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INTRODUCCIÓN
En Colombia, a la fecha de elaboración de este artículo no existe especifi cación sobre mezclas asfálticas tibias. Internacionalmente son conocidas como mezclas wma (por sus siglas en inglés).
Con base en la temperatura empleada para fabricar mezclas asfálticas en plantas especializadas de asfalto se han establecido las siguientes cuatro denominaciones: mezclas en frío - cma (temperatura inferior a 60 °C), mezclas semitibias - hwma (temperatura entre 60 y 100 °C), mezclas tibias - wma (temperatura entre 100 y 140 °C) y mezclas en caliente - hma (temperatura entre 140 y 190 °C).
Se denomina mezcla asfáltica tibia (wma) a aquella que mediante el uso de diferentes técnicas logra reducir las temperaturas de mezclado y compactación de una mezcla asfáltica caliente sin alterar demasiado la calidad de la mezcla asfáltica resultante.
De acuerdo con 2, la disminución mínima de la temperatura de fabricación de mezcla en la planta de asfaltos debe ser de 28 °C para denominarse wma. Sin embargo, investigadores como (3) mencionan que dicha disminución debe alcanzar los 40 °C.
La reducción de las temperaturas de mezclado y compactación trae consigo una disminución en la energía requerida para la elaboración de la mezcla y de las emisiones a la atmósfera 2) - (8.
Según 9), (10, mezclas wma generan menores emisiones contaminantes durante su proceso de fabricación y construcción en comparación con mezclas hma, y el ahorro de energía es de aproximadamente 30%. De acuerdo con (11), la reducción de CO2, SO2, compuestos orgánicos volátiles, CO, NOx y cenizas es de 30 - 40 %, 35, 50, 10 - 30 %, 60 - 70 % y 20 - 25 %, respecti vamente, en comparación con mezclas hma. Adicionalmente, reportan un ahorro en costo de combustibles superior al 40 %, y dicho ahorro es mayor cuanto más costoso sea el combustible en el país donde se desarrolle la tecnología wma.
Desde el punto de vista técnico se reporta, por lo general, menor oxidación y envejecimiento a corto plazo del ligante asfáltico en mezclas wma. Lo anterior debido a las menores temperaturas que se generan durante los pro cesos de fabricación, extensión y compactación de este tipo de mezcla. Esto incide en un aumento en la resistencia a fatiga por carga, al agrietamiento por bajas temperaturas y por oxidación del tipo Top-Down tdc 12) - (17.
Existen diferentes evidencias in situ y de laboratorio que demuestran que mezclas wma pueden experimentar propiedades comparables e incluso superiores a las hma 14), (18) - (23. Sin embargo, en algunos casos, las propiedades físicas y mecánicas de las mezclas wma son menores en comparación con las de mezclas hma, principalmente en la resistencia al ahuellamiento y al daño por humedad 24) - (27. Las menores temperaturas de fabricación pueden generar un secado insuficiente del agregado pétreo en las plantas de asfalto, lo cual produce pérdida de adherencia entre el agregado pétreo y el ligante asfáltico 25), (28) - (35. Lo anterior produce mezclas más susceptibles al daño por humedad y al fenómeno de stripping.
Existen tres metodologías generales de fabricación de mezclas tipo wma: modificar el asfalto con aditivos orgánicos, con aditivos químicos y espumar el asfalto. Entre los aditivos químicos se pueden encontrar el Cecabase®, el rtevotherm®, el HyperTherm®, el Rediset wmx®, el Qualitherm® y el Sonnewarmix®, y entre los orgánicos se encuentran el Sasobit®, el Thio-pave®, el tla-x®, el revixtm y el Asphaltan-B, entre otros. Estos aditivos suelen mezclarse con el asfalto antes de entrar al tambor mezclador en la planta de asfalto (vía húmeda).
