Revista Ingeniería de Construcción Vol. 25 No. 1, pag. 83-94

Evaluación de las propiedades mecánicas de una mezcla densa en caliente modificada con un desecho de polietileno de baja densidad (PEBD)

 

Hugo Rondón Quintana1* , Wilmar Fernández Gómez*, William Castro López*

* Universidad Distrital Francisco José de Caldas, D.C. COLOMBIA

---

Resumen

El artículo presenta los resultados experimentales de ensayar una mezcla asfáltica densa en caliente tipo MDC-2 (acorde con las especificaciones del Instituto Nacional de Vías - INVIAS, 2007) modificada con un desecho de polietileno de baja densidad (PEBD). Para la evaluación del comportamiento de las mezclas asfálticas convencionales (sin aditivo) y modificadas se realizaron ensayos Marshall, módulo dinámico, deformación permanente y resistencia a fatiga. Las mezclas fueron elaboradas con un cemento asfáltico (CA) producido en Colombia tipo CA 80-100. Al CA con y sin aditivo se realizaron ensayos de caracterización de asfaltos como penetración y punto de ablandamiento. La modificación de las mezclas se realizó por vía húmeda. Las mezclas modificadas con desecho de PEBD experimentan mayor rigidez (bajo carga monotónica y cíclica) y resistencia a la deformación permanente en comparación con las convencionales. Sin embargo la resistencia a fatiga de las mezclas convencionales disminuye cuando se adiciona PEBD al CA. Adicionalmente el CA modificado presenta mayor resistencia a la penetración, mayor punto de ablandamiento y menor susceptibilidad térmica a fluir que el convencional.

Palabras Clave: Polietileno de baja densidad, PEBD, asfalto modificado, mezcla densa en caliente, resistencia mecánica

---

 

1. Introducción

La tecnología de los asfaltos y las mezclas asfálticas modificadas ha sido una técnica ampliamente estudiada y utilizada en el mundo. Con la adición de polímeros al asfalto se modifican las propiedades mecánicas, químicas y reológicas de las mezclas asfálticas. Cuando se utiliza esta tecnología se pretende mejorar el comportamiento que experimentan las mezclas tradicionales cuando son sometidas a diferentes condiciones de carga y del medio ambiente. Por lo general las propiedades que se intentan mejorar son la rigidez,

la resistencia bajo carga monotónica, al ahuellamiento, a fatiga, al envejecimiento, y disminuir la susceptibilidad térmica.

La mayor parte de las investigaciones realizadas en el área de los asfaltos modificados utilizan como agentes modificadores polímeros del tipo elastómero (McQuillen et al., 1988; Stastna et al., 2000; Chen et al., 2002; Lee et al., 2008; Olivares et al., 2009; estados del conocimiento sobre el tema pueden ser consultados en Papagiannakis & Lougheed, 1995; Copeland, 2007; Yildirim, 2007 y para el caso colombiano en Rondón et al., 2008). Este tipo de aditivos al ser agregados al asfalto mejoran principalmente el comportamiento resiliente (recuperación elástica) de las mezclas cuando son solicitadas a ciclos de carga y descarga especialmente a altas temperaturas de servicio. En este estudio se propone modificar el cemento asfáltico con un polímero del tipo plastomérico, utilizando un desecho de polietileno de baja densidad (PEBD) obtenido del reciclaje de palillos utilizados para mezclar bebidas calientes. Este aditivo se escogió debido principalmente a:

•  Este tipo de polímero (plastómero) generalmente produce un incremento en la resistencia mecánica de las mezclas a altas temperaturas debido a que el asfalto se rigidiza.

•  Es un material de alta resistencia térmica y química.

•  De acuerdo con Reyes y Figueroa (2008), en Bogotá D.C. diariamente se producen alrededor de 600 toneladas de basuras de las cuales el 10% aproximadamente son plásticos y el consumo per capita de estos materiales en Colombia es de 11.3 kg anuales. De este 10% gran parte proviene de desechos de PEBD el cual puede ser utilizado para modificar las propiedades de mezclas asfálticas y así disminuir el impacto ambiental negativo que generan.

