APLICACIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS TIBIAS EN MÉXICO

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1 APLICACIÓN DE MEZCLAS ASFÁLTICAS TIBIAS EN MÉXICO ING. ÁLVARO GUTIÉRREZ MUÑIZ Departamento de Asfaltos de QUIMIKAO, México VIII Congreso Mexicano del Asfalto 27 al 31 de Agosto, 2013 Cancún, Quintana Roo

2 RESUMEN Las mezclas asfálticas Tibias o Warm Mix Asphalt, constituyen un grupo de tecnologías las cuales pretenden reducir las temperaturas a la cuales son producidas, colocadas y compactadas sin afectar las propiedades reológicas del asfalto y la mezcla en la etapa de servicio; esta reducción de temperatura de mezclado y compactación puede variar dese los 10 hasta los 50 C dependiendo de la tecnología empleada. Las ventajas de las mezclas asfálticas Tibias al reducir las temperaturas en la etapa de mezclado y compactación son muy amplias, ya que podemos obtener mezclas con bajos porcentajes de vacíos y altas densificaciones, podemos tener un mayor margen de horario de trabajo para colocar las mismas, podemos reducir la cantidad de energía utilizada y otras más, siendo la principal la reducción de la oxidación del asfalto, ya que la mayor velocidad de oxidación del mismo ocurre precisamente en la etapa de mezclado y compactación fomentada por la alta temperatura y la pequeña capa de asfalto que cubre el agregado en contacto con el oxígeno del medio ambiente, al reducir la temperatura reducimos la velocidad de oxidación incrementando la vida del asfalto en el pavimento al hacerlo menos rígido. En este trabajo mostramos nuestras experiencias de tres aplicaciones en campo de mezclas asfálticas tibias realizadas en diferentes sitios del país. En cada una de estas tres aplicaciones se modificó el asfalto con diferentes formulaciones considerando las variaciones de clima y tráfico de cada lugar, así como el tipo y granulometría de cada agregado.

3 1.- INTRODUCCIÓN Las Mezclas Asfálticas Tibias (Warm Mix Asphalt), constituyen un grupo de tecnologías, las cuales pretenden reducir las temperaturas a la cuales son producidas, colocadas y compactadas sin afectar las propiedades reológicas del asfalto y la mezcla en la etapa de servicio. La mayoría de estas tecnologías tienden a reducir la viscosidad del asfalto con el objetivo de facilitar el mezclado de este con el agregado así como la posterior compactación de la mezcla obteniendo muchas ventajas respecto a las mezclas en caliente tradicionales. Otras tecnologías de mezcla tibia disminuyen la tensión interfacial entre el agregado y asfalto para facilitar el mezclado y la compactación logrando también reducir la temperatura de la mezcla. La reducción de temperatura varía según la tecnología empleada y puede ser desde los 10 hasta 50 C menos que las mezclas en caliente que utilizan asfalto tipo AC-20. Al utilizar este tipo de tecnologías WMA se obtienen beneficios tanto en la pavimentación como en el medio ambiente: * Beneficios de utilizar mezclas tibias en la pavimentación. Facilidad para compactar empleando menos esfuerzos y menor temperatura obteniendo valores de densidades muy cercanos a la densidad de diseño. Obtener el óptimo porcentaje de vacíos en la mezcla asfáltica compactada, con lo cual evitamos la oxidación del asfalto. Habilidad para que la mezcla asfáltica sea transportada a grandes distancias de donde es producida, Habilidad para poder incorporar un mayor porcentaje de mezcla asfáltica reciclada (RAP). Reducción de la oxidación del asfalto en la etapa de mezclado, colocación y compactación incrementando la durabilidad del pavimento. * Beneficios de utilizar mezclas tibias en el medio ambiente. Al tener que calentar menos el asfalto para elaborar la mezcla asfáltica ahorramos el consumo de combustible reduciendo las emisiones de diversos gases, siendo el principal el Dióxido de Carbono que es el responsable del calentamiento global. En USA la producción aproximada de Dióxido de Carbono en las plantas de mezclas asfálticas en caliente es de aproximadamente 2,500 toneladas por año, con el uso de las mezclas asfálticas es posible reducir esta cantidad hasta 1700 toneladas. * Beneficios de utilizar mezclas tibias en las condiciones de trabajo. Reducción de los humos azules (componentes volátiles orgánicos) generados en la colocación de las mezclas asfálticas en caliente, con los cuales los trabajadores aspiran menos cantidades de los mismos. Menor consumo de combustible por parte de la maquinaría debido a que con menos esfuerzo se obtienen altos valores de densidad de la mezcla.