La técnica de espumar el asfalto se ha utilizado durante más de 50 años para producir mezclas asfálticas en frío. Algunas metodologías utilizan zeolitas sintéticas o materiales químicos que se introducen al agregado pétreo para espumar el asfalto, disminuir su viscosidad y mejorar así el recubrimiento de los agregados pétreos y la trabajabilidad de la mezcla durante su proceso de fabricación. Algunas zeolitas naturales son piedras que al ser calentadas producen gran cantidad de vapor de agua. Este vapor de agua liberado, al entrar en contacto con el asfalto, lo espuman. De acuerdo con 2, las zeolitas son minerales que tienen aproximadamente 20 % en peso de agua atrapada en su estructura porosa. Por calentamiento a aproximadamente 85 °C, el agua se libera, y cuando esto se hace en presencia del asfalto en caliente, este se espuma.
Dos zeolitas muy utilizadas en el mundo son la Aspha-Min® y la Advera® (desarrolladas por Hubbard Group y pq Corporation). Otros aditivos utili zados para espumar asfaltos son AccuShear, Aquablack foam, AquaFoam, Double Barrel Green/Green Pac, ecofoam-ii, Low Emission Asphalt (lea), Meeker warm Mix foam, Terex foam, Tri-Mix foam, Ultrafoam GX, wAM-Foam y LT Asphalt.
Otra técnica para espumar asfalto consiste en combinar el ligante asfáltico en caliente con chorros a presión de agua (también denominada de asfaltos celulares). Es una tecnología utilizada principalmente para estabilización de materiales granulares no tratados o para la fabricación de mezclas en frío y recicladas. Consiste en adicionar agua fría (1 a 2 % del peso del asfalto) y aire a presión, en una "cámara de expansión", a un cemento asfáltico que se encuentra a alta temperatura (160-180 °C) con el fin de espumarlo, incrementar su volumen rápidamente (alrededor de 15 veces), reducir la viscosidad del ligante e incrementar la adherencia entre el asfalto y el agregado pétreo.
Espumar el asfalto reduce su viscosidad considerablemente y aumenta sus propiedades adherentes y de trabajabilidad 36 en el corto plazo, lo cual lo hace apto para mezclar con agregados fríos y húmedos. A pesar de lo anterior, esta metodología tiene como principal desventaja que el ligante espumado en algunas ocasiones experimenta baja resistencia al daño por humedad, y en este caso existe la necesidad de usar aditivos mejoradores de adherencia y anti-stripping.
Otra técnica de espumar asfalto consiste en introducir agregados pétreos húmedos a la mezcla. Se denomina Low-Energy Asphalt® (LEA) y fue desarrollada por Fairco de Zozay, Francia 4.
El proceso consiste en mezclar el cemento asfáltico (por lo general modifica do) (entre 135 a 180 °C) con agregados pétreos gruesos en caliente (145 °C), para después incorporar parte de los agregados pétreos finos húmedos a temperatura ambiente. La humedad en los agregados finos (entre el 3 y el 4 %), en combinación con el calor, genera que el asfalto espume. Para el uso de esta tecnología se hace necesario implementar diversas modificaciones a las plantas de asfalto convencionales.
La técnica wam-Foam®, desarrollada por Shell International Petroleum Company Ltda. y Kolo-Veidekke, consiste en un sistema aglutinante de dos componentes: un cemento asfáltico blando con uno rígido espumado. El asfalto blando se mezcla con el agregado en la primera etapa de producción de la mezcla entre 100 y 120 °C. En una segunda etapa, un cemento asfáltico rígido se espuma a alta temperatura mediante la adición de agua fría (entre 1 a 5 %) y se adiciona dicha espuma a la mezcla obtenida en la primera eta pa. La compactación de la mezcla se realiza entre 80 y 110 °C. El cemento asfáltico blando representa en masa entre el 20 y el 30 % del total del asfalto.
A través de la modificación por vía húmeda de un cemento asfáltico tipo ca 60-70 (fabricado por la Empresa Colombiana de Petróleos S. A. - Eco-petrol) con un aditivo denominado husil (el cual es desconocido por los productores de asfaltos), se modificaron las características de viscosidad y trabajabilidad del material base (cemento asfáltico) al espumarlo. Lo ante rior con el fin de poder mezclarlo en las plantas de asfaltos con el agregado pétreo a temperaturas más bajas, y así producir una mezcla asfáltica que disminuya las emisiones contaminantes a la atmósfera y el uso de energía durante los procesos de fabricación (mezcla tibia).
