Materiales

Los materiales utilizados en este estudio son: asfalto, los polímeros SBS y RET, los cuales son comerciales y se utilizan comúnmente a nivel de laboratorio, y aceite de cocina reciclado, donado por un restaurante.

El material de partida se clasifica como AC-30 y PG 64-22 (S), con un punto de ablandamiento de 49.7 °C y una recuperación elástica del 1 %.

En el caso de los polímeros, estos fueron seleccionados de acuerdo con las mejoras que proveen al asfalto una vez incorporados. El poli(estireno-butadieno-estireno) o SBS es un elastómero conocido por ser un caucho duro. El material se encuentra en polvo con un tamaño de partícula promedio de 2 mm y con carbonato de calcio como antiadherente. La ficha del fabricante indica que posee un contenido de poliestireno del 30 % másico. Según lo estudiado, la dosificación de SBS utilizada puede llegar hasta aproximadamente un 8% (^{Airey, Singleton y Collop, 2002}). Por otro lado, se utilizó RET de alta reactividad y con diámetro promedio de 5 mm. Por lo general, se incorpora una dosificaciónentre 0.8 % y 1.8 % de la masa del asfalto utilizado y se recomienda que no sobrepase el 3 % (^{DuPont, 2011}).

En este proyecto se utilizó aceite de cocina reciclado proveniente de un restaurante, referido por lo general en la literatura como WCO. Utilizar un material de desecho es de gran provecho y más aun siendo de difícil disposición. Se seleccionó este aceite de desecho en específico ya que, a diferencia del aceite usado de automóvil, los residuos de comida o demás compuestos que se generan por su uso no afectan al asfalto en el que se va a utilizar (^{Golalipour, 2013}).

Modificación de Asfalto

Para la modificación se vertió una masa conocida de asfalto fluido en un recipiente caliente y se incorporó poco a poco el material modificante con agitación constante; tanto la rapidez de adición y la velocidad angular dependieron de la homogeneidad de la incorporación. El porcentaje de polímero a utilizar se eligió con base en la recomendación del fabricante. Adicionalmente, es necesario resaltar que el polímero RET requiere de la adición de ácido polifosfórico (PPA, por sus siglas en inglés).

Dependiendo del material utilizado se requiere el control de ciertas variables durante la modificación para garantizar una correcta incorporación. Además, algunos modificantes requieren un tiempo de reposo para garantizar los entrecruzamientos entre el asfalto y el polímero. Con base en la literatura (^{Airey et al., 2002}; ^{DuPont, 2011}; ^{Hidayah, Hainin, Hassan y Abdullah, 2013}; ^{Rodríguez, 2018}) y los resultados de la caracterización de los materiales, se establecen los tiempos y temperaturas de modificación para cada uno de los polímeros a utilizar. Esta información se muestra en la Tabla 1. Además del control del tiempo, la temperatura y la agitación, se realizan pruebas visuales para comprobar la correcta homogeneización de la mezcla. Cabe destacar que en las muestras que contienen una mezcla de polímero y aceite, se adicionó el WCO primero y una vez transcurrido el tiempo necesario para producir una mezcla homogénea, se agregó el polímero, dejándolo en agitación durante el tiempo correspondiente.

Por último, se acondicionaron las muestras, es decir, se sometieron los asfaltos a simulaciones de envejecimiento y oxidación conocidas como RTFO (del inglés Rolling Thin Film Oven) y PAV (del inglés Pressure Aging Vessel), respectivamente, para medir el PG completo, así como pruebas de desempeño como MSCR (del inglés Multiple Stress Creep and Recovery) y LAS (del inglés Linear Amplitude Sweep) a cada una de las muestras.

