La experiencia de Proas

Betunes mejorados y modificados con caucho por vía húmeda

Vicente Pérez Mena, director técnico, y Marimar Colás Victoria, responsable de desarrollo de productos de Proas

09/09/2013

El empleo del polvo de caucho procedente de los Neumáticos Fuera de Uso (NFU) en las mezclas asfálticas está demostrando ser una opción muy interesante en la modificación de betunes para obtener mezclas asfálticas de mayor calidad y, al mismo tiempo, solucionar un problema medioambiental. La incorporación del polvo de caucho a una mezcla bituminosa modifica sus propiedades reológicas y mejora sus prestaciones como material para carreteras.

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Foto: V. Fouche.

Mayor resistencia a agrietamiento, tanto por fatiga como por reflexión, menor susceptibilidad térmica, mejor resistencia a roderas y mayor resistencia a envejecimiento, son alguna de las mejoras que proporcionan estos ligantes a las mezclas asfálticas. Además, el contraste con las marcas viales suele durar más, pues el color negro se mantiene más tiempo y para la fabricación y puesta en obra de las mezclas se utilizan los mismos medios que para las mezclas convencionales.

En España se dispone actualmente de un marco normativo suficientemente extenso en el que se definen las especificaciones que deben cumplir estos ligantes y las mezclas bituminosas que incorporen caucho procedente de neumáticos fuera de uso, así como recomendaciones de fabricación y almacenamiento. Los métodos para utilización del polvo de caucho en materiales bituminosos son:

Vía seca

El polvo de caucho se introduce directamente en el mezclador de la central de fabricación de mezcla asfáltica, junto con el betún y los áridos. El polvo de caucho actúa en parte como árido, pero las partículas más finas interaccionan con el betún modificando sus propiedades.

Vía húmeda

Se fabrican añadiendo polvo de caucho al ligante asfáltico que se usará posteriormente en la mezcla. El betún resultante es más viscoso y es necesario un tiempo de reacción que se suele denominar de digestión o maduración. Por lo general se distinguen los siguientes tipos:

  • Betún mejorado con caucho (BC), que presentan características mejores que los betunes asfálticos con porcentajes de polvo de caucho inferiores a 10-12 %. Cumplen la norma de Betunes para pavimentación EN 12591.
  • Betún modificado con caucho (BMC), con propiedades empíricas similares (excepto ductilidad) a las de los betunes modificados con polímero y con polvo de neumático inferior al 15%. Han de cumplir la normativa EN 14023
  • Betunes de alta viscosidad (BMAVC) con proporciones en torno al 20%. Se fabrican in situ y alimentan directamente al mezclador de la planta asfáltica.

Los beneficios

Aparte del beneficio ambiental, que comparte con todas las técnicas, las principales ventajas de la vía húmeda son:

  • Se puede suministrar a los productores de mezcla asfáltica directamente “listo para su uso”, como un betún convencional o modificado con polímeros.
  • Una sola central podría suministrar a varias plantas asfálticas.
  • Posibilidad de control de calidad del ligante previo a la fabricación de la mezcla asfáltica.
  • Se obtienen betunes que permiten la fabricación de mezclas con dotaciones de betún más altas y por tanto de mayor durabilidad.

Los inconvenientes

En cuanto a los inconvenientes de los betunes caucho, es importante destacar que en algunos casos mezcla de betún y polvo de caucho puede ser inestable y producirse el precipitado de los gránulos de caucho. Es necesario por tanto utilizar los medios necesarios para garantizar que el producto se pueda trasladar y almacenar sin que se segregue, siendo posible distinguir entre cauchos compatibles y cauchos incompatibles. En este sentido se ha observado que es posible llegar a satisfacer algunas especificaciones técnicas exigidas a los betunes caucho y, sin embargo, no con ello se garantiza la compatibilidad entre sus componentes. No obstante, actualmente se pueden lograr betunes mejorados (BC) y modificados con caucho (BMC) estables al almacenamiento y transporte y que se fabriquen en las misma centrales que los betunes modificados con polímero. Estos betunes son homogéneos y no presentan diferencia en sus propiedades por separación de fases.

