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La Clave | Investigación aplicada en la ingeniería 2
Rejuvenecedores embebidos en áridos porosos
Un nuevo camino hacia el mantenimiento preventivo y mejora de la durabilidad de nuestras carreteras
Raquel Casado Barrasa
División Innovación Tecnológica, Acciona Construcción.
Pedro Lastra González
Grupo de Investigación de Tecnología de la Construcción (GITECO), E. T. S. Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Universidad de Cantabria.
Las mezclas bituminosas son el material más utilizado para la construcción de los firmes; sin embargo, a pesar de su excelente comportamiento, empiezan a envejecer con el paso del tiempo, limitando su vida útil. Por este motivo, aumentar la durabilidad de los firmes es uno de los retos que se nos presenta en la actualidad. La encapsulación de rejuvenecedores asfálticos es una solución innovadora dirigida a compensar el envejecimiento, aumentando así la durabilidad de los firmes. Este método utiliza áridos porosos como medio portador del rejuvenecedor. A diferencia de las cápsulas tradicionales en las que el rejuvenecedor se libera de una vez tras la rotura de la cápsula, este método presenta la ventaja de ser una solución a largo plazo, pues permite la liberación del rejuvenecedor de los poros de los sustratos porosos gradualmente a medida que avanza el envejecimiento de los firmes. Además, los resultados de las propiedades mecánicas de las mezclas bituminosas con cápsulas incorporadas indican que son capaces de resistir al proceso de fabricación y compactación de las mezclas, ya que no se encontraron diferencias significativas entre los resultados obtenidos de estas mezclas en comparación con los de la mezcla de referencia sin cápsulas añadidas. Esta diferencia es sustancial con otro tipo de cápsulas que presentan la limitación bien de no soportar la fabricación y puesta en servicio de las mezclas, bien de no llegar a romperse.
Palabras clave: Carreteras, mezclas bituminosas, áridos porosos, durabilidad, cápsula.
Bituminous mixtures are the most widely used material for the construction of roads; however, although its excellent performance, they become aged due to use and time, thus reducing its asphalt pavement’s service life. Increasing the pavements durability is, therefore, one of the challenges we are facing today. The encapsulation of asphalt rejuvenators is an innovative solution to compensate the ageing of the mixtures, thus increasing the durability of asphalt pavements. This method uses porous aggregates as carrier of the rejuvenator. Unlike traditionalcapsules, in which the rejuvenator is released in one go after the capsules are broken, this method offers a long-term solution, since the rejuvenator is released from the pores of the aggregates as the asphalt pavement ages. In addition, results of the mechanical characterization of the asphalt mixtures with capsules added show that the capsulescan withstand the asphalt manufacturing process, since there were no significant differences seen between these results in comparison with those of the reference mix (without capsules). This makes a considerable difference with other types of capsules that have the limitation neither to survive the asphalt manufacturing process nor to break and, therefore, in which finding a balance of the hardness of the capsules is a challenge.
Keywords: Roads, bituminous mixtures, porous aggregates,durability, capsule.
Debido a las condiciones ambientales, así como a la acción del tráfico, las mezclas bituminosas de un firme se degradan con el paso del tiempo volviéndose más frágiles; en una primera etapa aparecen microfisuras que se vuelven más acusadas a medida que pasa el tiempo. Para eliminar estos efectos de degradación, las actuaciones más comunes se basan en la renovación del pavimento con objeto de conseguir un firme en condiciones aceptables de uso.
Sin embargo, para reducir la aplicación de acciones correctivas cuando el firme ya presenta defectos acusados es importante tener en cuenta el desarrollo de acciones preventivas que permitan minimizar las actuaciones de renovación del firme y contribuir de manera eficiente en la etapa de vida de servicio de un firme dentro del ciclo de Economía Circular.
Es en esta línea donde se ha desarrollado una tecnología que consiste en la incorporación de unas cápsulas que contienen un rejuvenecedor asfáltico en la mezcla bituminosa de forma que su liberación progresiva permite incrementar la durabilidad de los firmes y compensar el envejecimiento (Casado et al, 2021).
La aplicación de rejuvenecedores se emplea actualmente sobre todo en actuaciones donde se incorpora material fresado en la fabricación de nuevas mezclas bituminosas, consiguiendo mejorar las propiedades originales del ligante envejecido y recuperado de mezclas bituminosas de la carretera (Passeto et al, 2020); además, ha demostrado ser un método eficaz para el mantenimiento y conservación de firmes (Johnson, 2000). En este sentido, el uso de rejuvenecedores puede contribuir a alargar la vida útil del
firme 8 años, lo que supone un ahorro del 29% sobre el coste total del pavimento tratado (Vitale & Siddqui, 2016). Sin embargo, para que estos tratamientos sean efectivos y permitan prolongar el estado del firme en las mejores condiciones y durante el mayor tiempo posible deben aplicarse mucho antes de lo que suele ser la práctica habitual, esto es, durante los primeros indicios de deterioro en la superficie de la carretera (Zaniewski & Mamlouk, 1996) y, además, deben repetirse en el tiempo.
