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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

Comparación en laboratorio de las propiedades mecánicas de mezclas asfálticas con caucho producidas mediante el proceso húmedo, seco y semi-

húmedo

TESINA DE INVESTIGACIÓN

Francisco Benjamín Chávez More

Máster Universitario en Sistemas de Ingeniería Civil

2018

Departamento de Ingeniería Civil: Transporte y Territorio

Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos

AUTOR: FRANCISCO BENJAMIN CHAVEZ MORE

DIRECTOR: JOSE RAMON MARCOBAL BARRANCO

Comparación en laboratorio de las propiedades mecánicas de mezclas asfálticas con caucho producidas mediante el proceso húmedo, seco y semi-húmedo.

TESINA DE INVESTIGACIÓN

PARTE A. ESTADO DEL ARTE

Estado del Arte del caucho, los neumáticos fuera de uso, su aplicación en mezclas asfálticas y el caucho pre-tratado

Francisco Benjamín Chávez More Master Universitario en Sistemas de Ingeniería Civil Universidad Politécnica de Madrid 2018


4

INDICE

1. Introducción 5

2. El caucho y los neumáticos fuera de uso 6

2.1. El caucho 6

2.2. Neumáticos fuera de uso 7

2.3. Composición de los neumáticos fuera de uso 9

2.4. Reciclado y tratamiento de los NFU 10

3. El caucho triturado en pavimentos 15

3.1. Tecnologías de aplicación de caucho en pavimentos 15

3.2. Incorporación del caucho en la mezcla asfáltica 16

4. RAR 21

4.1. Composición del RAR 22

4.2. Fabricación del RAR 23

4.3. Modelo estructural y comportamiento del RAR 24


5

1. INTRODUCCION

La conservación ambiental ha ido tomando una importancia primordial en nuestra

sociedad a lo largo de los años. Es por esto que la búsqueda de un desarrollo más

sostenible, para reducir el consumo de recursos y los daños al medio ambiente, se ha

convertido en uno de los objetivos prioritarios de los gobiernos. Bajo este concepto la

infraestructura de carreteras es un sector que genera una gran demanda de recursos, ya

que durante la construcción, reparación y mantenimiento de los pavimentos se necesita

una gran cantidad de materiales y energía. En Europa se fabrican alrededor de 300

millones de toneladas de mezclas asfálticas en caliente cada año, siendo la aportación de

España de unos 30 millones de toneladas fabricadas [1]. Los áridos suponen más del

90% en peso de las mezclas asfálticas [2], lo que se traduce en 270 millones de

toneladas de áridos solo en Europa.

Por esta razón el desarrollo de nuevas tecnologías y el uso de materiales alternativos

pueden suponer una contribución significativa para reducir el impacto medioambiental

de las mezclas asfálticas. Es durante la década de los setenta e inicios de los ochenta

cuando se empieza a tener en cuenta el empleo de residuos y subproductos en la

fabricación de las mezclas asfálticas [3-5]. Desde aquí, el desarrollo de las mezclas

asfálticas semicalientes (WMA), el reciclado de pavimentos asfálticos de carreteras

(RAP), los residuos de diversos productos o la construcción, son algunas técnicas o

materiales que se han implementado en la elaboración de mezclas asfálticas, logrando

además buenos resultados en lo que se refiere a mejora en el rendimiento de los

pavimentos [6-8].

Dentro de todas éstas alternativas, uno de los materiales que viene destacando es el uso

del caucho, en especial el procedente de neumáticos fuera de uso (NFU), que además de

mejorar el rendimiento de las mezclas asfálticas, permite reutilizar un material que hasta

hace muy poco solo se incineraba. Hay distintas maneras en las cuales el caucho se ha

utilizado e implementado dentro de las mezclas asfálticas (proceso en seco o proceso en

húmedo), cada una con grandes beneficios, pero también desventajas, como es el tiempo

necesario para que el caucho reaccione con el asfalto o las altas temperaturas necesarias

para lograr esto. Recientemente la aparición de un nuevo producto a base de caucho pre-

digerido, RAR-X, que puede ser añadido directamente a la mezcla sin importar el tipo

de ésta, parece ser un avance importante en ésta área, ya que debería mantener los

beneficios de los métodos tradicionales, pero eliminando, o en todo caso disminuyendo

en gran cantidad, sus desventajas. En el presente trabajo de investigación se hace una

comparación y análisis del comportamiento de mezclas asfálticas elaboradas con

adición de caucho pre-digerido con otras mezclas elaboradas mediante los métodos

tradicionales seco y húmedo.


6

2. EL CAUCHO Y LOS NEUMATICOS FUERA DE USO (NFU) 2.1. EL CAUCHO

El caucho es un polímero elástico que se puede conseguir de forma natural o sintética.

De forma natural se obtiene a partir de una emulsión lechosa (látex) que se genera de la

savia de ciertas plantas como defensa de heridas en su tronco, siendo la principal fuente

de látex las euforbiáceas, del género Hevea, tales como la Hevea brasilensis. El caucho

natural se obtiene por medio de un proceso sistemático llamado “sangrado”, que no es

otra cosa que realizar un corte angular profundo que debe ir desde la corteza hasta el

cambium. Este corte debe abarcar una extensión de alrededor de un tercio hasta la mitad

de la circunferencia del tronco, colocando un recipiente para recolectar el látex que

exudará por el corte, que será de unos 30 ml por corte aproximadamente [9].

Aunque inicialmente sólo se encontraban en la selva amazónica, hoy en día, la Hevea se

cultiva en grandes plantaciones alrededor del mundo, generalmente de propiedad de

grandes industrias del neumático, que para obtener mayores volúmenes de caucho

utilizan injertos modificados genéticamente. Con una densidad de aproximadamente

0,95 kg/m3, el caucho natural es un material con una baja conductividad térmica,

elástico, sin plasticidad, que se envejece bajo la luz del sol, se oxida en presencia de

oxígeno, reblandece con el calor y se endurece con el frío. A temperaturas menores a

100°C el caucho se vuelve rígido y duro, mientras que, si es calentado sobre los 100°C,

se vuelve flexible, suave y transparente.

Por su parte, el caucho sintético es un polímero elastómero que proviene generalmente

de la polimerización de una variedad de monómeros, a partir de refinados petrolíferos.

Esta mezcla de monómeros en varias proporciones deseables, otorgan un amplio rango

de propiedades físicas, químicas y mecánicas, mejores incluso que las del caucho

natural. Adicionalmente el caucho puede ser vulcanizado. La vulcanización es un

proceso de curado que, al añadir al caucho caliente moléculas de azufre, forma un

polímero reticular, que mantiene su elasticidad, pero que además es resistente a la

abrasión, no se ablanda con el calor, no se vuelve quebradizo al frío y es insoluble en

disolventes orgánicos [10].

En general el caucho, tanto natural como sintético, tiene, además de excelentes

propiedades elásticas y resistencia ante los ácidos y sustancias alcalinas, un buen

comportamiento como material repelente de agua, aislante de la temperatura y

electricidad, y una fácil disolución frente a petrotatos, bencenos y algunos

hidrocarburos. Es por estas buenas propiedades que actualmente se fabrican una gran

cantidad de artículos de caucho para uso diferentes. Usos que van desde la fabricación

de guantes, para la industria médica o de la construcción, correas transportadoras para

las grandes fábricas, hasta la fabricación de neumáticos para los automóviles.

