89,0 AC16S 45/80-60 envejecida 5 días -0,2080 3,1578 0,826 81,3 Tabla 8. Parámetros de ley de fatiga a 20 C de mezcla AC16S 45/80-60 con y sin 12

13 Figura 4. Leyes de fatiga a 20 C de mezcla AC16S 45/80-60 inicial y con En la tabla 9 se indican los resultados obtenidos en el ensayo de fatiga para la mezcla fabricada con betún modificado con caucho procedente de neumáticos fuera de uso con los dos grados de, en la figura 5 se presentan gráficamente. Mezcla bituminosa c d r 2 6 AC16S BMC-3b inicial -0,2508 3,3006 0,771 62,5 AC16S BMC-3b envejecida 5 días -0,2509 3,2222 0,737 52,1 Tabla 9. Parámetros de ley de fatiga a 20 C de mezcla AC16S BMC-3b con y sin 13

14 Figura 5. Leyes de fatiga a 20 C de mezcla AC16S BMC-3b inicial y con En la figura 6 se representan gráficamente las leyes de fatiga obtenidas para las 3 mezclas y en la figura 7 se representa la relación del parámetro ε 6 con el. Figura 6. Leyes de fatiga a 20 C de todas las mezclas 14

15 Figura 7. Relación ε 6 con para todas las mezclas En los resultados obtenidos en el ensayo de fatiga se observa que el de las mezclas supone, en los tres casos estudiados, una reducción de la resistencia al agrietamiento. Se aprecia disminución del parámetro ε 6 de la ley de fatiga y al aplicar el mismo nivel de deformación disminuye el número de ciclos a rotura, por tanto empeora en todos los casos la resistencia a fatiga. La mezcla fabricada con betún modificado sufre menor reducción de ε 6 que las otras dos mezclas que presentan a su vez parecida disminución, aunque ligeramente superior en la mezcla fabricada con caucho. Los valores de la pendiente también disminuyen sensiblemente para la mezcla fabricada con 50/70, sin embargo en las otras mezclas se obtiene prácticamente el mismo resultado de pendiente con y sin. La mayor resistencia a fatiga se obtiene en mezcla fabricada con betún modificado con polímero, el valor de ε 6 es casi un 50% superior al obtenido con las otras mezclas. Ese margen se mantiene al someter las mezclas a acelerado. La mezcla 15

16 fabricada con betún modificado con caucho presenta un resultado ligeramente superior a la fabricada con betún 50/ CONCLUSIONES En el trabajo experimental realizado se ha determinado el módulo de rigidez y la ley de fatiga con diferentes grados de de una mezcla bituminosa del tipo AC16S fabricada con el mismo contenido de ligante convencional, ligante modificado con polímero y ligante modificado con caucho procedente de neumáticos fuera de uso. De los resultados obtenidos en los ensayos se obtienen las siguientes conclusiones: - Pese a que los dos betunes modificados comerciales que se han empleado presentan características muy similares, las propiedades de las mezclas fabricados con ellos han sido sensiblemente diferentes. - La mezcla fabricada con betún modificado con caucho, compactada a una temperatura superior y aplicando la misma energía de compactación presenta una densidad inferior a la del betún modificado con polímero, lo que indica una peor compactabilidad. - El módulo de rigidez inicial de las dos mezclas fabricadas con betún modificado es muy similar, sin embargo el efecto del es mucho mayor en la fabricada con caucho que supera incluso tras 20 días en estufa el resultado de módulo obtenido en la mezcla fabricada con betún 50/70. - La resistencia a fatiga de las mezclas fabricadas con betún modificado es mayor cuando se utiliza polímero aunque los módulos de partida son muy similares. Al someter las probetas a acelerado disminuye la resistencia al agrietamiento de todas las mezclas, pero la más susceptible es de nuevo la fabricada con betún modificado con caucho. - Al estudiar conjuntamente ambos ensayos se observa que la mezcla fabricada con betún modificado con polímero es la más resistente al y además presenta mayor resistencia a fatiga. - La mezcla fabricada con betún modificado con neumáticos fuera de uso es la que presenta la mayor susceptibilidad al de las mezclas estudiadas. Esta menor resistencia al podría deberse, además de la naturaleza del ligante, a la dificultad en la compactación de la mezcla que proporciona un mayor contenido de huecos. 16

17 - Los resultados obtenidos deberían confirmarse con el estudio de otros tipos de mezclas. 5. BIBLIOGRAFÍA Y NORMAS PARA CONSULTA CEDEX. Convenio con CYOPSA-SISOCIA y CGF ABALDO para Estudio del de mezclas bituminosas con ligantes modificados. Clave CEDEX: British Standards Institution. Method for determination of the indirect tensile stiffness modulus of bituminous mixtures. DD 213. British Standards Institution. Method for the determination of the fatigue characteristics of bituminous mixtures using indirect tensile fatigue. DD ABF. American Association of State Highway and Transportation Officials. Standard practice for mixture conditioning of hot mix asphalt. AASHTO R 30. Part 1 NCHRP Project 9-23 Environmental effects in pavement mix and structural designs systems. National Cooperative Highway Research Program, Transportation Research Board. Pérez, F. Ensayos de mezclas bituminosas. Criterios de diseño. Nuevas propuestas. Panorámica actual de las mezclas bituminosas. ASEFMA, un nuevo enfoque. Gallego, J., Del Val, M. A., Tomás, R. Envejecimiento en laboratorio de mezclas asfálticas fabricadas con betunes-polímeros. Revista Carreteras nº