4 Las principales tecnologías para producir mezclas Asfálticas Tibias son: Adición de agua en el asfalto. Este tipo de tecnología disminuye la viscosidad del asfalto a altas temperaturas debido a la presencia de una pequeña cantidad de agua en forma de vapor en el asfalto para que la misma produzca una espuma controlada reduciendo así la viscosidad del mismo. Dentro de este grupo contamos principalmente con dos técnicas; una es mediante la inyección de agua a presión por medio de unos inyectores produciendo una espuma uniforme en todo el asfalto, esta tecnología recibe el nombre de Double Barrel Green, y la otra técnica es mediante la adición de Zeolitas sintéticas; las Zeolitas son aluminio silicatos cuya molécula contiene aproximadamente 20% de agua, al adicionar la Zeolita en el asfalto, el agua es evaporada formándose una espuma uniforme en el asfalto reduciendo la viscosidad del mismo. Adición de polímeros orgánicos en el asfalto. Este tipo de tecnología basa la reducción de la viscosidad del asfalto a temperaturas entre 100 y 160 C debido a que se le adiciona un polímero orgánico (Hidrocarburo Alifático). Esta técnica es la más aplicada en el mundo, simplemente en Estados Unidos se han aplicado más de 250,000 toneladas de Mezcla Asfáltica Tibia y en el mundo se han aplicado más de 10 millones de toneladas. La desventaja principal de usar estos polímeros orgánicos es que aumentan la viscosidad del asfalto a bajas temperaturas ocasionando problemas de fisuración por fatiga si se usan grandes cantidades del mismo. Adición de Tensoactivos en el asfalto. Este tipo de tecnología se basa en la reducción de la tensión interfacial generada entre el asfalto y el agregado, logrando reducir las temperaturas de mezclado y compactación de las mezclas asfálticas. Adición de arena húmeda a una mezcla de agregado grueso. Este tipo de tecnología basa la reducción de la viscosidad del asfalto debido a que se adiciona arena húmeda a una mezcla asfáltica de agregado grueso que contiene exceso de asfalto a temperaturas entre 120 y 150 C, cuando la arena húmeda tiene contacto con la mezcla de agregado grueso, el agua se evapora haciendo espuma y reduciendo la viscosidad del asfalto facilitando la compactación de la mezcla. Más de 38,000 toneladas de Mezcla Asfáltica Tibia se han aplicado en Estados Unidos y más de 100,000 toneladas se han aplicado en el mundo. Esta es una de las principales tecnologías aplicadas en Europa. Tal como le hemos explicado las mezclas asfálticas en Tibio (Warm Mix Asphalt), pretenden reducir las temperaturas a la cuales son producidas y colocadas mediante diversas tecnologías; la mayoría de estas tienden a reducir la viscosidad del asfalto solo a estas altas temperaturas en la que se realiza el mezclado y la compactación. El Instituto del Asfalto de USA y la metodología SUPERPAVE, recomiendan para fabricar una mezcla asfáltica en el laboratorio y