El artículo presenta los resultados experimentales de ejecutar ensayos sobre una mezcla asfáltica densa en caliente tipo MDC-2 (utilizada como capa de rodadura asfáltica de acuerdo al Instituto Nacional de Vías - INVIAS, 2007) modificada con un desecho de PEBD. Para la elaboración de las mezclas y la evaluación de las mismas fue modificado un cemento asfáltico (CA) tipo CA 80-100 proveniente de la Refinería de la Empresa Colombiana de Petróleos - ECOPETROL ubicada en la ciudad de Barrancabermeja (Colombia). El desecho de PEBD se adicionó al CA por vía húmeda a una temperatura adecuada y controlando el tiempo de mezcla para garantizar su homogeneidad.

Para la evaluación de la resistencia mecánica bajo carga monotónica de las mezclas asfálticas convencionales y modificadas se empleó el ensayo Marshall y para el CA con y sin aditivo se realizaron ensayos de penetración y punto de ablandamiento. Con el fin de evaluar el comportamiento de las mezclas bajo carga cíclica se realizaron ensayos de módulo dinámico, deformación permanente medida en la dirección vertical y resistencia a fatiga. Si esta técnica de modificación fuera implementada a nivel industrial, para producir el CA modificado con PEBD es necesario contar con los mismos equipos que se utilizan para producir asfalto-caucho (p.e., IDU, 2009):

• Tolva para almacenamiento del desecho de PEBD que lo conserve libre de humedad y de materiales contaminantes.

• Tanque de reacción capaz de mantener la temperatura de mezcla entre el CA y el PEBD. Adicionalmente debe ser capaz de variar la velocidad de mezcla con el fin de garantizar la homogeneidad del asfalto-PEBD.

• Alimentadores de CA y PEBD calibrados de tal forma que garanticen la proporción de volumen y masa adecuados de CA y PEBD.

2. Metodología

Al agregado pétreo empleado para la elaboración de las mezclas asfálticas se le realizaron los siguientes ensayos, siguiendo las especificaciones del Instituto Nacional de Vías (2007a): Análisis granulométrico de agregados gruesos y finos (INV. E-213), peso específico y absorción de agregados finos (INV. E-222), peso específico y absorción de agregados gruesos (INV. E-223), resistencia al desgaste de los agregados (tamaños menores de ³A") por medio de la máquina de Los Angeles (INV. E - 218), partículas fracturadas (INV. E-227), ensayo para medir el equivalente de arena (INV. E-133), índice de alargamiento aplanamiento (INV. E-230), Pérdida en ensayo de solidez utilizando sulfato de magnesio (INV. E-220), Micro Deval (INV. E-238) y 10% de finos (INV. E-224). Los resultados de estos ensayos se presentan en la Tabla 1 y se observa que los valores cumplen con los requisitos mínimos de calidad exigidos por las especificaciones INVIAS (2007) para fabricar mezclas tipo MDC-2 para capas de rodadura.

Al cemento asfáltico se le realizaron los ensayos típicos que exige la especificación INVIAS (2007a) para caracterizarlos como son (ver Tabla 2): penetración, viscosidad absoluta, ductilidad, solubilidad en tricloroetileno, contenido de agua, punto de ablandamiento (anillo y bola) y ensayos al residuo luego del ensayo de película delgada en horno rotatorio (RTFOT por sus siglas en inglés).

Tabla 1. Caracterización de los agregados

Tabla 2. Características generales del cemento asfáltico CA 80-100

El desecho de polietileno fue obtenido del reciclaje de palillos de coloración blanca que son utilizados para mezclar bebidas calientes en empresas (ver Figura 1), y presenta una densidad de 0.92 g/cm³. Los palillos fueron cortados de tal forma que sus dimensiones pasaran el tamiz No. 4 y fuera retenido en el No. 10 de un ensayo de granulometría.

Luego de realizar los ensayos al agregado pétreo y al cemento asfáltico (CA), se mezcló por vía húmeda el CA y el desecho de polietileno (PEBD) en relaciones de PEBD/CA=1.0, 3.0, 5.0 y 7.5% a una temperatura entre 145+ 5°C. Esta temperatura fue escogida debido a que por encima de la misma el CA experimenta envejecimiento por pérdida de componentes químicos por oxidación, y por debajo, el mezclado se dificulta especialmente cuando el contenido de PEBD es alto.