Asimismo, para una correcta aplicación de los rejuvenecedores sobre la capa de rodadura del firme resulta necesario, por una parte, que el rejuvenecedor penetre unos centímetros en la capa de mezcla bituminosa (Chiu & Lee, 2006) y, por otra, permitir tiempo suficiente de actuación antes de la apertura al tráfico con objeto de que el rejuvenecedor se difunda en la matriz bituminosa sin comprometer las propiedades de la mezcla, de modo que no se generen defectos prematuros, tales como roderas, originados por tener una capa más blanda y menos estable (Al-Mansoori et al, 2019).
Así, el encapsulamiento de rejuvenecedores se presenta recientemente como una alternativa prometedora al mantenimiento preventivo de las carreteras (Casado et al, 2019). Existen diferentes tipos de cápsulas, utilizando técnicas de encapsulación y materiales diferentes, pero en todos ellos el proceso de reparación es el mismo: la cápsula se rompe y se libera el rejuvenecedor, que sella la fisura por difusión en la matriz bituminosa (véase ilustración de la derecha). Sin embargo, esta tecnología es pasiva, es decir, una vez se rompe la cápsula se libera todo el rejuvenecedor, por lo que este método resulta
efectivo solo para cerrar las primeras microfisuras. Además, las cápsulas deben resistir la fabricación y puesta en servicio de las mezclas y, al mismo tiempo, deben ser capaces de romperse para liberar el rejuvenecedor, lo que resulta difícil de conseguir en la práctica. Por ello surge la necesidad de encontrar un método alternativo que ofrezca una solución en el tiempo, como es el caso de los rejuvenecedores encapsulados en sustratos porosos.
El desarrollo de estas cápsulas se ha basado en la búsqueda de un sustrato que permita incorporar el agente rejuvenecedor, así como disponer también de un aditivo rejuvenecedor que presente las mejores características y con un buen grado de difusión desde el sustrato hasta la mezcla bituminosa.
Como medio portador del aditivo rejuvenecedor, que fue fabricado ad hoc por Repsol, se seleccionaron áridos porosos con un tamaño máximo de 4 mm. Estos áridos presentan las particularidades de su ligereza por su baja densidad, y su gran capacidad de absorción por su elevada porosidad.
Método de encapsulación
El proceso de encapsulación desarrollado consiste en la impregnación a vacío, de forma que el rejuvenecedor penetra en los poros de los sustratos porosos liberando el aire de su estructura interna. A medida que el sistema vuelve a la presión atmosférica, los poros se rellenan con el fluido que los circunda. El proceso se completa con la filtración y el secado del exceso de rejuvenecedor (véase ilustración de abajo).
A modo de ejemplo, en las fotografías de la derecha se muestra un detalle de los sustratos porosos sin y con rejuvenecedor en su interior.
Eficiencia del método de encapsulación
Para determinar el contenido de rejuvenecedor adsorbido en los poros de los áridos porosos las cápsulas se sometieron a un ensayo térmico a velocidad controlada en atmósfera de aire. En este ensayo se obtienen los diferentes perfiles de descomposición que sufre el material durante el proceso de calentamiento, siendo el porcentaje de pérdida de peso total la cantidad de materia orgánica en las muestras, esto es, con buena aproximación, la cantidad de rejuvenecedor adsorbido.
Resultados de este ensayo indicaron porcentajes de impregnación superior al 40% para todos los sustratos investigados, llegando incluso a alcanzar valores del 78% para alguno de los ellos.
Análisis del efecto y comportamiento del agente rejuvenecedor en la mezcla
Las cápsulas desarrolladas se incorporaron en una mezcla bituminosa tipo BBTM11B seleccionada por su contenido en huecos, y con esta se compararon las diferentes alternativas, esto es, una mezcla de referencia con un betún tipo PMB 45/80-65 convencional y otra en la que se le incorporó el rejuvenecedor en dos formas diferentes: directamente sobre el betún (antes de fabricar la mezcla), y en forma de cápsulas (incorporadas durante la fabricación de la mezcla).
En una primera fase se evaluó el efecto del rejuvenecedor en el comportamiento de las mezclas mediante la realización de los ensayos mecánicos de sensibilidad al agua y de pista (véanse los gráfico siguientes) con objeto de determinar si la incorporación de las cápsulas podría condicionar el comportamiento de las mezclas en estado original, según se ponen en obra, a fin de no comprometer la aplicabilidad de esta tecnología.