El ca 60-70 fue escogido debido a que es el más utilizado en la fabricación de mezclas asfálticas en Colombia. Como mezcla de referencia o de control se utilizó la mdc-19 1, ya que es la más utilizada en la construcción de capas de rodadura en proyectos de pavimentación vial.
El proyecto evaluó el comportamiento que experimentó la mezcla desa rrollada cuando fue sometida a cargas monotónicas (Marshall y tracción indirecta), dinámicas (módulo resiliente, resistencia a la deformación permanente y fatiga) y al daño por humedad. Adicionalmente se evaluó la respuesta reológica que experimenta el asfalto cuando se modifica con el aditivo. Las mezclas asfálticas ensayadas fueron fabricadas a escala real en una planta de asfalto. El nombre técnico-comercial del aditivo y las características químicas no se darán a conocer porque se prevé un posible desarrollo tecnológico o secreto industrial.
El aditivo espuma los asfaltos colombianos a aproximadamente 80 °C, lo cual lo hace ideal para disminuir la temperatura de fabricación, al facilitar el recubrimiento del asfalto con los agregados pétreos.
METODOLOGÍA
Caracterización del agregado pétreo y el asfalto
En las tablas 1 y 2 se presentan los valores obtenidos de los ensayos de caracterización ejecutados al agregado pétreo y al asfalto ca 60-70, respecti vamente. Se observa en las tablas que ambos materiales cumplen los requi sitos mínimos de calidad exigidos para la fabricación de mezclas asfálticas.
Caracterización del asfalto modificado
El aditivo químico líquido empleado (husil) actúa como una zeolita sintética, es un material inorgánico que no inflama, y no es considerado peligroso o material contaminante por el "Globally Harmonized System of Classification and Labelling of Chemicals" 37. Adicionalmente es un material que presenta valores de pH entre 10 y 12, y no es considerado cancerígeno o teratogénico. El aditivo inicialmente se agregó al asfalto en proporciones de 0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 2.5, 5.0, 7.5 y 10.0 % con respecto a su masa (husil/ca=0.25, 0.5, 0.75, 1.0, 2.5, 5.0, 7.5 y 10.0 %). La mezcla entre el asfalto y el aditivo se realizó a una temperatura de 80 °C durante resultados del ensayo. Se observa que el efecto del envejecimiento a corto plazo (ocurrido durante los procesos de fabricación de mezcla en planta de asfalto, y extensión y compactación de la misma en obra) es casi nula sobre el asfalto modificado. Los números de onda relacionados a la oxidación fueron de 1030 y 1700 cm-1. Estas magnitudes describen grupos Sulfóxido (s=o) y Carbonilo (c=o), respectivamente, los cuales se forman durante el envejecimiento. Adicionalmente se observa que los asfaltos modificados con husil no reportan en el espectro ningún pico, lo cual significa que el oxígeno no se une con azufres o átomos de carbono y, por lo tanto, la oxi dación es baja o inexistente.
Mezcla asfáltica tibia fabricada en planta de asfalto
Durante la ejecución del estudio era importante conocer si el proceso de fabricación de la mezcla asfáltica tibia era posible de realizar a escala real en una planta de asfalto. Ya en estudios anteriores 38) - (40 la mezcla había sido analizada a nivel de laboratorio, y demostró buen comportamiento mecánico y durabilidad. Por tal motivo se gestionó la producción en una planta de bacheo de un metro cúbico de mezcla en caliente convencional tipo mdc-19 mezclando los materiales (asfalto y agregado pétreo) a 150 °C, y otro metro cúbico mezclando los mismos materiales más el aditivo husil a 120 °C (wma-19).
La planta donde se fabricó la mezcla fue escogida debido a que el asfalto y los agregados pétreos que se utilizaron en la fase de laboratorio provenían de dicha planta.
El aditivo se agregó al asfalto y al agregado pétreo en el preciso momento en que estos dos materiales se mezclaban a 120 °C.
Para fabricar la mezcla tibia empleando el aditivo no hubo necesidad de cambiar o modificar la planta de asfalto o alguno de los procesos de pro ducción.
