Etapas
de la implementación del asfalto modificado con desechos de llantas en Colombia
Fase
inicial: Experimentación inicial procesos vía húmeda y seca en laboratorio y en
carrusel de fatiga
En esta etapa iniciada en el año 2001,
estudió la factibilidad de la incorporación del GCR por medio de los procesos
de vía seca y vía húmeda. El proceso por vía seca consiste en la inclusión del
GCR en las mezclas asfálticas como si fuera parte de los agregados
(generalmente fracción fina). El proceso de mezclado entre el asfalto y los
agregados es llevado a cabo de la manera tradicional. La incorporación del GCR
de una granulometría específica es realizada mediante el reemplazo de los
mismos tamaños en los agregados en los porcentajes deseados. Por otro lado, el
proceso por vía húmeda implica la modificación del cemento asfáltico previo al
mezclado con los agregados. En la elaboración de mezclas asfálticas mejoradas
con caucho mediante el proceso seco se utilizó cemento asfáltico de la
refinería de Barrancabermeja, la principal en Colombia, en tanto que para el
proceso húmedo se modificaron los cementos asfálticos de las refinerías
Barrancabermeja y Apiay. Vale la pena destacar que estas dos refinerías son las
únicas que producen asfalto en Colombia.
Debido a que a la fecha del estudio
(año 2001), en Colombia no se contaba con ninguna trituradora de llantas, el
grano de llantas fue obtenido del desecho de reencauchadora de llantas de
camiones quienes generaban un desecho en forma de ripio libre de acero y nylon.
El GCR utilizado fue seleccionado de tamaño fino, con partículas inferiores al
tamiz No. 30 (595 µm), ya que las partículas finas permiten una mejor
interacción entre el caucho y el cemento asfáltico.
La granulometría del GCR utilizado se
puede observar en la Tabla 1.
Para la modificación del cemento
asfaltico con el GCR se analizaron entonces diferentes porcentajes de GCR para
los dos cementos asfálticos producidos en Colombia. Para los fines del presente
artículo al cemento asfáltico producido de la refinería de Apiay será
denominado por la letra (A) y para Barrancabermeja (B). Las propiedades físicas
de los asfaltos se muestran en la Tabla
2. El asfalto A era producido con grado de penetración 60-70 dmm, y el
asfalto B 70-90 dmm.
La dosificación se hizo considerando
como variables de entrada el tipo del ligante, el porcentaje de GCR, la
temperatura de mezclado y el tiempo de reacción. La variable de respuesta para
obtener la cantidad óptima de GCR fue la viscosidad Brookfield a 163°C del
ligante modificado con GCR, la cual de acuerdo (Caltrans, 2003) debería estar
entre 1500 y 3000 cP (10-2 Poises). El factorial para la dosificación del GCR
se llevó a cabo de acuerdo con lo descrito en la Tabla 3.
La mezcla del cemento asfáltico y del
GCR se realizó en un recipiente metálico, que fue introducido en un baño de
aceite térmico para calentar la mezcla a las temperaturas especificadas; esta
mezcla era agitada constantemente mediante un sistema de aspas metálicas a una
velocidad de 100 rpm. A medida que estos dos materiales se iban mezclando se
extraían muestras dependiendo del tiempo de mezclado deseado. Este sistema de
mezclado garantizó la homogeneidad de la mezcla asfalto-caucho. De todas las
mezclas elaboradas se escogió aquella que cumpliera con los criterios
definidos. Entre los criterios de selección estuvo la viscosidad Brookfield a
163ºC, menores tiempos de reacción y bajas temperaturas de mezclado.
La denominación de los asfaltos
modificados fue definida por la combinación de variables involucradas. Por el
ejemplo el asfalto denominado A-13-165-55, consistió en un asfalto de la
refinería de Apiay (A), 13% de GCR, modificado a 165°C durante 55 minutos. El
cemento asfáltico de Apiay requirió el análisis de dos contenidos de GCR
adicionales para poder cumplir con el criterio de viscosidad, Como se puede ver
en la Figura 1.