Sin embargo, es esta versatilidad y abanico de propiedades y usos, lo que lo ha

convertido en un problema ecológico. A la par de la gran cantidad de productos

fabricados a base de caucho, en especial de la fabricación de neumáticos, le ha seguido

una mala práctica de eliminación y reciclado. Un neumático de caucho demora

aproximadamente diez siglos para que se degrade y desaparezca de la naturaleza, lo que

indica que si no se recicla permanecerá siempre allí donde se deje. Antiguamente el

método más elegido para la eliminación de estos residuos era la incineración, lo que


7

provocaba una gran cantidad de problemas ambientales por la cantidad de partículas

nocivas que se desprendían de este proceso, motivo por el cual fue prohibido por el

Convenio de Basilea y el Tratado de Tokyo. Pero, además, el simple hecho de su

almacenaje y acumulación en vertederos donde no se les daba el tratamiento adecuado

constituían de por sí un riego ecológico, por la degradación química que sufren, el

riesgo a la generación de incendios y problemas de salubridad por ser focos de roedores,

insectos y otros animales pequeños.

2.2. NEUMÁTICOS FUERA DE USO

El neumático o llanta es un elemento fabricado principalmente a base de caucho, que se

coloca en la rueda de un vehículo para dotarle de adherencia al pavimento, estabilidad y

confort. El neumático es la única parte del vehículo que tiene contacto con el pavimento

o suelo, y por lo tanto de aquí depende muchas veces el comportamiento del vehículo.

Cada año, cerca de 1000 millones de neumáticos llegan al final de su vida útil en todo el

mundo, causando una gran cantidad de efectos negativos hacia el medio ambiente y las

personas; y este número viene aumentando considerablemente con el paso del tiempo.

Por ejemplo, en países como Estados Unidos el consumo de neumáticos es algo superior

a una llanta por habitante/año, 275 millones [11], y alrededor de 180 millones en los

países de la Unión Europea [12]; todo esto sin contar la gran cantidad de neumáticos

usados acumulados en vertederos, que ascienden a cerca de 800 millones en todo el

mundo [13]; y de seguir así, para el año 2030, se podría alcanzar valores cercanos a las

casi 5000 millones de llantas, incluyendo las acumuladas, para ser descartadas

regularmente [14].

Figura 1. Neumáticos fuera de uso (NFU) acumulados

Para mejorar esta situación, diversas agencias a lo largo del mundo han empezado a

desarrollar tecnologías que permitan, además de reducir el consumo de neumáticos en

todo el mundo, eliminar o reutilizar los neumáticos que hayan llegado a su etapa final de

vida. En el caso de la Unión Europea, se ha introducido diferentes directrices que

incluyen restricciones significativas para el vertido de NFU en favor de alternativas

orientadas hacia la recuperación de energía y materiales [15]. En España la gestión de

los NFU está regulada por diversas normativas, siendo tal vez las más importantes, y


8

que hablan directamente sobre los NFU, “El Plan Nacional de Neumáticos Fuera de Uso

2001-2006” que prohíbe la eliminación de los neumáticos enteros a partir de enero de

2006 y el de los neumáticos troceados a partir de enero de 2006; y el REAL DECRETO

1619/2005, que contiene las directrices sobre la gestión de NFU para regular las

obligaciones de los agentes económicos que intervienen en todas sus fases. Además,

basándose en ésta última se establecieron dos Sistemas Integrados de Gestión (SIG), el

primero y que agrupa la mayor parte de los productores de neumáticos nacionales es

SIGNUS ECOVALOR, mientras que el segundo, TRATAMIENTO DE

NEUMATICOS USADOS (TNU), agrupa la mayor parte de los importadores de

neumáticos.

De acuerdo con diversas investigaciones, las posibles aplicaciones de reutilización y de

reciclado de los NFU son muy variadas, y van desde el uso de neumáticos enteros,

cortados en trozos o tiras hasta como material granulado; aunque debido a su alto poder

calorífico también constituyen un buen combustible, incluso mejor que el carbón y

menos contaminante que éste, al contener el neumático menos contenido de azufre, y

que con una mejor tecnología para el control de gases, puede ser valorizado

energéticamente en centrales eléctricas, cementeras, industrias papeleras, etc. [16-18].

En España, en el año 2011, el 42% de los NFU se han destinado a la generación de

energía, especialmente en centrales cementeras, el 10% fue reusado y el 48% restante ha

sido destinado a recuperación del material [19]. Según reportes de SIGNUS, en 2017 se

gestionó en España más de 186 500 toneladas de NFU, y del total de toneladas

gestionadas, 22 427 se destinaron a la preparación para la reutilización, 94 574 se

separaron en sus componentes, 66 731 se utilizaron en el co-procesado de fabricación de

cemento, 2 695 para la generación de energía eléctrica y 99 toneladas para otros casos

[20].Así se ha enfocado en conseguir una mayor eficiencia operacional y promover el

desarrollo de productos y de mercados que absorban estos residuos.

Figura 2. Reciclaje y valoración de los NFU. Fuente: SIGNUS (2017)


9

2.3. COMPOSICIÓN DE LOS NEUMÁTICOS FUERA DE USO

Los neumáticos son el producto de un diseño complejo que debe adecuarse a las

condiciones de uso, y para esto debe cumplir con una serie de requerimientos técnicos.

Por este motivo, todos los materiales usados deben tener una prolongada durabilidad y

cumplir con altos niveles de calidad. La cantidad de materiales que componen un

neumático es importante, aunque estos valores pueden variar dependiendo del uso

específico que recibirá, ya sea, carro de pasajeros, vehículo utilitario, camión, etc. Sin

embargo, en todas las categorías de neumáticos podemos encontrar al menos cuatro

categorías de grupos fundamentales de materiales: cauchos, negro humo/sílices,

materiales de refuerzo y facilitadores (aceites, antioxidantes, etc.). En la Tabla 1 se

muestra un perfil general de la composición material de un neumático de auto y camión

producida para el mercado europeo.

Tabla 1. Composición en peso de un neumático de auto o camión. Adaptado de Shulman (2000)

Material Auto (%) Camión (%)

Caucho ±43 ±45

Negro humo y Sílice ±27 ±20

Acero ±11 ±22

Textiles ±5 ±1

Azufre y otros vulcanizadores ±3 ±3

Aditivos ±3 ±3

Aceites aromáticos ±8 ±8

El esqueleto del neumático consiste en un talón de acero, o de otro material

dependiendo del uso, formando así la columna vertebral al pie del neumático. El

neumático tiene una serie de cables de refuerzo que se extienden transversalmente de

talón a talón sobre el neumático, ver Figura 3. Los cables comúnmente son de nylon

(coches) o acero (camiones), aunque pueden ser de una combinación de los dos. Los

cables van recubiertos con el caucho y le dan forma a la banda de rodadura y los

flancos. El objetivo del collar y los cables es reforzar el neumático y permitirle un buen

desempeño sin experimentar excesivas deformaciones [18].

Figura 3. Composición de un Neumático


10

2.4. RECICLADO Y TRATAMIENTO DE NFU

El ciclo de vida de un neumático comprende tradicionalmente cinco etapas principales,

las cuales incluyen la extracción, fabricación, consumo, recolección de neumáticos

usados y manejo de los residuos [21]. La esperanza de vida de un neumático se calcula

entre 5-7 años, durante los cuales puede ser recauchutado, pero una vez que el

neumático sea retirado del vehículo se considerará como residuo [18]. Como se

mencionó anteriormente, un neumático desechado se puede reutilizar de diferentes

maneras, como neumáticos enteros, en partes (tiras o trozos) o granulado, como caucho

molido o polvo.

Neumáticos enteros: se han propuesto o utilizado en una gran cantidad de

aplicaciones en la ingeniería civil debido a sus particulares propiedades físicas.

Comparadas con otros materiales tradicionales son ligeras, tienen buen drenaje y

una compresibilidad relativa, ejercen baja presión lateral y tienen una baja

conductividad térmica. Por lo tanto, son muy adecuadas para bases con suelos

húmedos o inestables que requieren materiales con baja densidad. Los NFU

enteros se pueden usar también como reductores de ruido. En la UE se ha podido

reducir los niveles de ruido de autovías y carreteras secundarias nacionales hasta

en 10 dB(A), en especial en países escandinavos como Finlandia [10]. También se

han usado satisfactoriamente desde 1960, en especial en el Pacifico Sur y Asia,

como arrecifes artificiales, barreras marinas, sistemas de protección costeras,

criaderos de peces, rompeolas y sistemas de defensas marinos [22-25]. Asimismo,

los NFU tienen un alto poder calorífico que ronda entre los 34 MJ/kg a 39 MJ/kg,

mayor incluso al del carbón, lo que lo convierte en un combustible apto para

reemplazar los combustibles fósiles, en especial en la producción de cemento

[10,16].