Los tiempos de mezclado variaron entre 30 a 55 minutos para PEBD/CA=1.0 y 7.5% respectivamente. Sobre el cemento asfáltico modificado se realizaron ensayos de penetración (a la temperatura estándar de 25°C) y punto de ablandamiento. Adicionalmente se realizaron ensayos de viscosidad con el fin de determinar las temperaturas de mezcla y compactacion para la fabricación de las mezclas (Tabla 3).

Figura 1. Palillos reciclados de PEBD

Tabla 3. Temperaturas de mezcla y compactacion para relaciones de PEBD/CA=0.0, 1.0, 3.0, 5.0 y 7.5%

Las muestras de mezcla asfáltica tipo MDC-2 (briquetas) se fabricaron del tipo Marshall (compactadas a 75 golpes por cara) utilizando los valores promedios en porcentajes de la franja granulométrica que exige la especificación INVIAS (2007). Las briquetas se fabricaron utilizando relaciones de PEBD/CA=0.0 (denominadas convencionales), 1.0, 3.0,5.0%. No se elaboraron muestras con PEBD/CA=7.5% debido a que las temperatura de mezcla y compactacion son elevadas (165 y 160°C), lo que genera un rápido envejecimiento del ligante asfáltico durante su fabricación y dificultad en los procesos de construcción de la mezcla en obra.

Inicialmente se realizó el ensayo Marshall sobre las mezclas convencionales empleando porcentajes de asfalto de 4.5, 5.0, 5.5 y 6.0%, con el fin de realizar el diseño Marshall para determinar el contenido óptimo de asfalto. El ensayo realizado a la mezcla asfáltica fue el de resistencia de mezclas bituminosas empleando el aparato Marshall (INV. E - 748) y el diseño fue realizado con base en los criterios presentes en el artículo 450-07 de las especificaciones generales de construcción del INVIAS (2007) (ver Tabla 4). El porcentaje óptimo de cemento asfáltico de acuerdo con los datos de la Tabla 4 es de 5.5%. En este porcentaje se están cumpliendo, los requisitos mínimos exigidos por la especificación INVIAS (2007) para MDC-2 y tránsitos tipo NT3 (altos volúmenes).

Tabla 4. Resumen del ensayo Marshall para mezcla asfáltica convencional MDC-2

Luego de realizar el diseño de mezcla se fabricaron muestras de mezcla asfáltica tipo MDC-2 empleando relaciones de PEBD/CA=1.0, 3.0, 5.0%. El contenido de CA utilizado para la fabricación de estas muestras fue de 4.5, 5.0, 5.5, 6.0 y 6.5%. Sobre estas muestras se realizó el ensayo Marshall para evaluar las propiedades de las mismas bajo carga monotónica y comparar los resultados con aquellos que experimentaron las mezclas convencionales (presentados en la Tabla 4).

Con los resultados obtenidos del ensayo Marshall se determinó un porcentaje de cemento asfáltico y aditivo (PEBD) con base principalmente en el máximo valor de la relación estabilidad - flujo (llamada por algunos investigadores como rigidez Marshall; esta relación físicamente puede ser entendida como una resistencia mecánica evaluada en el estado de falla de las mezclas, bajo carga monotónica en un ensayo de tracción indirecta). Con el valor de CA y PEBD se fabricaron nuevas briquetas para realizar los ensayos de módulo resiliente (INV. E 749), resistencia a la deformación permanente de mezclas asfálticas (EN 12697-22, CEN, 2000, que es uno de los ensayos de carácter internacional que permiten las normas de ensayos de materiales en Colombia de acuerdo al artículo 450-07 del INVIAS, 2007) y resistencia a fatiga.

El módulo resiliente fue obtenido bajo tres temperaturas (10, 20 y 30°C) y frecuencias de carga diferentes (2.5, 5.0 y 10.0 Hz) utilizando un equipo Nottingham Asphalt Tester (NAT). Las muestras para determinar el módulo fueron ensayadas bajo carga cíclica en tracción indirecta. El ensayo de resistencia a la deformación permanente bajo carga repetida fue realizado bajo un esfuerzo de 100 kPa y a 3600 ciclos de carga.