5 utilizando asfalto sin modificar una viscosidad del asfalto de 170 +/- 20 centipoises para obtener un excelente mezclado y una viscosidad del asfalto de 280 +/- 30 centipoises para obtener una excelente compactación, es importante aclarar nuevamente que las anteriores recomendaciones son para fabricar la mezcla en el laboratorio y no son recomendaciones para la aplicación en campo, más sin embargo es de gran utilidad para el constructor contar con estos datos generalmente mostrados en una gráfica como punto de partida al inicio de la construcción de la carpeta. Al utilizar las tecnologías de las mezclas tibias, estas recomendaciones de viscosidad de mezclado y compactación no son muy efectivas y por lo tanto las temperaturas de mezclado y compactación deben ajustarse en campo siguiendo las recomendaciones del fabricante del asfalto especial para estas mezclas tibias. La tecnología de Mezclas Asfálticas Tibias que se ha utilizado en México y se reporta en este estudio, consiste en la adición a el asfalto de un aditivo químico base poliaminas grasas que modifica las propiedades reológicas del mismo tal como lo muestra la gráfica de la figura uno. En esta gráfica podemos observar que el asfalto aditivado disminuye su viscosidad respecto al asfalto original AC-20 a las temperaturas entre 100 y 160 C para promover beneficios a la cuales las mezclas asfálticas son producidas, y colocadas, también podemos observar que aumenta su viscosidad respecto a el asfalto original a las temperaturas entre 52 y 82 C para reducir los problemas de deformación permanente y finalmente observamos que disminuye su viscosidad respecto al asfalto original a temperaturas menores a 25 C para reducir problemas de fisuración por fatiga. Figura 1- Comportamiento lineal de la viscosidad del asfalto AC-20 de Salamanca y comportamiento especial de la viscosidad del asfalto WMA en función de la temperatura.

6 El uso de la tecnología de las Mezclas Asfálticas Tibias ha tenido un importante crecimiento en el transcurso de los últimos años en los países desarrollados y tomando como referencia a el país de Estados Unidos de Norteamérica, este ha incrementado el uso de esta tecnología observando grandes beneficios ambientales y en la pavimentación, por lo que la NAPA (National Asphalt Pavement Association) ha publicado en su segundo reporte de encuesta anual de la industria del pavimento asfáltico, este incremento de la producción de las mezclas asfálticas tibias, siendo el DOT (Department of Transportation) quién más ha incrementado su utilización. La figura 2 muestra estos resultados. Figura 2- Millones de toneladas de Mezcla Asfáltica Tibia utilizadas en los últimos años en USA. 2.- Aplicaciones en campo con las Mezclas Asfálticas Tibias. A).- Aplicación en la ciudad de Guadalajara, Jalisco, México. Estas aplicaciones fueron realizadas en el mes de Noviembre del 2010 en la calle de Juan Álvarez entre las avenidas Federalismo y Tolsa y en la calle Morelos entre las calles Luis Pérez Verdia y Salado Álvarez.

7 Figura 3- Aplicación de la mezcla asfáltica tibia en la calle de Juan Álvarez en la ciudad de Guadalajara. En esta aplicación fue necesario utilizar 11.0% de aditivo base poliaminas grasas para lograr un asfalto WMA con un grado PG de que fue compactado a 100 C. La figura 4 muestra una tabla comparativa de los resultados reológicos entre el asfalto WMA y el asfalto AC-20 del cual se partió para su modificación. Propiedades reológicas del Asfalto Punto de inflamación Viscosidad a 135 C Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase. G* / sen a la temperatura de prueba Condición de Resultado AC-20 (Salamanca) Resultado Asfalto WMA Requisito 275 C 275 C 230 C, mín Pa s Pa s 3 KPa, máx KPa (64 C) KPa (82 C) 1.00 KPa, mín. Pérdida de masa RTFO 1.42% 1.32% 1.00%, máx. Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase G* / sen a la temperatura de prueba Módulo de corte dinámico por ángulo de fase G* x sen a la temperatura de prueba RTFO PAV KPa (64 C) 4,264 KPa (28 C) Rigidez en creep S a la temperatura de prueba PAV 225 MPa (-6 C) KPa (82 C) 2,892 KPa (34 C) 158 MPa (-12 C) 2.20 KPa, mín Kpa, máx. 300 Mpa, máx Valor m a la temperatura de prueba PAV (-6 C) (-12 C) 0.300, mín. Figura 4 Resultados de la evaluación del grado de comportamiento del asfalto AC-20 de Salamanca (PG 64 16) y del asfalto WMA (PG 82-22). En la tabla de la figura 5 se muestran las condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto AC-20 de Salamanca y utilizando el asfalto WMA, tal como se puede observar el ahorro de energía y la reducción de emisiones de CO 2 son muy significativos utilizando la mezcla asfáltica tibia, pero la principal ventaja es la reducción de la oxidación del asfalto ya que el asfalto utilizado en la mezcla tibia fue un PG 82-22, cabe aclarar que la