En tiras o trozos: las tiras son básicamente pedazos de neumático planos de forma

irregular, con filos dentados que pueden contener alambres de metal, del refuerzo

de acero, sobresaliendo como objetos punzantes. El tamaño de las tiras puede

estar entre 25 a 400 mm, estando la mayoría entre 100 y 200 mm. Los trozos por

otra parte son más finos y de un tamaño más uniforme que las tiras, y van desde

los 13 hasta los 75 mm. Ambas no reaccionan bajo condiciones ambientales

normales (21), pero las tiras pueden llegar a tener densidades sueltas y densidades

compactas mayores, 535 kg/m3 y 840 kg/m3 respectivamente [10],es por esto que

las construcciones donde se necesitan rellenos con materiales ligeros, sea tal vez

el mercado más grande donde se usan las tiras y trozos de NFU [26-28]. Sin

embargo no es el único campo en el que se utilizan, las tiras son usadas

ampliamente en la base de los trazos de las carreteras y vías férreas, como capas

absorbentes de impactos para superficies deportivas y más recientemente como

base para tuberías, además el drenaje que provee las tiras y trozos de caucho es

excelente ya que permite que la presión del agua no se acumule [10,29].

Granulado: el caucho granulado es el resultado final del proceso de trituración y

se puede dividir a su vez en caucho molido o polvo de caucho. El primero

contiene partículas de caucho entre 9,5 y 0.85 mm, mientras que el segundo son


11

las partículas más pequeñas en un rango de 1,2 hasta 0,42 mm, incluso se pueden

encontrar partículas menores a 0,075 mm. La gravedad especifica del polvo de

caucho varía entre 1,10 y 1,20, además ya no debe estar contaminado con restos

de acero, nylon u otros contaminantes [18,21]. El caucho granulado tiene una gran

cantidad de usos en diversas industrias, incluso mayor que en sus otras formas.

Entre las mayores aplicaciones en las que se usa el caucho granulado podemos

encontrar las superficies de deportes y campos de juegos, productos y aplicaciones

industriales (materiales para techado, absorción sonora, tapetes vibradores, etc.),

en mezclas bituminosas, y piezas moldeadas [10,17,20,30]. Su uso como agregado

en la fabricación de morteros o concreto, también ha sido investigado [26,31-33].

Además, es usado como combustible como se mencionó en el caso de los

neumáticos enteros, aunque en este caso no es posible hablar de reciclado[10,16].

En la Figura 4 se muestra la distribución del uso que ha tenido el polvo de caucho en

España desde los años 2009 hasta 2016. Aunque en el caso de las mezclas bituminosas,

el consumo ha ido disminuyendo en los últimos años, aun no se ha llegado alcanzar el

verdadero potencial que tiene esta aplicación [17], la red vial supone un gran mercado

potencial capaz de consumir por si solo todo el neumático que se recicle, y son muchas

las investigaciones acerca del uso del caucho triturado en mezclas y pavimentos

asfalticos, lo que permite pensar esto.

Figura 4. Destino del caucho granulado. Adaptado de SIGNUS (2017)

La fabricación de un neumático es un proceso complicado que involucra una gran

cantidad de materiales que luego se unen. Este proceso complejo es lo que conlleva

también a tener procesos de reciclado complicados. El proceso de vulcanización al cual

es sometido el neumático le confiere una gran estabilidad físico-química que dificulta la

separación de sus diferentes componentes, además de ser un proceso irreversible [10].

Sin embargo, con el tiempo se ha llegado a tener procesos cada vez más eficientes para

la separación de los componentes de un neumático. En la Figura 5 se muestra la

clasificación, por parte de la Asociación Europea de Reciclaje de Neumáticos (ETRA),

de las diferentes tecnologías de reciclaje según el tratamiento. Dependiendo del uso y la

actividad a la cual se destine se empleará uno, varios o todos los niveles.

43.1%

1.6%15.0%0.6%

11.5%

27.4%

0.8%Campo de fútbol

Mezclas bituminosas

Parques infantiles

Suelas de zapatos

Piezas moldeadas

Exportación

Otros


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Figura 5. Niveles de tratamiento de NFU. Fuente: Serrano E, García L, Fraile M (2007)

Para obtener el tipo de productos de los cuales se ha hablado anteriormente, los métodos

más usados son la reducción a temperatura ambiente y criogénico, siendo el primero el

más utilizado en España [17]. En la Tabla 2 se muestran las tecnologías empleadas para

obtener cada tipo de producto.

Tabla 2. Caracterización de los productos según tecnologías empleadas. Fuente: Serrano E, García L, Fraile M (2007)

Proceso de Reducción Criogénico: en este proceso se hace uso de nitrógeno

líquido o algún otro material congelante o método similar para congelar los trozos

de neumático antes de la reducción de tamaño. Las temperaturas usuales van

desde -87 hasta -198 °C para que el caucho se vuelva frágil. El proceso puede

estar compuesto por un sistema de cuatro fases que incluye una reducción inicial,

enfriamiento, separación y molido. El material se hace entrar en una máquina de

enfriado donde se hace correr el nitrógeno líquido o el refrigerante elegido. Con la

ayuda de un martillo se golpean los trozos de caucho congelado para obtener


13

partículas más pequeñas. El acero es separado normalmente del producto final con

el uso de magnetos y las fibras son removidas por medio de aspiración y cribado.

El producto final aparece brillante, limpio, con caras fracturadas, partículas más

suaves y con una relativa menor área superficial que las obtenidas por el proceso a

temperatura ambiente [21].

Proceso de Reducción a Temperatura Ambiente: en la actualidad es el método

más usado en España y en el mundo. Como su nombre lo indica, este método

consiste en procesar los neumáticos desechados a temperatura ambiente para

reducir el tamaño de sus partículas. En la Figura 7 se presenta un diagrama con las

fases del proceso, el cual se puede dividir en las siguientes etapas:

i) Trituración: Los neumáticos enteros recogidos son llevados por los

transportistas a la planta de tratamiento, donde son depositados y

almacenados. En las plantas procesadoras, los neumáticos son colocados,

mediante una cinta transportadora o una pala, en una trituradora primaria,

que dependiendo de la tecnología y la cantidad de neumáticos a triturar

puede estar compuesto por uno o dos rotores o, en todo caso, ejes de

cuchillas que giran en sentido contrario para cortar el neumático.

Figura 6. Proceso de tratamiento de NFU. Fuente: Aparicio & Rodríguez (2018)

ii) Granulación: De la primera etapa de trituración se pueden obtener trozos de

neumático entre 20 y 400 mm. Los trozos mayores a 150 mm son llevados

de nuevo por la trituradora primaria, mientras que el resto pasa por una serie

de molinos o trituradoras secundarias donde se obtienen tamaños entre 15 y

6 mm. Aquí también se realiza el primer proceso de selección de materiales,

los pedazos de caucho pasan por los magnetos, donde se recoge el 95% de

los alambres de acero. Y finalmente los trozos que quedan de caucho pasan


14

por una trituradora terciaria o de finos, donde se obtiene finalmente el polvo

de caucho, con partículas menores a 0.8 mm.

iii) Separación de Acero y Fibra Textil: La disgregación de las fibras textiles y

el acero se lleva a cabo normalmente durante la etapa de granulación, aunque

dependiendo de la planta también es posible que se realice en la etapa de

trituración. Para retirar el acero se hace uso de unos separadores magnéticos,

mientras que la separación de la fibra textil se puede realizar mediante cinta

balística, que consiste en una cinta transportadora vibratoria con una

pequeña inclinación, o bandejas vibratorias, que combina la separación del

caucho por tamizado con dispositivos basados en corrientes de aire.