Los resultados de sensibilidad al agua, medidos a partir de la resistencia a tracción indirecta (ITS) en 4 probetas en seco y otras 4 sumergidas en agua, indican que las mezclas con cápsulas cumplen con los valores mínimos de 90% exigidos por normativa para capa de rodadura, siendo muy similares entre ellos, a excepción de la mezcla que incluye rejuvenecedor directamente incorporado sobre el betún (sin encapsular) cuya resistencia conservada es más alta. Estos resultados son los que cabría esperar, pues esta mezcla parte de un contenido de ligante mayor (betún y rejuvenecedor) y ello favorece su comportamiento frente al agua.
De los resultados del ensayo de pista, medidos a partir de la pendiente de deformación (WTS AIRE), destaca el valor de la mezcla con rejuvenecedor adicionado directamente a la mezcla, que ofrece el valor más alto y, por tanto, es la mezcla más susceptible a las deformaciones plásticas. Por el contrario, las mezclas con cápsulas con el rejuvenecedor ofrecen valores de pista similares a los de la mezcla de referencia, lo que significa que el rejuvenecedor no se ha liberado prematuramente durante el proceso de fabricación y compactación de las mezclas bituminosas. Estos resultados ponen en valor el incluir el rejuvenecedor encapsulado frente a adicionarlo directamente a la mezcla.
En una segunda fase se realizaron ensayos de envejecimiento con el objetivo de evaluar la evolución y comprobar el efecto que ejerce el rejuvenecedor en las mezclas. El envejecimiento se simuló en laboratorio siguiendo dos protocolos conocidos, aunque con algunas variaciones; el primero el AASHTO R30, desarrollado bajo el marco del Strategic Highways Research Programme (SHRP), y el segundo, el establecido por el comité técnico ATB-TG5 en 2009 de la RILEM.
En cuanto al primero, el envejecimiento a largo plazo se llevó a cabo a una temperatura más suave, de 50 °C frente a 85 °C, según establece la AASHTO, pero prolongado en el tiempo, hasta observar que las medidas de módulo no variaban en exceso con el tiempo (90 días). Estas condiciones se aproximan más a las que se puede encontrar una mezcla bituminosa durante su vida en servicio.
Los resultados de las propiedades mecánicas de las mezclas evaluadas ponen en valor el beneficio de encapsular el rejuvenecedor
En cuanto al segundo de los métodos, y con objeto de visualizar mejor el envejecimiento que la mezcla sufre con el tiempo de permanencia en estufa, se mantuvo la mezcla suelta en estufa a 85 °C durante 2, 5 y 7 días. Además, para analizar el efecto del rejuvenecedor a muy largo plazo, especialmente cuando este se incorpora en forma de cápsulas en las que puede quedar más retenido, se realizó un envejecimiento más prolongado dejando la mezcla en estufa a 85 °C durante 19 días.
Sobre estas probetas se determinó la medida del módulo de rigidez (véanse gráficos siguientes), estableciéndose además un índice de envejecimiento para facilitar el análisis de los datos. Este índice relaciona el módulo de la mezcla envejecida y el módulo de esta antes de haber sido envejecida. Así, el efecto de envejecimiento es nulo cuando su valor es 1 y va creciendo a medida que se distancia de la unidad.
De todas las mezclas analizadas, la muestra con rejuvenecedor añadido directamente al betún es la que menor módulo presenta en todos los escenarios y condiciones de ensayo analizadas. Sin embargo, su módulo para la muestra sin envejecer es más bajo del que cabría esperar para este tipo de mezclas, lo que resulta en una mezcla más blanda y, en consecuencia, más deformable.
Analizando la tendencia de las mezclas con rejuvenecedor añadido en forma de cápsulas, se observa que ofrecen valores de módulo más bajos que la mezcla de referencia, pero mayores que las que tienen rejuvenecedor añadido directamente a la mezcla. Esto sugiere que el rejuvenecedor ha difundido de las cápsulas, quedando todavía parte de este retenido en ellas.
La diferencia observada en el comportamiento de las dos cápsulas hace pensar que se podría seleccionar una u otra en función del ligante que se emplee o, incluso en el caso de emplear material reciclado en diferentes cantidades, valorar la posibilidad de emplear un tipo de cápsula u otra para conseguir el rejuvenecimiento de la mezcla en mayor o menor grado.