Diseño Experimental

Con el fin de encontrar un rango de dosificación de polímero adecuado que muestre una mejora en el desempeño del asfalto modificado al incorporarlo junto al WCO, se realizó un diseño experimental y análisis estadístico factorial de 2 niveles y 3 factores (Figura 1). Lo anterior permite evaluar el impacto del polímero utilizado, de la dosis de este y de la cantidad de aceite añadida al asfalto original. En total se trabajó con 12 muestras de las cuales 8 son necesarias para el análisis estadístico y 4 extras que corresponden a los puntos centrales de dosificación para cada polímero. A continuación, se detalla los modificantes añadidos a cada muestra:

Figura 1 Factores y niveles para el análisis estadístico factorial 

El análisis brindó información sobre la interacción entre el polímero modificante y el aceite rebajador. Las propiedades de los polímeros, sus beneficios y desventajas al ser incorporado al asfalto se conocen bien, sin embargo, no se conoce cómo interaccionaría cada uno de polímeros seleccionados al ser incorporados al asfalto previamente rebajado con WCO. Por esa razón, es de gran importancia utilizar un diseño experimental que permita concluir con certeza si los cambios en las variables medidas son estadísticamente significativos. Se realizó un análisis estadístico de las siguientes variables: límite superior del PG, R_{3.2 kPa} y N_f al 10 % de deformación. Los resultados se presentan en la siguiente sección.

Selección de materiales

Para cumplir con el objetivo de este proyecto, se requirió incorporar materiales que mejoren al asfalto en términos de elasticidad. Por lo tanto, el reto inicia en la selección de los materiales adecuados. Como se mencionó anteriormente, los materiales involucrados fueron el asfalto, dos polímeros y aceite de cocina reciclado. A continuación, se comentará el proceso de selección, las especificaciones de los materiales seleccionados y los resultados de las pruebas previas.

El barrido de amplitud lineal (LAS) indica que el asfalto soporta 11 ciclos de carga hasta alcanzar una deformación del 10 %. Estos resultados serán valores de partida para los siguientes análisis ya que se buscará alcanzar valores más favorables de elasticidad con la incorporación de los materiales en estudio.

Si bien los polímeros elegidos para el estudio promueven un comportamiento más elástico del asfalto una vez modificado, añadir polímero no suele tener un impacto en el límite inferior del grado de desempeño. Así que se buscaron distintas alternativas para lograr disminuir el límite inferior del PG y utilizar el polímero para aumentar el límite superior del PG. Con esto, se obtendría un asfalto con un PG más amplio, es decir, un mejor desempeño en un rango más amplio de temperaturas.

Las ceras o aceites para rebajar el asfalto pueden ser añadidos vírgenes o previamente usados con otro fin (reciclados).

Pruebas previas

En estudios previos se ha experimentado con distintos porcentajes de los polímeros SBS y RET con el asfalto AC-30. Así que, con base en esos datos, se decidió realizar el análisis con una dosificación mayor y otra menor a la utilizada en el país sin sobrepasar las dosificaciones recomendadas por los proveedores.

En cuanto al WCO, dado que se desconocía cuál sería su comportamiento al mezclarse con el asfalto nacional, se realizaron pruebas previas para definir cuáles porcentajes se utilizarían junto con el polímero en el análisis. Se modificaron muestras con 1 %, 3 %, 3.5 % y 4 %. En la Tabla 2 se muestran los resultados de PG para cada una de ellas.

El límite superior del PG disminuyó dos grados al incorporar el porcentaje de WCO mayor, lo cual debería ser fácilmente recuperable con la ayuda del polímero. Basado en este resultado, cualquiera de las 4 opciones es aceptable. La temperatura intermedia también se ve favorecida en todos los casos; esta disminuye de 25 °C a 19 °C para el mayor porcentaje de aceite utilizado de cocina.

La muestra con 3.5 % se consideró un buen aporte ya que consume más material de desecho sin afectar el desempeño del asfalto. En general, es el porcentaje más favorecido ya que logra bajar 2 grados del límite inferior, bajando solo 1 grado del límite superior. Es decir, no solo mueve el rango, sino que lo amplía.

De las pruebas previas se observa que el aceite de cocina reciclado podría ser capaz de ampliar el rango de temperatura a la que el asfalto presenta un buen desempeño al combinarlo con el polímero ya que, a la dosificación adecuada de WCO varía únicamente la temperatura baja de PG. Se considera relevante para el análisis estadístico utilizar 3.5 % y 4 % como alternativas de la cantidad de WCO incorporable.