15

3. EL CAUCHO TRITURADO EN PAVIMENTOS 3.1. TECNOLOGÍAS DE APLICACIÓN DE CAUCHO EN PAVIMENTOS

De todos los usos que tiene el caucho triturado, en el presente trabajo nos enfocaremos

en su uso como polvo de caucho dentro de los pavimentos y mezclas bituminosas. El

uso de polvo de neumático como modificador de betún se ha estado desarrollando

durante más de 50 años [34]. Durante años ingenieros y químicos trabajaron para poder

mezclar cauchos naturales y sintéticos con cementos asfálticos y así mejorar las

propiedades elásticas del ligante [35], sin embargo durante estas primeras

investigaciones la tarea fue difícil y los resultados eran desde poco beneficiosos a casi

nulos. El rendimiento de los pavimentos es un componente clave para determinar si el

uso del polvo de neumáticos desechados es rentable.

Es a inicios de los 1960s cuando Charles McDonald, un ingeniero de materiales de

Phoenix, Arizona, que trabajaba para una empresa local, desarrolló una mezcla, para

bacheo y mantenimiento de superficies, altamente elástica usando polvo de caucho de

neumáticos reciclados, encontrando que después de mezclar el polvo de caucho con el

cemento asfáltico virgen y permitiendo que la mezcla pueda reaccionar por unos 45 a 60

minutos, se obtenía un material con características nuevas [36]. Este proceso sentaría las

bases del actual método por vía húmeda.

Por esa misma fecha, a finales de 1960s, dos compañías suecas produjeron una

superficie de mezcla asfáltica, en la cual se había añadido una pequeña cantidad de

caucho triturado, proveniente de neumáticos desechados, como sustituto de una parte

del agregado mineral en la mezcla, para obtener un mejor desempeño frente a las ruedas

con clavos o a las cadenas de nieve [21]. Esto se conocería posteriormente como

proceso seco.

A partir de 1975, el polvo de caucho sería exitosamente incorporado dentro de mezclas

asfálticas [37]. En Alaska, entre 1979 y 1981 se reportaron la colocación de 7 tramos de

pavimentos con caucho mediante el proceso seco, o PlusRide como fue patentado en

USA, totalizando 4 km lineales; mientras que fue hasta 1988 que se aplicó en Alaska el

primer tramo con caucho incorporado en una mezcla asfáltica mediante el proceso

húmedo [38]. En 1988 la definición para “betún con caucho” (rubberised bitumen) fue

incluida en la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales, o American Society for

Testing and Materials (ASTM) D8 y después especificada en la norma ASTM D6114-

97. De acuerdo con ASTM la definición para el asfalto con caucho es “una mezcla de

cemento asfáltico, caucho de neumáticos reciclado, y una serie de aditivos en el cual el

componente de caucho es al menos 15 por ciento en peso del total de la mezcla y que ha

reaccionado con el cemento asfáltico caliente lo suficiente para causar un hinchamiento

de las partículas de caucho”.

En 1992 la patente del proceso McDonald expiró y el material es ahora considerado

como parte del dominio público [21]. En España se tienen registros de uso del polvo de

neumático desde 1974, siendo los estudios del profesor Juan Gallego los que impulsaron

el uso del caucho desde 1995, además en 2015 Rodríguez Alloza, alumna de doctorado

del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad Politécnica de Madrid fue

galardonada por su investigación sobre la fabricación a menor temperatura de mezclas

asfálticas que contienen polvo de caucho procedente de NFUs. En Brasil y Argentina


16

existen tramos de prueba desde el año 2002, mientras que en Chile los hay desde el

2004 [39]. En la actualidad son muchas las investigaciones que se han llevado a cabo

para validar y mejorar la tecnología relacionada con los pavimentos con caucho.

Asimismo, los mercados de polvo de neumático alientan el desarrollo de nuevas

tecnologías que usen el material, y hoy en día hay numerosas y diferentes soluciones

[40].

Independientemente de estos efectos positivos que confiere el polvo de neumático al

ligante, una de las consecuencias más positivas por las que sin duda merece la pena

generalizar aún más su uso es que a los precios actuales de los betunes es posible llegar

a soluciones que permitan mejorar la reología de una manera más económica que con

los polímeros y otros aditivos [41].

3.2. INCORPORACIÓN DEL CAUCHO EN LA MEZCLA ASFÁLTICA

Generalmente hay dos técnicas principales para incorporar el caucho triturado en

pavimentos asfalticos. El primero es por la vía húmeda, donde el caucho actúa como

modificador del asfalto, y el segundo es por la vía seca, donde el caucho actúa como

reemplazo de un porcentaje de agregado. Como un modificador de la mezcla asfáltica o

del ligante, como mínimo, el caucho provee a la mezcla asfáltica de [42]:

Un suficiente incremento en la consistencia de los pavimentos a altas

temperaturas para prevenir deformaciones plásticas.

Un incremento en la flexibilidad y elasticidad del ligante a bajas temperaturas

para evitar agrietamientos por deformaciones y pérdidas de material.

Un aumento de la adhesión del ligante con los agregados.

Un aumento de la homogeneidad, alta termo estabilidad y resistencia al

envejecimiento

En los dos procedimientos que se conocían hasta ahora para incorporar el caucho en la

mezcla bituminosa, siempre hay una etapa de digestión de las partículas de caucho por

el betún (Figura 7). Aunque una de las grandes diferencias entre ambos procesos es que

en la Vía Húmeda se completa en mayor medida o de una forma más rápida que la Vía

Seca.

Figura 7. Proceso de digestión del caucho con el ligante. Fuente: SIGNUS

A continuación, se explica brevemente las diferencias entre los procesos por Vía

Húmeda y por Vía Seca.


17

3.2.1. PROCESO POR VIA HÚMEDA

Inicialmente desarrollado por Charles McDonald [43], se refiere a la modificación del

asfalto con 5 a 25% en masa de polvo de neumático. El proceso por la vía húmeda (VH)

es entonces cualquier proceso en el cual el polvo de caucho se mezcla primero con el

cemento asfáltico, hasta lograr que reaccione, antes de mezclarlo finalmente con los

agregados en una mezcla asfáltica [21].En condiciones normales, el betún asfáltico y el

polvo de neumático necesitan de altas temperaturas para que los diluyentes, aceites

aromáticos y polímeros puedan interaccionar [44]. El proceso de interacción depende de

diversas variables como la temperatura y el tiempo de mezclado; el tipo y cantidad de

mezcla mecánica; el tipo, tamaño y superficie específica del polvo de neumático; y el

tipo de betún [18]. Durante este primer proceso de mezclado, las partículas de caucho se

reblandecen, absorben los componentes del betún y se hinchan. Aunque la naturaleza de

esta interacción no ha sido caracterizada totalmente, algunos investigadores indican que

el mecanismo de la interacción entre el asfalto y el polvo de neumático no puede ser

química, mientras que otros piden no atribuirle el aumento de viscosidad del betún a la

existencia de partículas de caucho hinchadas [21]. Una vez que el proceso inicial de

mezclado se ha completado, la mezcla de ligante se debe mantener entre 185 y 195°C

por al menos 45 a 60 minutos, en lo que se denomina tiempo de curado o de digestión.

Durante este tiempo se pueden agregar otros aditivos o modificadores al asfalto

dependiendo de los requerimientos específicos necesarios del pavimento a construir.

El rendimiento de las mezclas con caucho triturado usando el proceso por VH ha sido

analizado por diversos investigadores, ya sea en condiciones de laboratorio o de campo.