La resistencia a fatiga de las mezclas convencionales y modificadas se evaluó para una temperatura ambiente promedio de 16°C siguiendo el procedimiento establecido por el ensayo de viga trapezoidal en voladizo y dos puntos estipulado por la especificación francesa NFP 98-260. La frecuencia de ensayo fue de 10 Hz. El tipo de carga utilizado en el ensayo fue el de deformación controlada, el cual de acuerdo con Epps y Monismith (1972) y Di Benedetto y De la Roche (2005), es el más representativo para describir la carga que ocurre en campo. Las muestras trapezoidales fueron fabricadas de tal forma que presentaran la misma densidad que reportaron los especímenes del ensayo Marshall. Las dimensiones de las muestras fueron de B=7.5 cm, b=2.5 cm, H=25 cm y e=2.5 cm.

3. Resultados y análisis

Ensayo Marshall. En la Tabla 5 se presentan los valores de estabilidad (E), flujo (F) y E/F para las mezclas modificadas con PEBD/CA=1.0, 3.0, 5.0% y CA=4.5, 5.0, 5.5, 6.0 y 6.5%. Estos resultados son presentados gráficamente en las Figuras 2-4.

En las Figuras 2-3 se evidencia que la mayor resistencia bajo carga monotónica y rigidez se obtiene cuando se adiciona al 5.0% de CA una relación de polímero y aditivo (PEBD/CA) de 5.0%. Las mezclas modificadas experimentan con este contenido de PEBD y CA un aumento del 36% en la estabilidad y 24% en la relación E/F con respecto a las convencionales. En este contenido de CA el incremento en estabilidad disminuye a medida que decrece la cantidad de PEBD. Para cualquier porcentaje de CA, la relación E/F es independiente del contenido de PEBD adicionado al asfalto. Valores inferiores o superiores al 5.0% de CA generan disminución en la resistencia de las mezclas modificadas debido a que en este rango las mismas experimentan mayor deformación bajo carga (ver Figura 4).}

Tabla 5. Evolución de los parámetros de resistencia bajo carga monotónica de las mezclas asfálticas modificadas

Figura 2. Evolución de E con el contenido de CA y PEBD/CA

Figura 3. Evolución de E/F con el contenido de CA y PEBD/CA

Figura 4. Evolución de F con el contenido de CA y PEBD/CA

Módulo dinámico, deformación permanente y resistencia a fatiga.

En las Figuras 5-6 se presenta la evolución del módulo resiliente y la deformación permanente en la dirección vertical de las mezclas asfálticas convencionales y modificadas con PEBD/CA=5.0% y CA=5.0%. Como se mencionó en la metodología, este contenido de CA y PEBD/CA fue escogido debido a que en este rango de asfalto y polímero la mezcla modificada experimenta la máxima resistencia bajo carga monotónica. Se observa un incremento típico del módulo cuando se aumenta la frecuencia de carga y disminuye la temperatura del ensayo. La rigidez y la resistencia a la deformación permanente de la mezcla modificada son mayores que las convencionales. El módulo resiliente de las mezclas modificadas incrementa entre 25 a 65% con respecto a las convencionales. El máximo incremento en rigidez (65%) lo experimentan las mezclas sometidas a la mayor temperatura del ensayo (30°C).

La deformación permanente disminuye en 40% cuando se modifica la mezcla asfáltica con PEBD. Adicionalmente se observa que la mezcla convencional no cumple el valor máximo de deformación que se exige para el ensayo realizado, el cual es de 1.0% medido a 3x10³ ciclos de carga. Sin embargo, cuando se modifican las mezclas con PEBD el valor es ligeramente inferior al permitido. Este aumento en rigidez y resistencia a la deformación permanente se debe a que con la incorporación del PEBD al CA se obtiene un material más rígido tal como se observa en el subcapítulo siguiente.