Figura
1 Variación de la viscosidad Brookfield a 163°C
respecto al tiempo de mezclado, para los diseños A-13-165 y B-15-155
Finalmente las combinaciones
A-13-165-55 y B-15-155-50 fueron escogidas como las dosificaciones óptimas de
acuerdo con los criterios previamente establecidos. Sobre estas dosificaciones
fue llevada a cabo una completa caracterización de SuperPave con el fin de
determinar las mejoras en cuanto al grado de desempeño de cada asfalto (PG).
Así para el ligante de A puro se determinó su grado de desempeño en PG58-22, y
al ser modificado con 13% de GCR se mejoró a PG88-16, igualmente para el
ligante de B, que en su estado puro presenta un grado de desempeño de PG58-22,
se logró aumentar a PG76-22 con 15% de GCR. Mayores detalles en cuanto a la
evaluación reológica de los asfaltos modificados con llantas puede ser
encontrada en (Martinez y otros, 2006). Los resultados del desempeño de los
asfaltos colombianos modificados con GCR se pueden observar en la Figura 2. considerado un indicador del
comportamiento en cuanto a la fatiga, menores valores de este indicarían un
mejor desempeño frente a este modo de deterioro. Como se observa en la Figura 2, los asfaltos modificados con
GCR independientemente al origen de los asfaltos presentaron mejor indicador
que los asfaltos modificados con polímeros.
Figura
2 Factor de fatiga para los asfaltos colombianos
modificados con GCR vs otros modificados con polímeros
La segunda parte de este estudio analizó
el efecto de un porcentaje de 1 y 2% de GCR (% en peso respecto a los
agregados) aplicando el proceso de vía húmeda en mezclas tipo Mezclas Densas en
Caliente tipo 1(MDC-1) y tipo 2 (MDC-2) ver Tabla 4.
Esta etapa consideró el diseño de
mezclas y la caracterización mecánica de las mismas. A modo de información se
incluyeron los siguientes ensayos:
Diseño Marshall, para determinar la
proporción óptima de cemento asfáltico evaluando la Estabilidad, el Flujo y el
porcentaje de vacíos en la mezcla asfáltica, en los diseños de las mezclas
asfálticas elaboradas por el proceso seco.
Compactación en la prensa de
compactación giratoria PCG, para determinar mediante la evaluación de módulos
dinámicos y porcentaje de vacíos la proporción óptima de cemento asfáltico en
los diseños de las mezclas asfálticas elaboradas por el proceso húmedo.
Determinación del comportamiento a la
fatiga.
Determinación del Módulo Dinámico a 5,
25 y 40 ºC, y frecuencias de 1, 4, 10 y 16 hz.
Determinación de la resistencia a la
deformación plástica mediante la Pista de ensayo de laboratorio.
Los resultados del diseño de mezclas
son mostrados en la Tabla 5. Los
resultados obtenidos en el diseño muestran que la inclusión del GCR por método
de vía seca involucra mayores contenidos de asfalto, como consecuencia se
observan menores estabilidades y menores flujos para las mezclas con GCR. Este
puede explicarse en la superficie específica del GCR y en su capacidad de
absorción del asfalto. Los módulos dinámicos (Este ensayo se realizó de acuerdo
a la norma INV E-754) a 10Hz sobre estas mezclas demostraron que con la
inclusión del GCR se obtuvieron mezclas de menor rigidez para las MDC-1 a 25°C
se obtuvieron módulo al 0% GCR de 58000 kg/cm2 mientras que para las mezclas
con el 1 y 2% con GCR se obtuvieron módulos dinámicos de 25000 y 11600 kg/cm2
respectivamente. Para las mezclas tipo MDC-2 los valores al 0% fueron de 81500
kg/cm2 mientras que para las mezclas con el 1 y 2% con GCR se obtuvieron
módulos dinámicos de 28000 y 19200 kg/cm2 respectivamente.