En términos de rendimiento mecánico como la fatiga, el proceso húmedo ha mostrado

mejor tolerancia a deflexiones altas y presentado una mejor resistencia a la fatiga

comparada con mezclas convencionales [35,38,45]. En el Departamento de Transportes

(DOT) de Alaska se desarrolló una investigación donde se mostró que el proceso

húmedo tenía una mejor resistencia al agrietamiento térmico, comparado con muestras

control y muestras elaboradas por procesos en seco, mostrando que las mezclas betún-

caucho son menos susceptibles a la temperatura que mezclas convencionales [46].

Además, en términos de propiedades funcionales o de servicio, el proceso húmedo ha

reportado tener un mejor rendimiento en términos de reducción de ruido, superficies

más suaves, mejor resistencia frente al daño por humedad y resistencia a la exudación

[18,47,48].

El Departamento de Transporte del Estado de California (Caltrans) divide el proceso por

VH en dos grupos, relacionados con la habilidad de obtener mezclas asfalto-caucho

homogéneas que no presenten problemas durante periodos de almacenaje:

Vía Húmeda – Alta Viscosidad

Usando el originario método McDonald, este tipo de mezclas betún-caucho

requieren estar en constante agitación para evitar que las partículas de caucho se

segreguen. Normalmente esta agitación se debe mantener en mezclas que

mantengan una viscosidad, después del tiempo de digestión, de al menos 1500 cPs

a 177°. Para alcanzar el límite de viscosidad necesario en este tipo de mezclas se


18

requiere entre 18 y 22% de polvo de caucho, con tamaños de partículas entre 2.00

mm a 2.36 mm.

Uno de los métodos para evitar que se dé la segregación de los componentes es

realizar la mezcla en alguna fábrica central y luego transportarla mediante

camiones cisternas equipados con un sistema de agitación apropiado. Otro método

es la fabricación “in situ”, en la planta de mezclas asfálticas. En este caso la planta

de fabricación de la mezcla betún-caucho se coloca entre el depósito del ligante y

la parte de la planta donde se realiza la mezcla con los agregados y los demás

materiales, de ésta manera el betún-caucho se añade a la mezcla inmediatamente

después del tiempo de digestión, sin dar tiempo a que se segregue. Dentro de las

mezclas obtenidas por VH de alta viscosidad se ha desarrollado un método que se

llama “Mezclado Continuo”, que a diferencia del método tradicional McDonald,

usa polvo de neumático más fino y menores temperaturas de mezclado,

disminuyendo el tiempo de reacción y permitiendo usar el betún-caucho como un

betún convencional. Sin embargo, es necesario un equipo mucho más

especializado, incluso que el método McDonald tradicional.

En general, este tipo de betún-caucho se puede usar tanto en mezclas densas,

abiertas o huecas. La mayor viscosidad de este tipo de mezcla-betún permite

rodear mejor las partículas de agregados sin problemas de exudación, e

incrementar la elasticidad y resilencia a altas temperaturas. Sin embargo, también

tiene algunas limitaciones, como su incapacidad para poder ser almacenados por

más de 48 horas. Además, la necesidad de equipamiento especial inicial y su alto

costo que supone hace que muchas veces no sea tomado en cuenta.

Vía Húmeda – Sin necesidad de agitación

A menudo también se le conoce como mezcla en terminal. Esta tecnología fue

usada inicialmente en Florida y Texas a mediados de 1980, pero hasta la

actualidad solo ha sido utilizada en algunos estados dentro de USA. En este caso

el tamaño de las partículas de polvo de caucho es menor 600 um y se mezcla con

el cemento asfáltico en una refinería o planta externa y luego es transportado a la

planta asfáltica para su uso. Como su nombre lo indica estas mezclas betún-

caucho no requieren de agitación para mantener las partículas de caucho

distribuidas dentro del cemento asfáltico. Este tipo de mezclas tienen cantidades

menores de polvo de caucho que aquellas que necesitan agitación, entre 5 y 10%,

aunque en los últimos años se ha podido llegar a valores cercanos al 25%.

Este tipo de mezclas son fabricadas con requerimientos de presión específica,

temperatura, tiempo y agitación similares con betunes modificados con polímeros

[21]. La gran ventaja de este proceso es que en la mezcla betún-caucho no se

produce separación de polvo de caucho del ligante durante el periodo de

almacenaje o el transporte, a diferencia del proceso anterior, donde las partículas

hinchadas de caucho se depositan en el fondo debido a una mayor densidad que el

asfalto. La mejora en este aspecto está relacionada con una cuidadosa selección de


19

los componentes de la mezcla usados para las altas condiciones de curado, lo que

asegura un alto nivel de solubilidad del polvo de caucho dentro de la matriz de

asfalto.

Las mezclas betún-caucho sin agitación también pueden ser usados en todas las

aplicaciones de pavimentación y mantenimiento, generalmente como reemplazo

de betunes modificados con polímeros. Han sido usados en mezclas densas,

abiertas y porosas, teniendo un mejor rendimiento en mezclas densas. También,

en aplicaciones de sellado y como emulsiones. Sin embargo, hay que decir

también que la menor viscosidad de la mezcla betún-caucho implica un menor uso

de ligante por unidad de área, lo que indica un menor rendimiento en su periodo

de vida. Por otro lado, en este proceso no hay necesidad de un equipamiento

especial ni el costo que esto supone, ya que la mezcla betún-caucho la puede

realizar un tercero.

3.2.2. VIA SECA

La idea original fue desarrollada en Suecia por las empresas Skega AB y AB

Vaegfoerbaetringar a finales de la década de 1960s, siendo comercializado bajo el

nombre de “RUBIT” en Europa y en USA patentado en 1978 bajo el nombre de

“PlusRide”. A finales de 1980s Takallou desarrolló un proceso genérico seco conocido

como sistema “TAK”, mientras realizaba investigaciones con el método PlusRide. En

los procesos por vía seca, el polvo de caucho se introduce directamente como si fuera un

agregado más en la planta principal de fabricación de mezclas asfálticas. Normalmente

puede sustituir entre 1 a 3% del agregado fino, con tamaños de partículas desde 2mm

hasta 6.3mm, aunque debido a que no tiene un tiempo de digestión en sí mismo, se

recomienda partículas pequeñas [49]. El tiempo de reacción también se ve afectado por

el tiempo que la mezcla se mantiene mezclándose a altas temperaturas, la proporción de

caucho y betún, y el tipo de betún [50]. Normalmente, el caucho se mezcla a una

temperatura un poco mayor que la convencional, entre 160 a 180°C, y un tiempo mayor

también, el cual se debe determinar en laboratorio. Dependiendo del tamaño de las

partículas del polvo de neumático se puede hablar de tres métodos. El método PlusRide,

no es más que una mezcla porosa donde se ha reemplazado agregado por caucho, por lo

tanto, los tamaños de agregados usados aquí son mayores, con tamaños que pasan el

tamiz ¾” y se retienen en el tamiz 10. En cambio, el método TAK utiliza una gradación

densa y a partir de ahí se realiza las modificaciones necesarias. Y, por último, un nuevo

método seco que se ha desarrollado para adicionar partículas de caucho como reemplazo

de los agregados más finos, entre el tamiz 16 y 80; sin embargo, con esto lo que más se

logra es modificar el betún, teniendo un estado intermedio entre los procesos secos y los

procesos húmedos. La diferencia de costos entre los procesos secos y húmedos,

utilizando la misma cantidad y tamaño de partículas de polvo de caucho, sería de 1:3

[51].