Evaluación de respuestas reológicas

Una vez que se modificaron y se acondicionaron las 12 muestras, se midieron sus respuestas reológicas. Primero, se midió el PG completo de las muestras para verificar que se alcancen los grados de desempeño necesarios para suplir las necesidades del país con las dosificaciones planteadas. Utilizar únicamente el grado PG no siempre es un buen parámetro para evaluar el comportamiento de asfaltos modificados ya que solo detecta qué tan endurecido se encuentra el asfalto (^{Anderson, D’Angelo y Walker, 2010}). Por esta razón, se completó la evaluación con las pruebas de LAS y MSCR. Como se mencionó anteriormente, con el MSCR se busca determinar el comportamiento del material ante diferentes esfuerzos de forma tal que identifique su propensión a la deformación permanente. Así mismo, por medio del ensayo LAS se obtiene la resistencia a la fatiga del asfalto. A continuación, se detallará los resultados esperados de cada ensayo y los resultados obtenidos para luego discutirlos desde un punto de vista estadístico en la siguiente sección.

En términos de PG, lo ideal es que el asfalto soporte una temperatura alta en el límite superior el límite inferior ya que eso lo haría menos susceptible a deformación permanente a temperaturas altas y a fatiga a temperaturas bajas o intermedias. En la Tabla 3 se observa que los límites superiores más altos corresponden a las muestras con mayor cantidad de polímero. Esto quiere decir que, como se esperaba, el límite superior es manipulable con polímeros. No obstante, la temperatura intermedia y el límite inferior no se vieron afectados por la presencia del polímero, sino que el aceite añadido tiene un impacto suficiente para que domine en el desempeño del material a temperaturas bajas.

Si bien no se logró superar el valor inicial para el límite superior con las modificaciones por haber utilizado el WCO, se alcanzó el PG 70 y se baja hasta dos grados el límite inferior. Es decir, el rango de temperaturas del PG no se traslada al agregarle el polímero, como sucede comúnmente, sino que al añadir el aceite junto con el polímero se amplía el rango de temperaturas a las cuáles se garantiza un buen desempeño del material. Esto sucede para las muestras 3 y 6 que contienen la mayor proporción de RET añadido a con 3.5 % y 4 % de WCO, respectivamente.

De los resultados obtenidos también se infiere que el SBS se ve afectado por la presencia del WCO. El comportamiento para el límite superior se reduce un grado PG en comparación con las modificaciones con RET. Este comportamiento se evidenciará en los resultados de los posteriores ensayos.

Los resultados de MSCR para las muestras modificadas con RET (Tabla 4) y SBS (Tabla 5) refuerza los resultados anteriores. Las muestras clasificadas como aceptables bajo los criterios de conformidad y que, por ende, muestran una mayor resistencia al ahuellamiento y la deformación permanente son las muestras 2, 3 y 6. Estas muestras con una buena resistencia a la deformación poseen una clasificación de tránsito vehicular pesado (H) y muy pesado (VH) referido a un tránsito de entre 3 y 10 millones de ejes equivalentes y entre 10 y 30 millones de ejes equivalentes, respectivamente. Esto significa que el asfalto es resistente y estable al someter carga.

Por otro lado, para el caso del SBS, nuevamente se obtuvieron resultados desfavorables. El porcentaje de recuperación elástica a 3.2 kPa para el asfalto original era de 1.7 % y los resultados para el asfalto modificado con SBS son muy cercanos a estos valores. De igual manera, la fluencia no recuperable del asfalto original (2.5 kPa^-1) es aún menor que para algunas de las muestras de la Tabla 5. Por lo tanto, estos resultados descartan nuevamente la posibilidad de utilizar las muestras 7 - 12.

Por último, el ensayo del barrido de amplitud lineal es indicativo de la resistencia a la fatiga que va a experimentar el material al evaluar los siguientes parámetros. El coeficiente A debe ser un valor alto y B lo más cercano a cero para garantizar que el asfalto tenga una mayor resistencia a la fatiga. Esto se traduce en un N_f mayor, es decir, que el asfalto soporte una mayor cantidad de ciclos antes de alcanzar una deformación del 10 %, que debido a este aumento esto se traduciría en un incremento en el desempeño mecánico de la carpeta. De acuerdo con los resultados obtenidos (Tabla 6), las muestras 3 y 6 se ven favorecidas por la modificación.