Por otra parte, si consideramos el índice de envejecimiento, se observa de nuevo como las mezclas con cápsulas incorporadas presentan el menor envejecimiento, lo que confirma el beneficio de añadir el rejuvenecedor en forma de cápsulas para compensar el envejecimiento y alargar la vida útil de las carreteras. Además, destaca el comportamiento del rejuvenecedor directamente añadido al ligante, pues es más susceptible al envejecimiento que cuando está encapsulado. Esto se debe a su mayor exposición en la mezcla frente al rejuvenecedor encapsulado, el cual está protegido por el árido poroso. Esto hace que el rejuvenecedor directamente añadido a la mezcla se vea más afectado por el calor o la oxidación y, por tanto, su efectividad puede verse reducida antes. Estos resultados ponen de manifiesto una vez más el beneficio de encapsular el rejuvenecedor.
Aplicación de la tecnología a escala real
La tecnología de rejuvenecedor encapsulado se validó en una obra pionera ejecutada en la provincia de Granada, ubicada en un enlace de la variante de la A44 Santa Fe–Las Gabias, incorporando además material fresado y betún a baja temperatura para contribuir con la sostenibilidad de la obra.
Las mezclas innovadoras desarrolladas se extendieron en 500 m de longitud; otros 320 m correspondieron a las mezclas patrón, completando así la totalidad del ramal (véanse datos en la imagen siguiente).
La vía cuenta con un tráfico tipo T221 y está formada por un paquete de 25 cm de mezcla bituminosa sobre 25 cm de zahorra. Las dosificaciones de cada una de las mezclas fueron las que se indican en la tabla siguiente.
La fabricación de las mezclas se realizó en una planta en caliente convencional con un dosificador de aditivos sólidos para la incorporación del aditivo rejuvenecedor. También se tuvo en cuenta el calentamiento del ligante para conseguir una mezcla semicaliente a una temperatura entre 130-140 °C.
Algunas fotografías tomadas del tramo demostrador durante la fabricación y puesta en obra de las mezclas bituminosas desarrolladas se muestran en las fotografías siguientes. No se detectó ninguna dificultad durante el proceso de fabricación, ni tampoco durante la puesta en obra.
Las características evaluadas para cada una de las mezclas corresponden a las solicitadas en el artículo 542 del PG3, que se representan de manera comparativa en la tabla superior.
En la tabla de arriba se puede comprobar como los resultados obtenidos para los diferentes parámetros, entre las mezclas de referencia y las mezclas experimentales fabricadas con el aditivo rejuvenecedor, son del mismo orden, no observando diferencias significativas entre la misma mezcla con la que se compara, lo que garantiza el buen comportamiento de las mezclas en las etapas iniciales.
Los resultados aquí presentados revelan que la tecnología desarrollada resulta técnicamente prometedora para prevenir el envejecimiento prematuro del firme, resultando, en definitiva, una alternativa innovadora al mantenimiento preventivo de nuestras carreteras.
Referencias
1
Al-Mansoori, T., Hussein, J., Aziz, H. (2019). Asphalt damage reservation due to self-repair: A literature review. En: IOP Conference Series, Materials Science and Engineering. 584 012019.
2
Casado, R., Lastra-González, P., Castro-Fresno, D., Miranda Pérez, L. (2021). Syn-thesis, characterisation and mechanical impact of novel capsules using porous aggregates containing asphalt rejuvenator as an effective way to restore aged binderproperties, International Journal of PavementEngineering, DOI: 10.1080/10298436.2021.1950718.
3
Casado-Barrasa, R. López-Montero, T. Castro-Fresno, D. Miró, R. (2021). Evaluation of the rejuvenation of asphalt by means of oil-saturated porous aggregates. Construction and Building Materials, 318. 125825.
4
Chiu, C.T & Lee, M.G. (2006). Effective-ness of seal rejuvenators for bituminous pavement surfaces. Journal of Testing and Evaluation. 34 (5). 390-394.
5
Johnson, A. M. (2000). Best Practices Handbook on Asphalt Pavement Maintenance. (Report No. MN/RC-2000-04). En: Professio-nal Engineering Services, Ltd. University of Minessota. Center for Transportation Studies. Minnesota. Estados Unidos.
6
Pasetto, M., Giacomello, A. Pasquini, E. (2021). Towards very high RAP content asphalt mixes: A comprehensive performance based study of rejuvenated binders, Journal of Traffic and Transportation Engineering. (English Edition).
7
Vitale, J., Khalid Siddiqi, M. (2016). The feasibility of asphalt pavement rejuvenator applications. 52nd ASC Annual International Conference Proceedings. Provo, Utah.
8
Zaniewski, J. P., Mamlouk, M.S. (1996). Preventive Maintenance Effectiveness–Preven-tive Maintenance Treatments. (Report no. FHWA-SA-96-027). Center for Advanced Transportation Systems Research. Arizona. State University. Patrocinado por Federal Highway Administration (FHWA).