Los beneficios que otorga el proceso seco están basados en dos fenómenos. El primero

es como las partículas más grandes actúan como un sustituto flexible de los agregados a

los que reemplaza. El segundo fenómeno es que una modificación del ligante puede

ocurrir con la adición de las partículas más pequeñas del polvo de caucho. Sin embargo,


20

con el tiempo se ha determinado además que, si se dispone de un tiempo de digestión,

antes de colocarlo en obra, el caucho añadido por vía seca a las mezclas bituminosas

pierde parte de su comportamiento elástico y puede actuar parcialmente como un

modificador del ligante. Un ejemplo puede ser que la cantidad de vacíos en la mezcla

dependen del tiempo de digestión al que se somete. Durante la primera hora de

digestión las partículas de caucho pierden parte de las propiedades que entorpecen la

compactación y el contenido de vacíos disminuye, sin embargo, después de esta hora ya

no se consiguen mejoras adicionales [52].


21

4. PROCESO SEMI-HÚMEDO: POLVO DE CAUCHO PREDIGERIDO

A pesar de todos los beneficios que otorga el caucho en las mezclas bituminosas, se ha

evidenciado un estancamiento en el desarrollo significativo en la utilización e

implementación de esta tecnología de forma práctica. Esto en parte se puede deber a 5

factores importantes:

La fabricación de betún-caucho por los métodos mencionados en el apartado

anterior necesitan el uso de temperaturas muy elevadas (por encima de los 190

°C) o de tiempos de reacción también grandes (superiores a los 45 min).

Plantas de fabricación de betún-caucho complejas y costosas que necesariamente

deben ser instaladas en todas las plantas centrales de fabricación de mezcla

asfálticas.

Las dificultades para garantizar la estabilidad al almacenamiento, incluso en el

procedimiento en Terminal

La necesidad de recalentar el betún-caucho después de largos periodos de

almacenamiento.

Elevado costo de las mezclas bituminosas con betún-caucho en comparación con

mezclas bituminosas convencionales, debido a la fabricación de los betunes y a

la falta de transparencia del mercado

El desarrollo de un nuevo material denominado Reacted and Activated Rubber (RAR),

diseñado inicialmente como un modificador de asfalto, ha permitido implementar un

nuevo proceso de adición de polvo de caucho a las mezclas asfálticas denominado semi-

húmedo. Se denomina semi-húmedo, ya que el caucho ha sufrido una digestión y

tratamiento previo, que permite que al momento de introducirlo en el proceso de

elaboración de mezclas asfálticas se realice como si fuera un árido más, sin necesidad

de otro procedimiento adicional. Algunas investigaciones previas han encontrado que la

adición de partículas de RAR al betún virgen resultó en una significativa mejora en el

rendimiento de las mezclas asfálticas en términos de ahuellamientos, agrietamientos por

fatiga y daño por humedad con respecto a mezclas convencionales [53]. El RAR-X

parece ser el primero de muchos productos que utilicen caucho pre-digerido, para ser

usado en mezclas asfálticas. Este polvo de caucho pre-digerido, según lo que indican

sus comercializadores, parece solucionar gran parte de los problemas mencionados en

los procesos anteriores, sin la necesidad de perder las ventajas que supone el uso de

betún-caucho en las mezclas bituminosas.

Figura 8. Comparación de la tecnología semi-húmeda (polvo de caucho pre-digerido) con las tecnologías disponibles


22

4.1. RAR X

El RAR, o Reacted and Activated Rubber, se podría decir que es un ligante bituminoso

modificado con caucho, compuesto por un betún convencional, polvo fino de caucho y

un estabilizador de betún de tipo filler mineral activado (Actived Mineral Binder

Stabilizer - AMBS) en porcentajes debidamente optimizados. El RAR entonces es

producido por un corto tiempo de mezclado en caliente con betún y una activación a

través de un proceso industrial diseñado especialmente para formar un caucho

granulado seco y predigerido. El RAR está diseñado para ser añadido a cualquier tipo de

mezcla asfáltica en caliente (HMA), ya sea densa, abierta, porosa, SMA, etc.; y

reemplazar parte del betún en diferentes proporciones. En campo, en la planta de

mezclado, el RAR se agrega directamente al tambor de mezclado justo antes de que se

rocíe el resto de betún, usando los mismos alimentadores y equipamiento que para el

polvo mineral habitualmente empleado.

Algunos estudios han demostrado que las mezclas bituminosas con RAR tienen un

mejor desempeño frente a mezclas convencionales y relativamente frente a mezclas

bituminosas modificadas con betún-caucho. En general, el RAR se comporta como un

modificador elastomérico de asfalto que modifica el betún virgen incrementando su

grado PG, resiliencia y propiedades de recuperación (51).

En la Figura 10, se pueden observar los tres elementos que componen el RAR, el

cemento asfáltico convencional, polvo de caucho generalmente de partículas que pasan

el tamiz 0,6 mm, y un AMBS (Actived Mineral Binder Stabilizer); estos tres elementos

luego se mezclan en proporciones optimizadas para obtener el producto final.

Generalmente las proporciones consisten en cerca de 62 – 65% de polvo de caucho, 20

– 25% betún blando, y 15 – 20% de filler mineral.

Figura 9. Componentes del RAR. De izquierda a derecha: betún, polvo de caucho y AMBS.

El cemento asfáltico puede ser un betún blando puro, generalmente con una elevada

penetración. Los betunes con penetración entre 100/200 a 35/50, o AC 20, o PG 52 a

PG 70, serían los más usados. El uso de betunes más blandos permite utilizar

temperaturas de mezclado y de compactación menores, similares o poco más altas que

las utilizadas para las mezclas convencionales, sin perder una adecuada trabajabilidad, a

pesar de la adición del polvo granulado de caucho y el consiguiente aumento en la

viscosidad.

El polvo granulado de caucho está compuesto de caucho proveniente de NFUs reciclado

y transformados en polvo de caucho a través de distintos procesos. El polvo de caucho


23

debe estar libre de residuos de fibra y acero. Para la producción del RAR se usa polvo

de caucho con partículas menores a 1.0 mm, preferible de un tamaño máximo nominal

0,60 mm. El polvo de caucho utilizado puede haber sido obtenido tanto por proceso

criogénico como a temperatura ambiente.

El estabilizador de betún de tipo filler mineral activado (AMBS) es un nuevo

estabilizador de betún a micro – escala que fue desarrollado para prevenir el excesivo

drenaje del betún en las mezclas tipo SMA durante el transporte de la mezcla, su

almacenamiento y la posterior colocación. Este estabilizador es un filler mineral

activado de sílice, con partículas menores a 40 um, y es un subproducto residual de la

industria minera de fosfatos. La activación se realiza mediante un revestimiento de las

partículas a nivel Nano monomolecular. Inicialmente orientado para darle propiedades

tixotropicas y mejorar la resistencia a la cizalla del betún.

La presencia del AMBS activo en el RAR provee un mecanismo único y mejorado de

unir el betún con las partículas de caucho para formar un ligante elastomérico

extendido, más estable y flexible para crear mezclas bituminosas más fuertes y durables.

Esto en términos de desempeño significa mayor estabilidad, resistencia a las roderas y

fatiga, y menor escurrimiento en mezclas SMA o mezclas con alto contenido de ligante,

bajo una relación costo/beneficio razonable y mejores condiciones ambientales [54].

4.2. FABRICACIÓN DEL RAR-X

El RAR es producido en una planta especialmente diseñada para llevar a cabo un

proceso industrial completamente controlado. Después de diversos prototipos, se ha

diseñado y creado una planta industrial a gran escala en USA. Esta planta importada de

Israel se encuentra instalada en las instalaciones de Dimona Silica Industries, Figura 11.

Este sistema por lotes puede producir hasta dos lotes de una tonelada métrica de RAR

por hora. El sistema de producción opera semi–automáticamente, donde las etapas de

carga y descarga son controladas manualmente y las etapas de calentado y enfriado son

automáticas.

Figura 10. Planta de producción de RAR.


24

El RAR se obtiene generalmente por un proceso de calentamiento en corto plazo y

activación. Las fases de dicho proceso se mencionan a continuación:

1. Cargar el polvo fino de caucho en la mezcladora caliente, y llevarlo hacia una

temperatura definida.