El asfalto original soporta 142 ciclos antes de fatigarse con una deformación del 10 %, por lo tanto, todas las muestras soportan mínimo 3.6 veces más ciclos que el asfalto original. El SBS es conocido por mejorar el asfalto en términos de flexibilidad a bajas temperaturas. Sin embargo, tomando en cuenta los resultados insatisfactorios que ha tenido el SBS al ser incorporado junto al WCO, se afirma que los beneficios obtenidos son resultado de la presencia del WCO Este tiende a distribuir el esfuerzo dentro del ligante y por ende aumenta su habilidad de relajación. Al acumular menos tensión, aumenta la cantidad de ciclos que soporta el material antes de fatigarse y se reduce la tendencia a fisuras.

La modificación con SBS consiste en la formación de una red tridimensional altamente elástica en el ligante donde los bloques de PS forman entrecruzamientos físicos por fuerzas intermoleculares, entre el asfalto y el polímero. En este caso se usó un SBS radial así que la molécula cuenta con una cantidad mayor de puntos de entrecruzamiento, pero más impedimento estérico. Por lo tanto, un asfalto modificado con SBS radial posee una mayor viscosidad, mayor punto de ablandamiento y se le dificulta más la incorporación del polímero al asfalto (^{Hunter, Self y Read, 2015}). Se ha propuesto que algunos de los componentes del asfalto se introducen en la red polimérica y esta aumenta volumétricamente de 6 a 9 veces su tamaño inicial (^{Airey et al., 2002}); y una vez que se enfría, los bloques de PS se reacomodan formando la red (^{Pay, 2017}). Cuando aumenta volumétricamente su tamaño, este absorbe los componentes aceitosos del asfalto, los maltenos. Al estar presente el WCO antes de incorporar el SBS, se infiere que el polímero tuvo más afinidad por el aceite y no por el asfalto, lo que evitó que se formara la red con este último. Lo anterior explicaría la respuesta desfavorable que tuvieron las muestras modificadas con este polímero y WCO.

Se concluye que las muestras que mejoran el asfalto de forma más significativa son la 3 y la 6. Todas corresponden a modificaciones con RET, a la mayor dosificación de polímero evaluada. La diferencia de 0.5% en las dosificaciones de WCO no causó gran impacto en las modificaciones. Sin embargo, las muestras con alto porcentaje de polímero y mayor cantidad de WCO eran más trabajables que su homólogo con menos WCO.

Análisis estadístico

El análisis estadístico factorial permite determinar la importancia de los factores como el polímero utilizado, la dosificación de polímero y la dosificación de WCO sobre la respuesta mecánica del material. Las variables de respuesta analizadas son la temperatura del límite superior del PG, el porcentaje de recuperación elástica a 3.2 kPa y el número de ciclos que soporta el material antes de llegar a una deformación del 10%, también conocido como vida de fatiga. De esta forma, se mejorará las recomendaciones en cuanto al tipo de material y las dosificaciones apropiadas para las carreteras nacionales.

Se comprueba con un 95% de confianza que el polímero escogido genera la mayor diferencia en los resultados tanto para deformación permanente como para fatiga. En este caso, la gran diferencia se debe a que la interacción entre el asfalto y el SBS se vio afectada por la afinidad que tiene el polímero por el aceite. Por lo tanto, el SBS no formó los entrecruzamientos esperados con el asfalto y se vio beneficiado el RET en todos los casos. A parte de eso, otros resultados importantes son que el cambio en la cantidad de WCO añadida afectó únicamente en términos de deformación permanente y que la cantidad de polímero utilizado es más importante en relación con el PG. Dicho comportamiento se asemeja al visto en las modificaciones de los materiales por separado, es decir, asfalto modificado únicamente con polímero o con WCO.