8 prueba de RTFO fue realizada a 163 C tal como lo indica la norma, aunque la mezcla en campo nunca alcanzó esta temperatura por lo nos permitimos realizar la prueba de RTFO a 143 C y el asfalto aumento un grado PG en la parte de baja temperatura, es decir, de ser un asfalto PG -22 se convirtió en PG -28, esto significa que incrementamos la vida del asfalto al disminuir su rigidez en la carpeta a bajas temperaturas reduciendo la aparición de grietas; hasta hoy (2 años y medio de haber aplicado la carpeta) no se observan grietas ni deformación permanente. AC-20 (Salamanca) Asfalto WMA Modificación del Asfalto Tiempo de mezclado del aditivo (horas) Temperatura de modificación a a 155 Mezcla Asfáltica Mezcla Asfáltica WMA Temp. Asfalto en el mezclado Temp. Agregado en el mezclado Temp. de la mezcla Velocidad de producción (m 3 /hr) Temp. de compactación Emisiones de CO 2 (Ton / 365m 3 de mezcla asfáltica) C 100 C Referencia Figura 5 Condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto AC-20 de Salamanca y utilizando el asfalto WMA. Después de dos años y medio de haber sido aplicada esta carpeta, esta se encuentra en perfectas condiciones no presentado problemas de deformación permanente ni de fisuras por fatiga, el problema de roderas no se presenta porque es un asfalto PG 82 y la fisuración por fatiga no se presenta porque es un asfalto PG -22. Esta tecnología de hacer un asfalto blando elástico permite obtener carpetas asfálticas muy flexibles ideales para calles de ciudades que cuentan con bases débiles y con espesores menores entre 4 y 5 cm.

9 B).- Aplicación en la carretera San Luis Potosí a Querétaro. Esta aplicación fue realizada en la carretera San Luis Potosí a Querétaro en el kilómetro a el kilómetro en los carriles de alta y baja velocidad y fue comparada con una mezcla asfáltica fabricada con asfalto modificado con polímero tradicional aplicada en el mismo kilometraje soló que en el sentido Querétaro a San Luis Potosí. Figura 6- Aplicación de la mezcla asfáltica tibia en la carretera San Luis Potosí-Querétaro Km 63. En esta aplicación fue necesario utilizar 5.0% de aditivo base poliaminas grasas para lograr un asfalto WMA con un grado PG de que fue compactado a 120 C. La figura 7 muestra una tabla comparativa de los resultados reológicos entre el asfalto WMA y el asfalto modificado con polímero. Propiedades reológicas del Asfalto Punto de inflamación Viscosidad a 135 C Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase. G* / sen a la temperatura de prueba Condición de Resultado Asfalto modificado con polímero Resultado Asfalto WMA Requisito 280 C 280 C 230 C, mín Pa s Pa s 3 KPa, máx KPa (76 C) KPa (76 C) 1.00 KPa, mín. Pérdida de masa RTFO 1.22% 1.15% 1.00%, máx. Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase G* / sen a la temperatura de prueba Módulo de corte dinámico por ángulo de fase G* x sen a la temperatura de prueba RTFO PAV KPa (76 C) 4,527 KPa (34 C) Rigidez en creep S a la temperatura de prueba PAV 274 MPa (-6 C) KPa (76 C) 3,955 KPa (34 C) 162 MPa (-6 C) 2.20 KPa, mín Kpa, máx. 300 Mpa, máx Valor m a la temperatura de prueba PAV (-6 C) (-6 C) 0.300, mín. Figura 7 Resultados de la evaluación del grado de comportamiento del asfalto modificado con polímero (PG 76 16) y del asfalto WMA (PG 76-16).