Figura 5. Evolución del módulo resiliente vs. Porcentaje de PEBD para mezclas modificadas MDC-2 empleando CA 80-100

Tabla 6. Evolución de la deformación permanente

En la Figura 6 a y b se presentan las leyes de fatiga de las mezclas convencionales y modificadas respectivamente. Se muestra la evolución de la amplitud de la deformación a tracción aplicada £_t) durante el ensayo contra el número de ciclos de carga (N). De los ensayos de fatiga se obtiene que la mezcla convencional disminuye su resistencia a fatiga entre un 13 y 32% cuando se modifica con PEBD. Lo anterior es debido al aumento en rigidez que experimenta el CA y la mezcla cuando se adiciona el PEBD tal como ha sido reportado ampliamente por otros investigadores que han ejecutado este tipo de ensayos bajo deformación controlada (p.e., Epps y Monismith, 1972; Di Benedetto y De la Roche, 2005). La amplitud de la deformación necesaria para que las mezclas fallen por fatiga en N=10⁶ £₆) y la pendiente de la ley de fatiga (b) (valores necesarios para realizar el dimensionamiento de pavimentos por el Método Racional del Instituto de Desarrollo Urbano - IDU y la Universidad de Los Andes, 2002) de las mezclas se presenta en la Tabla 7.

Figura 6. Leyes de fatiga para a) mezcla convencional y b) mezcla modificada

Tabla 7. Valores de los parámetros£₆ y b T

Caracterización del cemento asfáltico. En la Figura 7 se observa que el asfalto modificado presenta una resistencia a la penetración superior con respecto al convencional para cualquier porcentaje de CA y PEBD, y aumenta conforme se incrementa la adición de PEBD al CA. El punto de ablandamiento incrementa cuando se adiciona por vía húmeda PEBD al CA (Figura 8). El incremento en la viscosidad (presentado en la Tabla 3), resistencia a la penetración y el punto de ablandamiento de los asfaltos modificados con PEBD permiten predecir menor ahuellamiento de las mezclas a altas temperaturas de servicio en comparación con las convencionales. Este incremento es debido principalmente a que el desecho de PEBD es un polímero plastomérico que presenta una mayor rigidez que el CA.

Figura 7. Evolución de la penetración con la adición de PEBD al CA

Figura 8. Evolución del punto de ablandamiento con la adición de PEBD al CA

4. Conclusiones

En el artículo se presenta la influencia que tiene, sobre las propiedades mecánicas bajo carga monotónica y cíclica de una mezcla asfáltica tipo MDC-2, adicionar un desecho de PEBD al cemento asfáltico. En general, las mezclas asfálticas modificadas con desecho de PEBD tienden a poseer un comportamiento rígido. A bajas temperaturas de servicio estas mezclas pueden tener un comportamiento frágil, llevando a pensar que tendrían un mejor desempeño en climas cálidos.

Cuando se modifica la mezcla asfáltica con PEBD la resistencia bajo carga monotónica incrementa notablemente. De la misma forma la rigidez bajo carga cíclica y la resistencia a la deformación permanente aumenta. Los mayores incrementos en rigidez bajo carga cíclica se obtienen cuando la temperatura del ensayo aumenta.

Lo anterior permite prever que el desecho de PEBD como modificador de asfaltos puede ser un material que permita mejorar las características de rigidez y resistencia a las deformaciones permanentes de mezclas que sean utilizadas en climas cálidos. Sin embargo este aumento en rigidez condujo a una reducción en la resistencia a fatiga entre 12 a 32% cuando la temperatura del ensayo fue de 16°C.

La resistencia que tienen los asfaltos modificados a fluir es mayor con respecto al convencional. Los valores de penetración y punto de ablandamiento del asfalto modificado permiten predecir menor ahuellamiento a altas temperaturas de servicio en comparación con los convencionales.

Con los resultados obtenidos, se recomienda la modificación de CA con desecho de PEBD en zonas con condiciones de temperaturas medias anuales promedios (TMAP) altas. El incremento en viscosidad y rigidez del ligante y la mezcla asfáltica modificada permiten prever su utilización en vías para altos volúmenes de tránsito y/o zonas con TMAP elevadas donde se presenten problemas de ahuellamiento.