2. Bombear el betún caliente a través de un intercambiador de calor en un

recipiente dosificador y calentar a la temperatura deseada o una mayor. Después

de calentar el betún, se adiciona el AMBS dentro del contenedor y se mezcla con

el betún mientras se calienta de nuevo a la misma temperatura. Esta etapa se

desarrolla al mismo tiempo que la primera etapa.

3. Transferir el polvo de caucho caliente dentro del reactor de mezclado mientras

se mantiene la temperatura definida.

4. Transferirla mezcla betún-AMBS por bombeo dentro del reactor de mezclado.

5. Mezclar los tres componentes en el reactor mientras se va evaluando la

temperatura hacia una mayor.

6. Después de un cierto tiempo, transferir la mezcla caliente hacia una mezcladora

en frío operada por circulación de agua fría, y reducir la temperatura hasta 50

°C.

7. Transferir la mezcla fría hacia una mezcladora de revestimiento y cubrirla con

AMBS adicional y un filler mineral especial. El producto final es el Caucho

Activado y Reactivo – RAR, en forma de partículas granuladas secas.

8. Finalmente, se empaca el RAR granulado seco en grandes bolsas plásticas para

su almacenamiento o entrega inmediata.

Recientemente se ha inaugurado una planta de producción de RAR X en Valdemoro,

Madrid, perteneciente a la empresa española CIRTEC, con capacidad para producir

varias toneladas por hora. Es la primera en Europa con esta capacidad, motivo por el

que este trabajo adquiere un especial interés.

4.3. MODELO ESTRUCTURAL Y COMPORTAMIENTO DEL RAR

Como se mencionó anteriormente, el Caucho activado y reactivo (RAR), constituye un

innovador y mejorado modificador elastomérico del betún que le permite cuando se

añade a un betún convencional, obtener propiedades equiparables o superiores en

comparación con betunes modificados con polímeros, e incluso superiores en

comparación con betunes-caucho [55]. El modelo básico sugerido para describir la

estructura y comportamiento del RAR como un modificador de betún se muestra en la

Figura 12.

Las partículas de caucho contienen una gran cantidad de material inorgánico que

presenta una superficie cargada electroestáticamente. El activador de las partículas de

sílice del AMBS está compuesto por moléculas orgánicas cuya superficie está

parcialmente cargada electroestáticamente y formada por una cadena orgánica

hidrofóbica. Cuando las partículas activadoras son adicionadas a un líquido como el

betún, son atraídas, y se conectan con otras partículas de carga eléctrica opuesta.


25

Figura 11. Representación gráfica del mecanismo del RAR en la mezcla bituminosa. Fuente: Sousa, JB et. al (2012)

La cadena orgánica cargada del activador presente en el AMBS permite crear una red de

partículas conectadas. Cuando las partículas finas del RAR son mezcladas en un líquido

como el betún con las partículas de sílice activadas, entonces las moléculas cargadas del

AMBS se conectan con las partículas de caucho en los lugares donde existe material

inorgánico cargado electroestáticamente. De este modo cuando los materiales arriba

mencionados son mezclados en un betún caliente, forman una red de materiales

elastómeros y de partículas de AMBS con betún. Esta red estructural, conjuntamente

con las capacidades de elasticidad y de interconexión del material elastómero, derivan

de la reacción y activación del caucho a temperaturas elevadas, proporcionando un

betún con mejores propiedades mecánicas, mejor comportamiento elástico y una

elevada durabilidad. El RAR contiene también una porción de AMBS que una vez

dispersa en el betún se interconecta con los agregados. Esta interconexión mejora

también la adherencia entre el betún y el agregado, reduciendo la sensibilidad al agua.

De este modo, la nueva red genera una interconexión entre los agregados, el betún, el

caucho y las partículas de AMBS. Esta estructura no puede formarse cuando solo se

mezcla el betún con el caucho (sin AMBS) como sucede en la tecnología usada para

fabricar betún-caucho convencional.


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PARTE B. ARTÍCULO

Laboratory evaluation of the mechanical properties of asphalt mixtures with rubber manufactured by the wet, dry and semi-wet process

Francisco Benjamín Chávez More Master Universitario en Sistemas de Ingeniería Civil Universidad Politécnica de Madrid 2018

32

The two processes generally used to add rubber to the asphalt mixture have certain

drawbacks, especially for small interventions, that seem to have produced a stagnation in

the development of this technology. For wet process (WP) expensive equipment is

needed, while dry process (DP) requires long digestion times to achieve acceptable

results. The development of predigested rubber has opened the possibility of using this

technology, in a process called semi-wet (SWP), to maintains the benefits offered by

rubber without the disadvantages of the other two processes. This article presents a

comparative study of the mechanical behavior of asphalt mixtures with rubber added by

three different processes. For the dry and the semi-wet process two sets of specimens

were manufactured, the first set with no digestion time, and the second set with 30 minutes

of digestion time. The results showed that after 30 minutes of digestion time, the DP mix,

in general, continued to show a worse behavior than the SWP mix with the same digestion

time, especially against moisture sensitivity. The results also showed that the SWP mix

with 30 minutes of digestion time maintained and even exceeded the results obtained by

the WP mix.

Keywords: recycled tire rubber, crumb rubber, asphalt rubber, waste management

The environmental protection and energy savings have become, in the recent years,

important global themes for our society. The looking for a sustainable development, to

reduce the waste of the resources and the negative effects in the environment, has turned

in one of the main objectives for governments around the world. Aggregates typically

make up about 95% of a Hot Mix Asphalt (HMA) mixture by weight [1], which generates

a big demand of resources and energy. By this reason, the develop of new technologies

and the use of alternative materials can suppose an important contribution to reduce the

negative environmental impact of asphalt mixtures, and at the same time obtaining

pavements with good mechanical and performance behavior [2-5]. Within all these new

alternative materials, there is one that stands out above the rest, the crumb rubber, from

tires at the end of life (NFU). The crumb rubber, used in the manufacturing process of

asphalt mixture, has been studied and developed for more than fifty years, getting better

the performance of the asphalt mixes. It reduces the mix’s sensitivity to temperature and

the effect of aging, and improves the elastic performance of the binder and the

performance of the mix against fatigue, related such as cracking and permanent

deformations [6-9].

The incorporation of crumb rubber into the asphalt mix has generally been done through

two different main techniques, each one with its benefits and disadvantages. The first one,

the Wet Process (WP), where the crumb rubber works like a binder modifier, initially was

developed by Charles McDonald [10], and at this moment it refers to any process in which

the crumb rubber, between 5 and 25 percent by mass of the bitumen, is first mixed with

the bitumen until it reacts and its properties are modified. It is then added to the mix as a

modified binder [11]. This reaction stage between rubber with the bitumen is called

33

digestion time, and it usually happens in special conditioned containers in the mixing

plants. This kind of rubberized bitumen can be used in dense, open or gap mixtures. The

high rubber content produces binders with viscosities above 1500 cPs at 177°C. The

higher viscosity of this kind of modified bitumen allows a better coating of the aggregate

particles without the exudation or drainage problems, and increase the elasticity and

resilience at high temperatures. However, it also shows some limitations like. instability

when is keep stored for more than 72 hours, initial mixing temperatures around 185°C,

and the requirement of initial special equipment and it high cost. The second process is

the Dry Process (DP), where the crumb rubber acts like a replacement of a percent of the

aggregate in the mix. It was developed by two Swedish companies and then patented in

Europe (as RUBIT) and USA (as PlusRide). Nowadays it is called DP to any process in

which the crumb rubber, generally with size particles between 2 and 6 mm, is added

directly in the mixing process to replace between 1 to 3 percent by mass of the fine

aggregate. In this process the mixing temperatures are higher than those used in

conventional mixes, although without becoming so high than used in the Wet Process,

oscillating between 160 and 180°C [9]. The DP has been less popular than WP, especially

during the early years where it initially produced unsatisfactory results, because of a poor

interaction between the crumb rubber and bitumen. Subsequent investigations have

determined that to solve this lack of interaction it is necessary to have a digestion time of

about 45 minutes before placing the mixture on site, in this way the crumb rubber added

by the DP lose part of its elastic behavior and can act partially as a binder modifier [7,12-

14]. Therefore, the main disadvantage of this technology is the need to have long

digestion times, enough to ensure that crumb rubber can react with the bitumen and obtain

better performance results.