10 En la tabla de la figura 8 se muestran las condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto modificado con un polímero tradicional y utilizando el asfalto WMA, tal como se puede observar el ahorro de energía y la reducción de emisiones de CO 2 son muy significativos utilizando la mezcla asfáltica tibia, pero la principal ventaja es la reducción de la oxidación del asfalto ya que en el proceso de mezclado la mezcla tibia fue calentada a una temperatura máxima de 135 C, mientras que la mezcla con el asfalto modificado con polímero alcanzó una temperatura de 175 C, en esta etapa de mezclado el asfalto se encuentra cubriendo a el agregado en forma de una película con un espesor muy pequeño y el oxígeno reacciona rápidamente con el mismo y esta velocidad de reacción aumenta conforme aumenta la temperatura, esto significa que el asfalto modificado con polímero reaccionará en mayor proporción con el oxígeno incrementando su rigidez aumentando la posibilidad de fisurarse a bajas temperaturas; por lo que utilizando el asfalto WMA disminuimos la velocidad de oxidación y por lo tanto incrementamos la vida del mismo en la carpeta asfáltica reduciendo la aparición de grietas en la carpeta. Asfalto modificado con polímero Asfalto WMA Modificación del Asfalto Tiempo de mezclado del aditivo (horas) Temperatura de modificación 4 a a a 160 Mezcla Asfáltica Mezcla Asfáltica WMA Temp. Asfalto en el mezclado Temp. Agregado en el mezclado Temp. de la mezcla Velocidad de producción (m 3 /hr) Temp. de compactación Emisiones de CO 2 (Ton / 365m 3 de mezcla asfáltica) C 120 C Referencia Figura 8 Condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto modificado con polímero (PG 76-16) y utilizando el asfalto WMA PG (76-16).

11 C).- Aplicación en la carretera Reforma Dos Bocas en Tabasco. Esta aplicación fue realizada en la carretera Reforma-Dos Bocas en el kilómetro en el cuerpo B en ambos carriles en el sentido hacia Reforma. Esta mezcla tibia fue comparada con una mezcla asfáltica fabricada con asfalto modificado con polímero tradicional aplicada en el mismo kilometraje soló que en el sentido hacia Dos Bocas. Figura 9- Aplicación de la mezcla asfáltica tibia en la carretera Reforma-Dos Bocas Km 31 en Tabasco. En esta aplicación fue necesario utilizar 3.7% de aditivo base poliaminas grasas para lograr un asfalto WMA con un grado PG de que fue compactado a 90 C. La figura 10 muestra una tabla comparativa de los resultados reológicos entre el asfalto WMA y el asfalto modificado con polímero. Propiedades reológicas del Asfalto Punto de inflamación Viscosidad a 135 C Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase. G* / sen a la temperatura de prueba Condición de Resultado Asfalto modificado con polímero Resultado Asfalto WMA Requisito 256 C 250 C 230 C, mín Pa s Pa s 3 KPa, máx KPa (70 C) KPa (70 C) 1.00 KPa, mín. Pérdida de masa RTFO 1.55% 1.55% 1.00%, máx. Módulo de corte dinámico entre ángulo de fase G* / sen a la temperatura de prueba Módulo de corte dinámico por ángulo de fase G* x sen a la temperatura de prueba RTFO PAV KPa (70 C) 4,527 KPa (31 C) Rigidez en creep S a la temperatura de prueba PAV 196 MPa (-6 C) KPa (70 C) 2,359 KPa (31 C) 147 MPa (-6 C) 2.20 KPa, mín Kpa, máx. 300 Mpa, máx Valor m a la temperatura de prueba PAV (-6 C) (-6 C) 0.300, mín. Figura 10 Resultados de la evaluación del grado de comportamiento del asfalto modificado con polímero (PG 70 16) y del asfalto WMA (PG 70-16).

