MEJORA DE MEZCLAS ASFALTICAS DE RODADURA 0/10 CERRADAS CON EL USO DE UN ELASTOMERO (CAUCHO) Y UN PLASTOMERO (TIRAS DE BOLSAS DE LECHE) EN UN ASFALTO 80-100 Ing PhD. Fredy Alberto Reyes lizcano, Ing MsC, Cand PhD Ana Sofia Figueroa Departamento de Ingenieria Civil Pontificia Universidad Javeriana, y Universidad de la Salle
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Productos manufacturados cuyos componentes no son bio degradables. polímeros empleados en el sector automotriz y a los desperdicios plásticos
ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN TRABAJO DE GRADO ANTECESORES PLASTICO CAUCHO PANORAMA MUNDIAL CEDEX innovaciones Mezclas asfálticas Modificadas con materiales reciclados Norma Colombiana Cauchos ahorro de materias primas y de energía El principio de estas investigaciones es: Eliminación de residuos conservación del medio ambiente búsqueda nuevas metodologías que incluyan nuevos materiales brindando la posibilidad de tener mejores pavimentos económicos y funcionales encontrar dos materiales (caucho y plástico) que trabajando simultáneamente, se obtengan mejores o los mismos resultados.
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Cuál es el desempeño de las mezclas asfálticas para rodadura 0/10 cerradas, asfalto 80/100, a los cuales se le ha adicionado caucho y tiras de plástico? Será, mejor su comportamiento, mayor su resistencia en los módulos elásticos, mayor su resistencia a la fatiga y ahuellamiento, con relación a las mezclas convencionales no modificadas?
OBJETIVO GENERAL Determinar y cuantificar las mejoras de los desempeños mecánicos de mezclas asfálticas para rodadura con el uso de elastómeros (caucho) y plastómeros (plásticos) y su incidencia en los módulos elásticos, fatiga y ahuellamiento.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS Seleccionar y caracterizar el material granular y el asfalto 80/100 para la mezcla. Determinar el porcentaje óptimo de asfalto de la mezcla Establecer el comportamiento dinámico de la mezcla densa para el óptimo del diseño Marshall. Establecer el comportamiento dinámico de la mezcla densa para el óptimo de adición de caucho y plástico.
Caracterización Materiales PLASTICO Y CAUCHO Por espacio de 6 meses se recolectaron bolsas de leche larga vida en todas sus presentaciones (1.1 Lt, 900 cc, 680 cc y 200 cc) El caucho de desecho fue producido en el proceso de reencauche de La empresa Renovadora de llantas
CARACTERIZACIÓN DE AGREGADOS Y ASFALTO Asfalto 80/100 producido por ECOPETROL y proporcionado por Patria S.A. El agregado proporcionado por Patria S.A. fue No. 3/8 y No. 5/8 con el fin de obtener una granulometría 0/10 cerrada
RESULTADOS CARACTERIZACIÓN ASFALTO
RESULTADOS CARACTERIZACION AGREGADO
Ensayos Marshall Marshall No 1 -Obtención porcentaje optimo de asfalto Marshall No 2 -Obtención porcentaje optimo de plástico Marshall No 3 -Obtención porcentaje optimo de caucho Marshall No 4 -Obtención Proporción óptima de plástico con caucho
Cantidad de materiales Granulometría 0/10 Cerrada Peso briqueta marshall 1250gr Temperatura de mezcla y compactación Curva de calibración - variación de la viscosidad con el cambio de temperatura (ensayo del viscosímetro de Brookfield.) Mezclado 294 F (146 C) Compactación 266 F (130 C) VISCOSIDAD CINEMATICA (centi-stockes 1000 100 10 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 305 310 315 320 325 330 335 340 TEMPERATURA ( F)
Mezcla y compactación de las Probetas Diseño Marshall I.N.V. E 748 Ensayos Probetas Compactadas 1. Determinación peso específico bulk 2. Ensayo de Estabilidad y Flujo 3. Determinación de peso especifico máximo medido Gmm