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Betún-caucho inestable y estable.

La calidad de las materias primas y las condiciones de proceso

Lógicamente, las características del producto resultante de la mezcla de betún y polvo de caucho dependen de ambos componentes. En los estudios de investigación llevados a cabo en el desarrollo de estos ligantes se ha puesto de manifiesto la importancia de la calidad de las materias primas y las condiciones de proceso utilizadas en su fabricación. Cabe destacar la gran influencia de la proporción y tipo de polvo de caucho empleado (granulometría y tamaño de partícula, composición, proceso de obtención, densidad, etc.), y del tiempo y condiciones de mezclado. Temperaturas elevadas, largos tiempos de mezclado y partículas más pequeñas de caucho producen interacciones mayores entre ambos componentes.

Limitaciones en el contenido y tipo de caucho, así como la posible necesidad de agitación en los tanques de almacenamiento, para garantizar la homogeneidad, son consecuencias directas del problema de la compatibilidad. La viscosidad del producto final también es un factor limitante para la dosificación, tipo de caucho y betún empleados, pues valores excesivos pueden llegar a hacer el producto inmanejable.

En Cepsa-Proas nos hemos centrado en fabricar betunes que cumplen los requisitos de estabilidad de almacenamiento exigidos en los pliegos de betunes modificados con polímeros, con el objeto de suministrar a nuestro clientes un ligante ‘listo para uso’, que pudiera almacenar en sus tanques sin necesidad de ser modificados, sin agitación, y con rangos de viscosidad adecuados para su manipulación sin problemas en las plantas de fabricación de mezclas asfálticas convencionales.

El desarrollo del betún-caucho

El polvo de neumático está constituido por caucho vulcanizado de estireno y/o caucho natural en proporción aproximada del 50%. Al tratarse de cauchos vulcanizados, su dispersión en el betún asfáltico es costosa y por ello se deben emplear elevadas temperaturas, y, en ocasiones, catalizadores que activen la despolimerización oxidativa del caucho y faciliten su incorporación al betún. Los neumáticos de camión presentan una mayor proporción de caucho natural que los neumáticos de turismo. Este caucho es más compatible que los cauchos sintéticos y dan por tanto mejores resultados.
Se han probado numerosos tipos de caucho, de diferentes orígenes y granulometrías, que dan diferentes resultados de estabilidad y propiedades. El mejor comportamiento se da para el polvo obtenido por trituración ambiental pues la partícula posee mayor superficie específica y por tanto es más reactiva. También se ha comprobado que un tamaño de partícula fino requiere menor tiempo de reacción y menor temperatura de mezclado, si bien su coste es más elevado. Por el contrario, una partícula más gruesa será más económica pero requiere mayor consumo en tiempo y energía para la modificación.
Para conseguir las propiedades de los betunes más modificados puede ser necesario una selección aún más cuidadosa del polvo de caucho y utilizar además otros aditivos, como polímeros elastoméricos.

Es posible conseguir por vía húmeda ligantes-caucho estables al almacenamiento, si bien depende mucho del tipo de polvo empleado y del proceso de fabricación. Es importante que los betunes presenten viscosidades inferiores a 3.000 mPa.s a 135º, para que sea viable su manipulación con medios convencionales.

Mejora de las propiedades de betún convencional

Un aspecto fundamental en el desarrollo de los betunes–caucho es la comprobación de las mejoras que aporta sobre los ligantes convencionales. Para ello se realizan diferentes ensayos, tanto empíricos como reológicos.