El efecto de la inclusión de GCR en las
MDC como quedó evidenciado es el de producir una mezcla menos rígida que la
convencional hecho que contrasta con el objetivo de modificar asfaltos (método
húmedo) con el cual se obtienen asfaltos con viscosidades mayores y generando
mezclas con módulos igualmente mayores. Otras pruebas como deformación
permanente y resistencia a fatiga fueron igualmente realizadas pero por
limitaciones en la longitud del documento no son abordadas en este artículo.
Sin embargo, los resultados del ensayo a escala real con las mezclas diseñadas
muestran el real desempeño y mejoras de la adición del GCR mediante la vía
seca.
*INV: corresponde a las
especificaciones del Instituto Nacional de Vías - INVIAS.
La Figura
3 muestra la aplicación directa a escala real de los diseños de
mezcla obtenidos mediante la modificación con GCR por el método de la vía seca.
El carrusel de fatiga fue construido aplicando una mezcla tipo MDC-2 con el 1%
de GCR y el 0% de GCR como muestra de control. Lo anterior, debido a que con
este porcentaje se obtuvo el mejor desempeño de las mezclas analizadas. La
pista de prueba consistió en 7 de MDC-2, la cual es una de los tipologías de
mezclas más utilizados en Colombia, colocados bajo las mismas condiciones de
soporte, y se hicieron circular cerca de 210.000 repeticiones de carga de 8.2
ton. El desempeño del mismo es mostrado en la Tabla 5
Figura
3 Prueba a escala real carrusel de fatiga Universidad
de los Andes (Universidad de Los Andes 2002)
La Tabla
6 muestra el desempeño superior de la mezcla con GCR al 1%, el
ahuellamiento para la mezcla convencional fue 5 veces mayor y la densidad de
fisuración como indicador de la fatiga mostró diferencias del orden de 8 veces
frente al tramo modificado. Los resultados en laboratorio y en conjunto con los
del carrusel de fatiga motivaron al IDU a llevar a cabo una segunda etapa
haciendo énfasis en el diseño de mezclas por vía húmeda y en la construcción a
escala real de un tramo de prueba en una vía urbana de la ciudad de Bogotá.
En congruencia con los resultados obtenidos
en la primera etapa del desarrollo de las mezclas hacia el año 2003 se inició
la segunda fase del estudio de las mejoras mecánicas de mezclas modificadas con
desechos de llantas la cual culminó en el año 2005 con la fase final de
seguimiento sobre el tramo a escala real.
Para esta etapa, debido a la
implementación de una nueva especificación en Bogotá, se utilizaron mezclas de
denominación 0/14. Cuya granulometría es mostrada en la Tabla 7.
Las mezclas fueron diseñadas con un
contenido de GCR del 18% con respecto al peso del asfalto, porcentaje que
cumplía con los criterios de viscosidad definidos en (Caltrans, 2003). Para al
estudio Ecopetrol (Empresa Colombiana de Petróleos) modificó la producción de
asfaltos en Barrancabermeja y pasó de producir cemento asfáltico de penetración
70-90 a penetración 80-100. Esta modificación obligó a incluir en el estudio
mezclas con asfalto con penetración 80-100. La Tabla 8, muestra el diseño de mezclas de los asfaltos analizados.
En la tabla AM indica mezcla con asfalto convencional, VH indica asfalto
modificado con GCR por vía húmeda, VS indica mezcla modificada con GCR por vía
seca, PMSBR y SBS indican asfaltos comerciales modificados con polímeros.
Mayores detalles sobre el desempeño de las mezclas puede ser encontrado en
(Universidad de los andes, 2005)
La producción a escala real tuvo tres
importantes condiciones que cumplir. La primera la dificultad de mantener la
temperatura controlada a 163 ºC, la energía de agitación fue fijada en 1800
rpm, y se realizó la producción en bachadas de 0,21m3. El proceso de
modificación se llevó a cabo a 163ºC, 25 minutos de tiempo de mezclado y 18 %en
peso del cemento asfáltico total, bajo estas condiciones se obtuvo una
viscosidad de Brookfield dentro del rango de 2000 a 2500 cP.