Marshall No 1 -Obtención porcentaje optimo de asfalto No briquetas 15, incrementando el porcentaje cada 0.5% desde 5% hasta 7% Análisis de densidad, relación de vacíos(1), estabilidad (2) y flujo (3). Marshall No 2 -Obtención porcentaje optimo de plástico (1) (2) (3) Análisis relación estabilidad/flujo. Porcentaje optimo de asfalto 6.3 % (Artículo 400, diseño NAPA) Porcentaje optimo de plástico 0.7 %
MEJORA DE MEZCLAS ASFALTICAS DE RODADURA 0/10 CERRADAS CON EL Marshall No 3 -Obtención porcentaje optimo de caucho 16% Marshall No 4 - Proporción óptima de plástico con caucho Análisis relación estabilidad/flujo. Análisis relación estabilidad/flujo. Porcentaje óptimo de Caucho 0.1 % Combinación óptimo 25 % plástico y 75% Caucho
Fatiga Se realizaron 48 briquetas (12 para cada mezcla asfáltica sin modificar y 12 para mezcla asfáltica modificada. La elaboración y análisis de resultados: e6=120e-06 B=-0.2 Solo Asfalto e6=196e-06 B=-0.22 Caucho e6= 95E-06 B=-0.186 Plástico e6=153e-06 B=-0.2 Caucho 75% - Plástico 25%
Ahuellamiento El ensayo se realiza en la máquina ahuelladora de la PUJ (INV-E756) La maquina ahuelladora Trabaja a 42 r.p.m, El mecanismo aplica una presión de 0.662 Mpa (presión ejercida por un eje de 13 Ton) Sistema de calefacción con termostato regulable que mantiene la temperatura de Ensayo a 60 C Dimensiones de las briquetas son: altura 50 cm base 15 cm, espesor 8.5 cm,
Ensayo de Ahuellamiento 2 briquetas para cada mezcla, (total 8 briquetas), compactadas en la maquina universal La briqueta es llevada Al horno a 60 C, durante 4 horas Una vez finalizado el ensayo, se detiene la máquina, se levanta la rueda, y se extrae la probeta ensayada, Se determinan y se anotan Deformaciones a 1,3,5,10,15,20,25, 30,35, 40,45, 60, 75, 90. 105 y 120 min Se monta la briqueta en el molde que lleva el carro móvil se apoya la rueda cargada sobre la superficie de la probeta Se carga el Brazo soporte con los pesos requeridos
Resultados ahuellamiento en las cuatro mezclas analizadas Ahuellamiento (cm) 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 ASFALTO CAUCHO 0,10% PLASTICO CAUCHO 75% - PLASTICO 25% 0,50 0,00 0 20 40 60 80 100 120 140 Tiempo (min)
Porcentaje de reducción de ahuellamiento en mezclas asfálticas modificadas con respecto a la mezcla sin modificar
Porcentaje de reducción de ahuellamiento en mezclas asfálticas modificadas con respecto a la mezcla sin modificar 80,0 60,0 60,0 40,0 40,0 20,0 % Reduccion 20,0 0,0-20,0-40,0-60,0 1 3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 60 % Reduccion 0,0-20,0-40,0-60,0 1 3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 60-80,0-100,0-120,0 MEZCLA MODIFICADA CON CAUCHO MEZCLA MODIFICADA PLASTICO Tiempo (min) -80,0-100,0-120,0 MEZCLA MODIFICADA CON CAUCHO 75% Y PLASTICO 25% Tiempo (min) 80,0 60,0 40,0 20,0 Mezcla modificada con plástico disminuye en un 59% % Reduccion 0,0-20,0-40,0-60,0 1 3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 60 Mezcla asfáltica con caucho aumenta en un 27% -80,0-100,0-120,0 MEZCLA CON CAUCHO Y PLASTICO MEZCLA CON CAUCHO MEZCLA CON PLASTICO Tiempo (min) Mezcla asfáltica modificada con plástico y caucho disminuye un 8%
Módulos Dinámicos EL OBJETIVO DEL ENSAYO ES LA DETERMINACION DE LOS MODULOS DINÁMICOS. LOS ENSAYOS SE REALIZARON PARA LAS SIGUIENTES CONDICIONES: TEMPERATURA: 10, 20 Y 30 C FRECUENCIA: 2.5, 5.0 Y 10 Hz
El ensayo NAT debe aplicarse a muestras cilíndricas preparadas en el laboratorio con diámetros entres 100 y 150 mm y alturas entre 30 y 75 mm. Se realizaron 3 briquetas tipo Marshall para cada una de las mezclas modificadas y sin modificar (total 12 briquetas) Se aplica un pulso de carga de compresión a una temperatura y una frecuencia de carga establecidas, aplicando tensión y deformaciones horizontales.