El contenido de asfalto utilizado fue 5.5 %, ya que este es el que la planta de asfalto utiliza normalmente para producir mezclas tipo mdc-19 con base en el diseño que ellos han establecido durante sus años de servicio fabricando mezclas de este tipo. El contenido de aditivo husil agregado al metro cúbico de mezcla wma-19 fue de 1 % con respecto a la masa del asfalto (husil/ca=1 %). Como ya se mencionó con anterioridad, este por centaje fue escogido con base en los resultados reportados por el grupo de investigación en un estudio similar ejecutado en laboratorio 38) - (40.
Con el fin de evaluar las propiedades mecánicas de las mezclas mdc-19 y wma-19 fabricadas en la planta, se manufacturaron 90 briquetas Marshall (45 para mezcla mdc-19 y 45 para wma-19), siguiendo los lineamientos es tablecidos en 41. Con estas muestras se ejecutaron los siguientes ensayos:
Marshall (inv. E-748-13). 10 briquetas por tipo de mezcla fueron ensayadas. Las briquetas fueron compactadas a 75 golpes por cara. La temperatura de compactación - TC y de mezcla - tm fueron de 140 y 150 °C para la mezcla de control en caliente (mdc-19) y de 120 y 110 °C para la mezcla wma-19, respectivamente.
Marshall (inv. E-748-13). Sobre muestras sumergidas en agua durante 6 meses, 5 briquetas por tipo de mezcla fueron ensayadas. Estas briquetas fueron compactadas a 50 golpes por cara con el fin de aumentar su porosidad y facilitar la evaluación del efecto del agua sobre la resistencia bajo carga monotónica en el ensayo Marshall. El agua utilizada provino del acueducto de la ciudad de Bogotá, D.C. Cada tres días durante los seis meses, el agua era cambiada con el fin de no permitir la acumulación de material contaminante en las muestras.
Módulo resiliente (astm D 4123-82). Sobre la mezcla asfáltica en caliente mdc-19 de referencia (husil/ca = 0%, tm=150 °C) y la tibia wma-19 (husil/ca = 1%, tm=120 °C) fueron ejecutados ensayos de módulo resiliente (astm D 4123 - 82) bajo tres temperaturas (5, 15 y 40 °C) y frecuencias de carga (2.5, 5.0 y 10.0 Hz) utilizando un equipo Nottingham Asphalt Tester (nat). Cada ensayo de módulo resiliente fue realizado sobre 9 muestras (3 por cada temperatura). Las briquetas fueron compactadas a 75 golpes por cara, siguiendo los lineamientos establecidos en inv. 748-13.
Deformación permanente (une-en 12697-25:2006; cen, 2005). Cinco briquetas por tipo de mezcla fueron ensayadas. La deformación permanente bajo carga repetida fue medida bajo un esfuerzo de 100 kPa y a 3600 ciclos de carga, utilizando un equipo NAT. Las briquetas fueron compactadas a 75 golpes por cara, siguiendo los lineamientos establecidos en inv. 748-13.
Resistencia a fatiga (une-en 12697-24:2012 anexo e). Doce briquetas por tipo de mezcla fueron ensayadas. El modo de carga del ensayo fue el de esfuerzo controlado. La temperatura y frecuencia de carga utilizadas en el ensayo fueron 20 °C y 10 Hz, respectivamente. Las briquetas fueron compactadas a 75 golpes por cara, siguiendo los lineamientos establecidos en inv. 748-13.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Asfalto modificado
En la tabla 3 se presentan los resultados de los ensayos realizados sobre el ca 60-70 modificado con husil.
En la tabla 3 se observa que i) el aditivo incrementa la gravedad específica de la mezcla asfalto-aditivo a medida que incrementa el contenido de husil. Lo anterior es debido principalmente a que el aditivo presenta una mayor gravedad específica (1.32 g/cm3) que el asfalto ca 60-70 sin modificar (1.012 g/cm3); ii) el asfalto modificado con el aditivo incrementa su resistencia a inflamar a altas temperaturas; iii) el aditivo tiende a rigidizar notablemente el asfalto, y las mayores rigideces se presentan cuando el aditivo se agrega en proporciones de husil/ca= 0.75 % y 1.0 % (incrementa el punto de ablandamiento y disminuye la penetración); iv) la ductilidad disminuye de manera lógica, ya que el aditivo se rigidiza cuando ocurre el enfriamiento del asfalto modificado, luego de que este ha espumado.