El tramo de prueba fue escogido
considerando que se garantizara el mismo volumen de tráfico a lo largo de las
secciones y condiciones homogéneas de soporte. La longitud del tramo de prueba
es de 270 m(54 m para cada tipo de mezcla), sobre los cuales se realizó una
completa caracterización de los granulares y subrasantes existentes. La pista
fue dividida en 5 secciones con la misma estructura de pavimento en granulares
y el mismo espesor de carpeta asfáltica, variando para cada sección el cemento
asfáltico. El tramo de prueba está compuesto por un tramo con mezcla asfáltica
convencional, 2 tramos con mezclas modificadas con desechos de llantas por vía
seca y vía húmeda respectivamente, y dos secciones con asfalto modificado con
polímeros SBS y SBR.
La estructura de cada sección estuvo
compuesta por un espesor de granulares variables entre 0.25 y 0.30 m, sobre los
cuales se colocó una base estabilizada de RAP (reclaimed asphalt pavement) que
consistió en la mezcla de los granulares existentes con el RAP obtenido del
tramo de prueba, en un espesor de 0.10 m. Sobre la base estabilizada se
colocaron 0.07 m de espesor de mezcla asfáltica para cada tipo de cemento
asfáltico. Para la construcción de los tramos con asfalto modificado con GC se
utilizaron solo compactadores de cilindro metálico, como recomiendan las especificaciones
en la literatura (Caltrans, 2003). Es importante mencionar que con el diseño y
construcción del tramo se esperaba observar su deterioro durante un año, es
decir, el tramo fue diseñado para una vida útil estimada de un año con las
condiciones de tráfico existentes en el corredor. El tráfico en un año fue
estimado en 1x106 Ejes equivalentes de 8.2 Ton.
El desempeño del tramo de prueba fue
estudiado en una primera etapa durante un año. Durante ese primer año se
realizaron medidas para establecer la evolución de las posibles fallas y
deterioros que se pudieran presentar en cada sección, determinación de
volúmenes de tráfico, medidas de rugosidad (IRI), deflexiones estáticas y
extracciones de núcleos para verificación de reología de los cementos
asfálticos, mediciones adelantadas cada tres meses durante el primer año. Así
mismo, se buscaba verificar a escala real los resultados obtenidos a partir de
estudios obtenidos en laboratorio consistentes en comportamiento reológico de
los asfaltos caucho y el comportamiento mecánico de las mezclas elaboradas con
asfalto-caucho, (Universidad de los andes, 2005) (Martinez, 2006).
La Figura
4 y la Figura 5 muestran
la densidad de fisuración y el estado superficial del tramo con GCR y con
polímero SBR. Como se puede observar en la Figura
4, la sección con asfalto convencional AM80100 presentó la mayor densidad
de fisuración después de cuatro (4) de servicio. El asfalto modificado con GCR
por vía húmeda mostro un desempeño similar al de los asfaltos modificados con
polímeros, demostrando que podemos obtener mezclas con desempeño comparable a
las mezclas modificadas con polímeros mediante esta técnica eco-sostenible.
Figura
4 Densidad de fisuración durante cuatro (4) años de
servicio para mezcla convencional 80-100, asfalto modificado con GCR vía húmeda
y con polímeros.
Figura
5 Estado superficial después de cuatro años, sección
con GCR (VH) a izquierda y tramo Polímero SBR a derecha.
Como resultado de toda la experimentación
realizada, en las distintas etapas de desarrollo una especificación técnica
para la ciudad de Bogotá ha sido desarrollada Sección 560-11 que trata sobre
“Mezclas asfálticas en caliente con asfaltos modificados con caucho por vía
húmeda” . La especificación considera los criterios de viscosidad utilizados durante los
estudios realizados en el rango de 1.5 y 3.0 Pa-s a 163°C, penetración mínima
de 40 dmm a 70 mm y un punto de ablandamiento de mínimo 52°C. Como diferencia a
las granulometrías utilizadas en los estudios antes descritos se proponen
granulometrías abiertas en vez de las mezclas densas. Esta modificación se
incluye en concordancia con las experiencias a nivel mundial, las cuales
utilizan mezclas con granulometría “Gap Graded”, las cuales han demostrado un
mejor desempeño y mejor manejabilidad que las mezclas densas.