Resultados Módulos Dinámicos en las cuatro mezclas analizadas CURVAS ISOTERMAS DEL TOTAL DE COMBINACIONES 100000 Log Modulo (MPa) 10000 1000 100 10 C ASFALTO 20 C ASFALTO 30 C ASFALTO 10 C CAUCHO 20 C CAUCHO 30 C CAUCHO 10 C PLASTICO 20 C PLASTICO 30 C PLASTICO 10 C A+P+C 20 C A+P+C 0 2 4 6 8 10 12 Frecuencia (Hz) 30 C A+P+C
Análisis de datos por Frecuencia TEMPERATURA 20 0 C 0% (1) -10% -20% -30% -25% -21% -19% (2) -40% -50% -46% -43% 2.5 5 F R EC U EN C IA ( Hz) -42% 10 0.1 % CAUCHO 0.7% PLÁSTICO 0% -10% -20% -30% -40% -50% TEMPERATURA 30 0 C -33% -31% -44% -30% -45% -42% 2.5 5 FRECUENCIA (Hz) 10 (3) (1) Variación porcentual del módulo para 10 C (2) Variación porcentual del módulo para 20 C (3) Variación porcentual del módulo para 30 C 0.1% CAUCHO 0.7% PLÁSTICO
Análisis de datos por Temperatura FRECUENCIA 2.5 Hz FRECUENCIA 5 Hz 50% 40% 30% 20% 10% 0% -10% -20% 40% -16% -46% -25% 10 20 TEMPERATURA O C PLÁSTICO CAUCHO -44% 30-33% 30% 30% 20% 10% 0% -16% -10% (1) -20% PLASTICO -21% -31% CAUCHO -30% -43% -40% -50% -42% (2) 10 20 30 TEMPERATURA O C 40% 30% 20% 10% 0% -10% -20% -30% -40% -50% FRECUENCIA 10 Hz 32% -16% -19% -31% -43% -43% 10 20 30 TEMPERATURA 0 C PLASTICO CAUCHO (3) (1) Variación porcentual del módulo para 2.5Hz (2) Variación porcentual del módulo para 5.0 Hz (3) Variación porcentual del módulo para 10 Hz
SARA Este ensayo es utilizado para la caracterización química del cemento asfáltico IATROSCAN IC constituyentes floculados constituyentes dispersados saturados asfaltenos aromáticos resinas
Resultados Análisis ensayo SARA Asfalto 80 /100 (sin modificar) Asfalto 80/100 Modificado con caucho y tiras de bolsa de leche
Análisis Termogravimétrico (TGA) Bolsa de Banana, LANAMME UCR 29
DSC, en plástico
DSC en poliestireno expandido
Conclusiones Por medio de la metodología Marshall se determinó el contenido óptimo de asfalto (6.3%), contenido optimo de caucho (0.1 %), contenido óptimo de plástico (0.7%) y combinación óptima de los materiales (75% caucho y 25% plástico). La selección de los porcentajes óptimos de caucho, plástico y combinación de los dos materiales se realizó mediante un análisis de relación estabilidad/flujo, teniendo como principio que un buen comportamiento de una mezcla asfáltica tiene valores de esta relación ente 300 a 500. La mezcla modificada con caucho presenta mayores valores de flujo, con respecto a las demás, lo que indica que será una mezcla más susceptible a la deformación. Las mezclas modificadas (con caucho o con plástico), a medida que el porcentaje de caucho y plástico aumenta, el porcentaje de vacíos en la mezcla también, al aumentar las proporciones del modificantes en la mezcla, se dificulta la unión entre el agregado y asfalto.
El comportamiento de la mezcla asfáltica modificada con plástico presentó mejora en ahuellamiento, disminuyendo en un 59 %, comparada con la mezcla sin modificar La mezcla modificada con adición de caucho presentó el peor comportamiento, esta mezcla alcanzó deformaciones de un 27 % por encima de la deformación de la mezcla asfáltica sin modificar. La mezcla asfáltica modificada con caucho y plástico, presenta un mejor comportamiento que la mezcla sin modificar. Esta mezcla presento un 8% de reducción de ahuellamiento. Se require estudios de DSC y TGA
La mayor magnitud en relación con los módulos fue obtenida para la menor temperatura (10 C), y el módulo más alto obtenido fue para las muestras con plástico a 10 C, con una frecuencia de 10 Hz, con un valor de 12553 Mpa. Se obtuvieron incrementos en el módulo, en las mezclas con adicion de plástico, con un incremento de 36% a 10 0C y 2.5 Hz. Para un trafico de 3.000.000 de Ejes de 13Ton, conservando 25cm de base granular y 25 cms de subbase granular, sobre una subrasante de 50Mpa, se requieren de carpetas asfálticas 20cm para la mezcla convencional, 18cm para el caucho, 18 cm para el plástico y 15cm para la combinación de caucho y plástico
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Fredy Alberto Reyes Lizcano, PhD fredy.reyes@javeriana.edu.co Universidad Javeriana