Los resultados de penetración y punto de ablandamiento del asfalto mo dificado con el aditivo son coherentes con los obtenidos en los ensayos de caracterización reológica a temperaturas altas de servicio. Las tablas 4 y 5 muestran los resultados de caracterización reológica del asfalto de referencia (sin aditivo, husil/ca=0 %) y modificado con husil/ca=1 %, respectivamente. El grado de desempeño a altas e intermedias temperaturas de servicio del asfalto de referencia ca 60-70 (sin aditivo, husil/ca=0%) es 58 °C (| G*\/sind > 1.0 kPa para asfalto sin envejecer y | G*\/sind > 2.2 kPa para asfalto envejecido en rtfot) y 22 °C (| G* | x sin5 > 5000 kPa para asfalto envejecido en rtfot + pav), respectivamente. G*, d, rtfot y pav se refieren a módulo de corte complejo, ángulo de fase, envejecimiento a corto plazo en horno de película delgada rotatorio y envejecimiento a largo plazo en vasijas sometidas a presión, respectivamente. Cuando se modificó el asfalto ca 60-70 con husil/ca=1 % el grado de desempeño a altas temperaturas de servicio aumentó a 70 °C, lo cual es indicador de un ligante más resistente a fenómenos como el ahuellamiento en climas de alta temperatura. Adicionalmente, a temperaturas intermedias, el grado de desempeño mejoró (disminuyó de 22 a 19 °C), debido tal vez a que el aditivo aumenta la resistencia del asfalto al envejecimiento. No se ejecuta ron ensayos de caracterización reológica a bajas temperaturas de servicio porque el objeto de estudio fue para países tropicales como Colombia.
Ensayos Marshall
La tabla 6 presenta el resumen de resultados del ensayo Marshall ejecutado sobre la mezcla en caliente tipo mdc-19 (tm=150 °C, husil/ca=0%) y la tibia wma-19 (tm=120 °C, husil/ca=1 %). Se observa en la tabla que la mezcla wma-19 presenta un contenido de vacíos similar al de la mezcla mdc-19 (indicador de composición volumétrica similar), a pesar de que la primera fue fabricada a una temperatura de 30 °C menos. Lo anterior es un indica dor de que el aditivo mejora el proceso de trabajabilidad y compactibilidad de la mezcla al espumar el asfalto. La rigidez bajo carga monotónica en el ensayo Marshall, evaluada a través de la relación entre la estabilidad y el flujo (e/f), es mayor en la mezcla wma-19. Adicionalmente se reporta una perdida de 46.4 % en dicha rigidez cuando las mezclas convencionales mdc-19 son sumergidas en agua durante 6 meses, y de 41.3 % para el caso de las mezclas wma-19. En síntesis, para el caso del ensayo Marshall, la mezcla tibia wma-19 experimenta mayor rigidez bajo carga monotónica y resistencia al daño por humedad en comparación con la mezcla de control mdc-19.
Módulo resiliente y deformación permanente
En la figura 2 se presentan los resultados del ensayo de módulo resiliente. Se observa que la mezcla wma-19 presenta mayor rigidez bajo caga cícli ca que la mezcla mdc-19, a pesar de que la primera fue fabricada a una temperatura de mezcla de 30 °C menor que la segunda. Bajo temperatura de ensayo de 5 °C, la mezcla wma-19 desarrolló en promedio un módulo 1.25 veces superior con respecto al de la mezcla mdc-19, y para 15 °C ex perimentó entre 1.7 y 1.95 veces mayor módulo. Para 40 °C no es posible hacer este tipo de comparación, ya que las muestras de mezcla mdc-19 se desmoronaron a dicha temperatura y no fue posible ejecutar el ensayo. Por lo anterior, en la figura 2 se reporta para esta mezcla un módulo resiliente igual a 0. Es inportante resaltar que, por el contrario, las mezclas wma-19 desarrollaron módulos resilientes entre 764 y 1743 MPa bajo temperaturas de ensayo de 40 °C. Lo anterior es un indicador de mayor resistencia a la deformación permanente en clima de alta temperatura por parte de la mezcla wma-19. Estos resultados son coherentes con los presentados en la figura 3 , en la que se observa que la mezcla wma-19 experimenta mayor resistencia a la deformación permanente que la mdc-19.