En el año 2011 el gobierno distrital de
Bogotá emite la Resolución 6981 del 27 de diciembre de 2011 “Por medio de la
cual se dictan lineamientos para el aprovechamiento de llantas y neumáticos
usados, y llantas no conforme en el Distrito Capital”, esta Resolución
establece en el artículo 4°, la siguiente obligación:
“A partir del segundo semestre del
2012, toda persona que ejecute y adelante procesos constructivos de obras de
infraestructura del transporte urbano del Distrito Capital deberán prever el
uso de materiales provenientes del aprovechamiento de llantas o neumáticos
usados o llantas no conforme, en un porcentaje no inferior al 5% de metros
cuadrados por cada contrato de obra, con excepción de aquellos que a la entrada
en vigencia de la presente resolución tengan estudios y diseños aprobados.
El porcentaje de que trata este
artículo aumentará anualmente en cinco (5) unidades porcentuales hasta alcanzar
el 25%, y en todo caso, estos procesos constructivos serán reportados en los
primeros quince (15) días de los meses de junio y diciembre de cada año a la
Secretaría Distrital de Ambiente por medio del formulario que ésta entregue
para el efecto. El primer reporte, será en junio de 2013”.
Es precisamente esta resolución la que
permite que las mezclas modificadas con desechos de llantas empiecen a ser
aplicadas de forma masiva en los diferentes contratos de mantenimiento para la
red vial de Bogotá. De acuerdo con el Boletín de grano de caucho reciclado de
febrero de 2015, a la fecha se han colocado 14836 m3 de mezcla modificada con
GCR reutilizando un total de 51929 llantas (ver Tabla 9).
Fuente: Adaptado de (Instituto de
Desarrollo Urbano de Bogotá 2015)
El IDU, para incentivar la aplicación
de esta tecnología eco-sostenible desde el año 2012, ha incluido en los pliegos
de condiciones de las Licitaciones Públicas, para efectos de la calificación
del factor de evaluación denominado CALIDAD, otorga un valor adicional a los
proponentes que se comprometan a: “La utilización de materiales provenientes
del aprovechamiento de llantas ó neumáticos usados o llantas no conforme, en
las actividades de pavimento asfáltico en proporción con los metros cuadrados
(m2) totales del proyecto a construir en un porcentaje del 5% ó más,
adicional al mínimo exigido”, de esta manera da cumplimiento a lo establecido
en la resolución 6981 de 2011, y se garantiza por lo como mínimo un 5%
adicional en la aplicación de mezclas con GCR. A nivel nacional y motivado en
los buenos resultados de la experiencia de la capital Colombiana, el Instituto
Nacional de Vías - (Invias, 2012), ha establecido especificaciones para la
aplicación de las mezclas modificadas con grano de llantas en todo el
territorio nacional, con lo cual se da un enorme paso para alcanzar la
sostenibilidad de la red de carreteras nacional.
Actualmente muchos de estos tramos
hacen parte del programa Institucional de seguimiento a tramos testigos para
poder desarrollar modelos de deterioros que permitan planificar y mejorar el
sistema de administración de pavimentos de la ciudad.
Referencias:
Martínez, G., Caicedo, B., Gonzáles, D., Celis, L. (2006a),
Rheological Behaviour of Asphalt with Crumbed Rubber and other Modifiers.
Proceedings of the Asphalt Rubber 2006 Conference. Palm Springs.
Rubber Pavement Association. (2011),
Asphalt-Rubber Standard Practice Guide http://www.rubberpavements.org/Library_Information/AR_Std_Practice_Guide_20111221.pdf.
Universidad de Los Andes. (2002), Instituto
de Desarrollo Urbano de Bogotá, Estudio de las mejoras mecánicas de mezclas
asfálticas con desechos de llantas, Bogotá D.C.
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