Despite all the benefits granted by the rubber to the asphalt mixes, it has been an inactivity

in the significant development of the use and implementation of this technology in a

practical way. However, the develop of a new material called as Reacted and Activated

Rubber (RAR), designed initially as a binder modifier, and composed principally by pre-

digested crumb rubber [15], has allowed set a new process to add the crumb rubber into

the mix, called in this investigation as Semi-Wet Process (SWP). It is called SWP because

the crumb rubber has undergone a treatment and a previous digestion, typical from the

WP, but it is added in the manufacturing process of asphalt mixes as if it was another

ingredient, as in the case of the DP. Some researchers indicate that asphalt mixes with

pre-digested crumb rubber show a better performance compared to conventional mixes,

and even relatively better than mixtures with rubber-modified bitumen [16,17]. The use

of pre-digested crumb rubber seems to be an important breakthrough in this area, since it

appears to maintain the benefits of the WP, but removes, or at least reduces its

disadvantages.

The main objective of this research was to compare the mechanical behavior of asphalt

mixes with crumb rubber added by different technologies. These technologies were the

Wet Process (WP), the Dry Process (DP), and the Semi-Wet Process (SWP). The

reference mixture was taken from a rubberized asphalt mix, dosed by WP, and used by

Sacyr company in a paving work. This mixture contains 8.6 percent of rubber-modified

high viscosity bitumen (BMAVC) by mass of the aggregates, with a gap-graded

34

distribution. Despite this, the high content of binder gave rise to 13 percent of air voids

in the mix. This mixture was designed with the double purpose of being noise-reductive

and have an adequate resistance to cracking. For the manufacturing of asphalt mixes by

SWP, it was used the RAR-X product.

The investigation has been fundamentally experimental, divided in two parts. In the first

part, basic tests like, density and air voids (volumetric tests), Indirect Tensile Strength

(ITS), Indirect Tensile Strength Ratio (ITSR) and Wheel-Tracking (WT), were carried

out. In the second part, the performance behavior of the mixes was compared according

to the results of complex tests like, Indirect Tensile Stiffness Modulus (ITSM), Indirect

Tensile Fatigue Test (ITFT) and Semi-Circular Bend Test (SCB).

The most basic properties of an asphalt mixture are the density and the percent of air

voids, in other words, the volumetric properties. The density of an asphalt mix has two

variants, which are the bulk density and the theoretical maximum density. The first one

refers to the density of the compacted asphalt mix, where are included the air voids that

remains inside the mix. It was obtained following the standard UNE EN 12697-6 [18].

The second is just a theoretical concept, obtained by the pycnometer method or by

mathematical calculation, described in the standard UNE EN 12697-5 [19], and it serves

mainly to obtain the percent of voids in a compacted asphalt mix. The complete process

to obtain the air voids percent is showed in the standard UNE EN 12697-8 [20]. The

percent voids in the asphalt mix has a big influence in its behavior and functionality [1].

On the other hand, the Indirect Tensile Strength (ITS) has been widely used in the

structural design of flexible pavements since 1960s [21]. The main reason why this test

is so popular is because it can be done on Marshall specimens manufactured in the

laboratory or extracted from the field, with basic equipment. This test is easy, fast, and

considered as one of the least variable; the whole method used is described in the standard

UNE EN 12697-23 [22]. The ITS is used to develop tensile strengths along the diametrical

axis of the specimens. The test was carried out by applying a compression load in a

cylindrical specimen trough two diametrical opposite points, by rigid plates with arc

shape, as seen in the Figure 1.

Figure 1. Indirect Tensile Strength

35

Based in the elastic theory, the stresses can be expressed in three dimensions. Ideally, the

3-D analysis can be reduced in a 2-D analysis, for special load and size specimen

conditions. So, the ITS was measured by loading a specimen with constant strength until

it fails by division along its diametrical axis. The horizontal tensile strength was

calculated with the Equation 1:

Equation 1. σ =2𝑃

π𝑡𝑑

where: P apply load

t tested specimen’s thickness

d specimen’s diameter

The final result is the average of testing three specimens with approximately the same

length and same conditions.

Another important characteristic evaluated with a basic test was the Moisture Sensitivity.

Moisture sensitivity is one of the most important problems that affect asphalt mixtures

[23]. In general, there are two mechanisms by which water can damage the structural

integrity of the aggregate-asphalt interaction. First, the loss of adhesion and binder

strength; second, the loss of bonding between binder and aggregates in the mix, known

as “stripping” [24,25]. The loss of adhesion generally accelerates pavement deterioration

and can result in a total loss of the capital invested in the pavement structure.

The more used method to evaluate the moisture sensitivity was defined by Lottman using

measurements through Indirect Tensile Strength Ratios (ITSR) [26]. The standard UNE

EN 12697-12 [27] was used here. According with this standard, eight specimens were

prepared in the laboratory, and then were divided in two sets with approximately the same

average percent of air voids. Then the indirect tensile strength in dry, ITSd, was measured

from one set. The indirect tensile strength from the other set was measured after a

saturating vacuum conditioning and a warm bath between 40 and 60°C, ITSw. The ITSR,

defined as a ratio between the average of the ITSw and ITSd, and a visual inspection of

the water action are used to define the moisture sensitivity. One mix is considered with

an acceptable level of moisture sensitivity if the ITSR is equal or better than a specified

value, and there is no evidence of stripping in the conditioned specimens. In Spain, is

usual to condition the specimens by letting them submerged in a water bath at 40°C for

72 hours. The ITSR values required are between 80 and 90 percent, depending on the

type of mix and the position of the layer in the structural package.

The resistance to permanent deformation or rutting is another basic property of asphalt

mixes. There are a lot of laboratory methods that allow to measure the resistance to

permanent deformation or rutting of an asphalt mix. However, the TRRL Wheel Tracking

Test (WT) seems to be the most suitable to reproduce and stimulate as close as possible

the field conditions [28]. In this test, basically, the susceptibility of the asphalt mix to

being deformed, was evaluated by the depth of the rut formed by repeated passes of a

loaded wheel at constant temperature. The test was carried out, according to the standard

UNE EN 12697-22 [29], on an asphalt mix slab with an established size during

approximately 6 hours (10 000 cycles) in a cabin with a constant temperature of 60°C.

36

From the deformation – time curve, the rate of increase in rut depth was determined in

mm/hour between the cycle 5000 and 10000.

The first part was complemented with this second part, where three tests were done:

Indirect Tensile Stiffness Modulus (ITSM), Indirect Tensile Fatigue Test (ITFT) and

Semi-Circular Bend Test (SCB). With these three tests, a better idea of the performance

of the mixes was had, and were helpful to compare their behavior. Some considerations

about the advanced tests are presented below.

The Dynamic Modulus (DM) of an asphalt mix is defined as the absolute value of the

ratio between the maximum stress and the maximum strain. It is related to the capacity of

an asphalt layer to distribute the loads, and can be obtained using different methods. In

this research the DM of the mixes was obtained using the Indirect Tensile Stiffness

Modulus test (ITSM), defined by the standard UNE EN 12697 – 26 [30], which is an

easy, fast and non-destructive method. The test was done in a cabin with a constant

temperature of 20°C. Before the ITSM was carried out, was necessary to assume some

conditions of the material to obtain an applicable elastic linear method [31], this

conditio

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