Como puede verse en la tabla 1, la adición de caucho al ligante convencional, en este caso un B35/50, produce un aumento del punto de reblandecimiento, teniendo consistencias a temperatura ambiente (penetración) similares. Esto implica una mejora en las propiedades del ligante (menor susceptibilidad térmica) y el comportamiento de la mezcla asfáltica a deformaciones plásticas. También se aprecia el mencionado aumento de la viscosidad, sin ser excesiva, que permite fabricar mezclas con mayores contenidos de ligante sin peligro de exudaciones y escurrimientos, resultando beneficiada la durabilidad de la carretera. Puede verse como en el caso de caucho no compatible, esas propiedades no son homogéneas en todo el producto, lo cual limita su aplicación.

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Tabla 1.

Realizando estudios más complejos, mediante la comprobación del comportamiento visco-elástico de los materiales usando un reómetro de corte directo a diferentes temperaturas y frecuencias de aplicación de carga, pueden confirmarse efectivamente diferencias entre los ligantes con y sin caucho. Por ejemplo, en el diagrama de Black (figura 1), que relaciona los módulos complejos de rigidez con el desfase (δ) entre la aplicación de la carga y la deformación encontrada, (a menor δ el material tendrá comportamiento más elástico y mayor recuperación de la deformaciones que sufra), se aprecia como para mismos valores de rigidez, el comportamiento del betún caucho es más elástico que el convencional.

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Figura 1.

Utilizando sólo los valores de la isócrona de frecuencia de aplicación de carga 1,59 Hz (simula tráfico a 90 km/h) (figura 2), se aprecia claramente como las propiedades viscoelásticas de ambos BC 35/50 son superiores al las del betún asfáltico de referencia, sobre todo en cuanto al ángulo de fase, menor en todo el rango de temperaturas, (comportamiento más elástico). A temperaturas intermedias, los valores de G* son menores que los del betún convencional (menos rígido y frágil y mejor comportamiento a fatiga), mientras que para temperaturas más altas los valores son mayores, además de tener mayor componente elástica, lo cual los hace comportarse mejor frente a deformaciones plásticas.

 

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Figura 2.

Conclusiones del estudio reológico

  • La caracterización reológica aporta mucha información sobre el comportamiento viscoelástico que cabe esperar de estos ligantes.
  • Los betunes caucho desarrollados cumplen las especificaciones exigidas. Todos los betunes mejorados con caucho (BC) estudiados tienen propiedades reológicas superiores a las de los betunes asfálticos de penetración similar. La elasticidad de los betunes se ve mejorada gracias a la presencia de polvo de neumático.
  • En la comparación de los betunes modificados con caucho estudiados con sus homólogos modificados con polímero, las características reológicas son similares.
  • En el caso de utilizar caucho no compatible, se evidencia diferencia de comportamiento entre partes superior e inferior de las muestras, lo que implica la necesidad, tal y como indica el Pliego de prescripciones técnicas de carreteras (PG3), de un sistema de agitación adecuado para evitar la separación de fases. De no hacerse así podría producirse un consumo no homogéneo en la calidad del producto, que podría derivar en problemas de residuos en el fondo de los tanques de almacenamiento, bombas con potencia no adecuada para manipular estos ligantes e irregularidades en la calidad de las mezclas asfálticas extendidas en carretera.
En conclusión, los ligantes asfálticos con caucho procedente de Neumáticos Fuera de Uso (NFU) suponen una alternativa totalmente viable desde el punto de vista técnico, que además aporta algunas mejoras a los ligantes convencionales utilizados habitualmente en la construcción de carreteras,

Referencias

  • Cedex. (2007). Manual de empleo de caucho de NFU en mezclas bituminosas. Centro de estudios del Transporte – Cedex, Madrid.
  • Jiménez, R.; Rubio, B.; García, J.; Pérez, I.; Colás, M. M. (2007). Caracterización reológica de un betún con caucho procedente de neumáticos fuera de uso. Ingeniería Civil, nº 148, pp. 97-108.
  • Ministerio de Fomento. (2007). Orden Circular 21/2007 sobre el uso y especificaciones que deben cumplir los ligantes y mezclas bituminosas que incorporen caucho procedente de neumáticos fuera de uso. Ministerio de Fomento, Madrid.

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