12 En la tabla de la figura 11 se muestran las condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto modificado con un polímero tradicional y utilizando el asfalto WMA, tal como se puede observar el ahorro de energía y la reducción de emisiones de CO 2 son muy significativos utilizando la mezcla asfáltica tibia, pero la principal ventaja es la reducción de la oxidación del asfalto ya que en el proceso de mezclado la mezcla tibia fue calentada a una temperatura máxima de 135 C, mientras que la mezcla con el asfalto modificado con polímero fue calentada a una temperatura de 170 C y como la velocidad de oxidación del asfalto es directamente proporcional a la temperatura, esta ocurre en mayor proporción en el asfalto modificado con polímero. Los resultados de la prueba de RTFO mostrados en tabla de la figura 10, fueron realizados a 163 C tal como lo indica la norma, como la mezcla en campo nunca alcanzó esta temperatura, nos permitimos realizar la prueba de RTFO a 143 C y el asfalto aumento un grado PG en la parte de baja temperatura, es decir, de ser un asfalto PG -16 se convirtió en PG -22, esto significa que disminuyendo la rigidez del asfalto incrementamos la vida del mismo en la carpeta asfáltica reduciendo la aparición de grietas en la carpeta. Asfalto modificado con polímero Asfalto WMA Modificación del Asfalto Tiempo de mezclado del aditivo (horas) Temperatura de modificación 5 a a a 160 Mezcla Asfáltica Mezcla Asfáltica WMA Temp. Asfalto en el mezclado Temp. Agregado en el mezclado Temp. de la mezcla Velocidad de producción (m 3 /hr) Temp. de compactación Emisiones de CO 2 (Ton / 365m 3 de mezcla asfáltica) C 90 C Referencia Figura 11 Condiciones de fabricación y compactación de la mezcla asfáltica utilizando asfalto modificado con polímero (PG 70-16) y utilizando el asfalto WMA PG (70-16).

13 Conclusiones: Construir carpetas asfálticas utilizando la tecnología de las Mezclas Asfálticas Tibias es ya una realidad en los países desarrollados y en México, dado la obtención de los beneficios tanto del cuidado del medio ambiente debido a la reducción de emisiones de Dióxido de Carbono al utilizar menos energía, así como en el incremento de la vida útil de la carpeta asfáltica dado que se facilita la compactación y se reduce la velocidad de oxidación del asfalto. La tecnología de Mezcla Asfáltica Tibia mostrada en este estudio utilizando un asfalto grado PG que se compactó a 100 C proporciona un asfalto blando ideal para construir carpetas asfálticas de espesores entre 4 y 7 centímetros colocadas sobre base con bajo soporte estructural, esto lo hemos observado en las aplicaciones en las calle de la ciudad de Guadalajara donde carpetas de 4 cm fueron colocadas sobre bases débiles y después de dos años y medio no se observan daños de rodera ni fisuración por fatiga. La reducción de temperatura en la etapa del mezclado y compactación de las mezclas asfálticas tibias disminuye la rigidez del asfalto a bajas temperaturas, esta reducción puede aumentar en el asfalto un grado PG a bajas temperaturas y de tener un asfalto grado PG -16 se puede convertir en un asfalto PG -22.

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