Resistencia a fatiga
En la figura 4 se presenta la evolución de la vida a fatiga (número de ciclos de falla) de las mezclas mdc-19 y wma-19. Se observa que bajo el modo de carga de esfuerzo controlado, la mezcla wma-19 experimenta mayor resistencia a fatiga en comparación con la de referencia mdc-19, ya que la magnitud del esfuerzo necesario para hacer fallar las mezclas mdc-19 y wma-19 al millón de ciclos de carga (o6) es de 84 kPa y 170 kPa, respectivamente. Asimismo, las pendientes de las leyes de fatigas de las curvas reportadas para las mezclas mdc-19 y wma-19 son -0.298 y -0.218, respectivamente. Para una magnitud de esfuerzo aplicado de 100 kPa, 200 kPa, 300 kPa, 400 kPa, 500 kPa y 600 kPa, la vida a fatiga de la mezcla wma-19 es de 20.8, 8.8, 5.4, 3.8, 2.9 y 2.3 veces superior en comparación con la mezcla mdc-19. Estos resultados son coherentes con lo enunciado ampliamente en la litera tura de referencia, la cual reporta mayor vida y resistencia al fenómeno de fatiga por carga cuanto mayor sea la rigidez de la mezcla. Caso contrario sucede cuando el modo de carga es el de deformación controlada, en la que las mezclas asfálticas experimentan su mayor vida a fatiga generalmente cuando su rigidez es menor 42)-(44.
CONCLUSIONES
Este estudio midió la resistencia bajo carga monotónica y cíclica que ex perimenta una mezcla asfáltica tibia fabricada en una planta de asfalto usando un aditivo químico que espuma el bitumen. Con el fin de evaluar dicha resistencia fueron ejecutados ensayos Marshall, módulo resiliente, deformación permanente y resistencia a fatiga. Con base en los resultados obtenidos se concluye: i) aunque el contenido de aditivo agregado a la mezcla es bajo (1 % con respecto a la masa del asfalto), se reportan cambios significativos en las propiedades del asfalto modificado (incremento de la rigidez y mejoramiento del grado de funcionamiento del asfalto a tempe raturas altas e intermedias de servicio); ii) el aditivo husil permite reducir la temperatura de la mezcla en 30 °C, logrando propiedades volumétricas similares, y ligeramente mayor resistencia bajo carga monotónica en el ensayo Marshall con respecto a la mezcla en caliente de referencia mdc-19 fabricada a 150 °C; iii) la mezcla tibia experimenta mayor resistencia al daño por humedad en comparación con la de referencia fabricada a 150 °C; iv) la mezcla asfáltica tibia experimenta mayor rigidez bajo carga cíclica, resistencia a la deformación permanente y a fatiga (este último bajo el modo de carga de esfuerzo controlado) en comparación con la mezcla en caliente de control, lo cual induce a pensar en su empleo en vías que se construyan donde el clima sea de alta temperatura y en capas asfálticas gruesas; v) la mezcla asfáltica tibia al ser fabricada a 30 °C por debajo de la mezcla en caliente debe generar menores emisiones a la atmósfera y reducir el uso de combustibles en las plantas, lo cual redundará en menor contamina ción al medio ambiente; vi) la mezcla asfáltica tibia objeto de este estudio puede ser fabricada a escala real en una planta de asfalto convencional sin necesidad de modificar dicha planta o de adquirir equipamiento adicional; vii) la mezcla asfáltica tibia fabricada en planta de asfalto desarrolló las mismas ventajas de aquellas fabricadas en laboratorio: mayor resistencia bajo carga monotónica y cíclica y mayor resistencia al daño por humedad en comparación con la mezcla en caliente de control.