Las fases futuras del proyecto deben medir propiedades como reología y envejecimiento a corto y largo plazo de los asfaltos. Adicionalmente para entender los cambios que ocurren en las propiedades físicas y mecánicas de las mezclas modificadas es necesario evaluar los cambios que experimentan las propiedades químicas de las mismas.

7. Referencias

Committee European of Normalization - CEN (2000), Bituminous mixture test methods for hot mix asphalts - Part 25: Cyclic compression tests.

CopelandA. R., Youtcheff Jr, J.Sand ShenoyA. (2007), Moisture Sensitivity of Modified Asphalt Binders: Factors Influencing Bond Strength. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, Issue number 1998,18-28.

Chen J-S., Liao M-C. and Shiah M-S. (2002), Asphalt modified by Styrene-Butadiene-Styrene triblock copolymer: morphology and model. Journal of Material in Civil Engineering, Vol. 14, Issue 3,

Di Benedetto H. and De la Roche C. (2005), State of the Art on Stiffness Modulus and Fatigue of Bituminous Mixtures. Report RILEM No. 17 Bituminous binders and mixes: State of the art and interlaboratory test on mechanical behavior and mix design, L. Francken, ed., E and FN Spon, London, 97-123.

Epps J. A. and Monismith C. L. (1972), Fatigue of Asphalt Concrete Mixtures - Summary of Existing Information. Fatigue of Compacted Bituminous Aggregate Mixtures, ASTM STP 508, American Society for Testing and Materials, 19-45.

Instituto de Desarrollo Urbano- IDU. (2009), Especificación Técnica Para la Aplicación del Grano de Caucho Reciclado (GCR) en Mezclas Asfálticas en Caliente (Vía Húmeda). Bogotá D.C., Colombia.

Instituto de Desarrollo Urbano - IDU y Universidad de Los Andes. (2002), Manual de Diseño de Pavimentos para Bogotá. Bogotá D.C., Colombia.

Instituto Nacional de Vías - INVIAS. (2007), Especificaciones generales de Construcción de carreteras. Bogotá D. C.

Instituto Nacional de Vías - INVIAS. (2007a), Normas de Ensayos de Materiales para Carreteras. V. I y II. Bogotá D.C., INVIAS.

Lee S-J., Amirkhanian S-N., Shatanawi K. and Thodesen C. (2008), Influence of compaction temperature on rubberized asphalt mixes and binders. Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 35, No. 9, 908-917.

McQuillen J. L., Takallou H. B., Hicks R. G. and Esch D. (1988), Economic Analysis of Rubber-Modified Asphalt Mixes. Journal of Transportation Engineering, Vol. 114, No. 3, 259-277.

Olivares F., Schultz B., Fernández M. and Moro B. (2009), Rubber-modified hot-mix asphalt pavement by dry process. International Journal of Pavement Engineering, Vol. 10, Issue 4, 277-288.

Papagiannakis A. T. and Lougheed T. J. (1995), A review of crumb-rubber modified asphalt concrete technology. Research report for project T9902-09 "Rubber-Asphalt Study", Washington State Transportation Commission and U. S. Department of Transportation.

Reyes F. A. y Figueroa A. F. (2008), Uso de desechos plásticos en mezclas asfálticas - Síntesis de la investigación colombiana. Editorial Pontificia Universidad Javeriana, Bogotá D.C. (Colombia), 103 p.

Rondón H. A., Reyes F.A., Figueroa A. S., Rodríguez E., Real C. M. and Montealegre T. A. (2008), Mezclas asfálticas modificadas en Colombia. Revista Infraestructura Vial, No. 19,12-21.

Stastna J., Zanzotto L. and Vacin O. (2000), Damping of shear vibrations in asphalt modified with styrene-butadiens-styrene polymer. Transportation research record, Annual Meeting of the Transportation Research Board, No. 1728,15-20.

Yildirim Y. (2007), Polymer modified asphalt binders. Construction and Building Materials, Vol. 21, Issue 1, 66-72.

Fecha de recepción: 01/ 03/ 2010
Fecha de aceptación: 25/ 03/2010

1Autor de correspondencia : E-mail: harondonq@udistrital.edu.co