Definición de rangos de dosificación para alcanzar los PG requeridos

Las carreteras nacionales alcanzan temperaturas máximas de 64 °C. Sin embargo, si a eso se le suma los distintos volúmenes de tránsito de ciertas zonas del país, se requieren asfaltos: PG 58, PG 64, PG 70 y PG 76 (^{Elizondo et al., 2013}). Por otro lado, la temperatura más baja que alcanza el pavimento en el país es de 4 °C. Es decir, en el país no se esperan problemas de fisuramiento por baja temperatura. Sin embargo, menores temperaturas en el límite inferior e intermedio del PG refleja también mejoras en el desempeño en términos de fisuramiento por fatiga ya que se disipan mejor las cargas en el material. El asfalto tendría una vida más larga ya que tiene que oxidarse mucho más antes de alcanzar valores críticos para su desempeño. Por lo tanto, es beneficioso utilizar una temperatura baja e intermedia de PG menores a las que se reportan para el asfalto nacional.

En la Tabla 7 se presentan los rangos de dosificación de WCO y polímero recomendados para alcanzar las temperaturas altas de PG requeridos en el país. Estos rangos se definen en base a los resultados obtenidos y analizados a lo largo de este proyecto.

La modificación del asfalto involucra un gasto mayor. Sin embargo, en casos que requieran un grado de desempeño menor al base, se considera que la adición de aceite resulta beneficiosa ya que con este estudio se comprobó que al añadir WCO hay un aumento en los ciclos que soporta el asfalto antes de fatigarse y estudios afirman que mejoran la adhesión entre el asfalto y el agregado en la mezcla (^{Airey et al., 2002}).

Además, se observó que la mezcla de polímero y aceite produce asfaltos aptos para cargas vehiculares mayores. Por ejemplo, el asfalto base comúnmente utilizado en el país tiene una clasificación PG 64-22 y soporta una carga vehicular estándar (S), no obstante, si se modifica con 1 % RET, 0.2 % PPA y 3.5 % WCO, además de mejorar la recuperación elástica, el asfalto soportará cargas muy pesadas (VH).

Las muestras con las dosificaciones seleccionadas como las mejores opciones para suplir las necesidades del país no están conformes a las especificaciones para asfaltos modificados según el Manual de Especificaciones Generales Para la Construcción de Carreteras, Caminos y Puentes CR-2010; como se muestra en la Tabla 7. Sin embargo, como se reportó en secciones anteriores, ensayos reológicos más modernos y específicos indican que hay una mejora considerable y beneficiosa con las modificaciones realizadas. Los datos obtenidos con el MSCR determinan que las modificaciones alcanzan los niveles de recuperación elástica y deformación permanente aceptables, además, se alcanzan los grados de desempeño (PG) deseados y se obtiene una resistencia a la fatiga aún mayor que modificaciones con solo polímero. Por lo tanto, se recomienda una actualización de los criterios de conformidad utilizados en el país para la evaluación de asfaltos modificados.

Impacto económico

La adición de estos materiales significa un aumento en el costo de la carretera. En general, se estima que el aumento en los costos es de entre (40 - 45) % del costo del galón de asfalto. Y como en las mezclas se requiere alrededor de un 6 % de ligante, el aumento resulta en un 8 % del costo de la carretera. No obstante, estos costos representan una inversión, ya que la mejora en el desempeño del asfalto se ha estimado que aumenta la vida útil en un (20 - 30) %, lo que hace que se requieran mantenimientos más distanciados (^{Trigueros y Muñoz, 2014}). Por otro lado, con la incorporación del aceite se obtienen ganancias en cuanto a la huella de carbono por el uso de material de desecho, en pocas palabras, es un modificante de bajo costo que mostró lograr la disminución en la temperatura baja del PG sin tener afectación en la temperatura alta, esto sin mencionar que es un material de desecho de difícil disposición. El aceite disminuye el punto de ablandamiento y la temperatura de compactación, es decir, se requiere menos diésel en el proceso de producción. Además, se podría hacer la mezcla aún más sostenible si se utilizara plástico reciclado en lugar de polímero virgen.