COMUNICACIÓN 04

Evaluación en laboratorio del uso de microemulsiones en reciclados en frío

MERCEDES AYALA CANALES

Tecnólogo de Asfaltos de Repsol YPF

ANTONIO PAEZ DUEÑAS

Coordinador de Asfaltos de Repsol YPF

EMILIO MORENO MARTÍNEZ

Tecnólogo de Asfaltos de Repsol YPF

JACINTO LUIS GARCÍA SANTIAGO Director de Tecnología de SACYR

RAMÓN TOMÁS RAS CIESM

JUAN JOSÉ POTTI CUERVO Proyecto Fénix

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Evaluación en laboratorio del uso de microemulsiones en reciclados en frío

INTRODUCCIÓN

E

n los últimos tiempos se ha producido un incremento espectacular del reciclado en frio de carreteras agotadas, y es de esperar una ampliación en el futuro. Su éxito radica en las ventajas económicas y medioambientales que conlleva. Sin embargo, uno de los inconvenientes de esta tecnología es el lento curado que hace necesario un tiempo superior para la puesta en obra de las capas superiores. Recientemente han aparecido nuevas tecnologías que permiten paliar esta limitación reduciendo el tiempo de curado necesario. El uso de emulsiones con rejuvenecedores, el uso de conglomerantes hidráulicos y de aditivos aceleradores del curado han permitido que se alcancen unas propiedades mecánicas suficientes en tiempos cortos. Sin embargo, existe una nueva tecnología en el campo de las emulsiones que puede abrirse paso en el campo del reciclado en frío. Una nueva tecnología de fabricación de emulsiones con tamaño de partícula controlada permite la fabricación de microemulsiones, es decir, emulsiones con un tamaño de partícula inferior a una micra. En el presente artículo se presenta el trabajo, realizado en el marco del Proyecto Fénix, sobre el empleo de microemulsiones en el reciclado en frío y su comportamiento frente a emulsiones convencionales y emulsiones con rejuvencedor.

TECNOLOGÍA Y CARACTERÍSTICAS DE LAS MICROEMULSIONES Se define una microemulsión (también nanoemulsión) a las emulsiones que poseen un tamaño de partícula medio inferior a una micra. Son emulsiones muy empleadas en las ramas de la cosmética y detergencia, y que se están empezando a introducir en el sector de la construcción. Frente a una emulsión bituminosa convencional, tienen varias características diferenciadoras pero una de ellas fundamental: la distribución de tamaño de partícula, de la que derivan su estabilidad al almacenamiento y comportamiento en obra. El tamaño de partícula es mucho menor y además su distribución tiene una anchura reducida, es más uniforme, como se puede contemplar en la figura. Esta carac-

Figura 1. Distribución del tamaño de partícula.

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terística es la que hace variar su comportamiento mejorando por ejemplo la estabilidad por un mejor empaquetamiento de los glóbulos de betún y un aumento de la superficie específica y consecuentemente de las cargas electrostáticas asociadas a la superficie de las partículas. Este aumento de superficie específica y de carga explica también que cuando se realiza un tratamiento de mezcla con áridos (lechadas, grava-emulsión, reciclados, etc) la cohesión y la adhesividad ligante-árido mejora notablemente. También la mayor uniformidad del tamaño de partícula incide en que los fenómenos de rotura de la emulsión son más homogéneos y claros. Producto de esta mejor cohesión, también tienen tendencia a resistir mejor los efectos del agua y tráfico.

Caracterización del fresado El fresado empleado en este estudio, previo a cualquier fase, se cuarteó y se eliminó la fracción superior a 25 mm. Mediante la norma NLT-353, se recuperó el ligante de la mezcla bituminosa con el propósito de una posterior caracterización y de poder evaluar las alteraciones experimentadas por el ligante bituminoso tanto durante el proceso de mezclado en caliente como a lo largo de la vida de servicio de la mezcla bituminosa. A continuación se presentan el análisis granulométrico del fresado, antes y después de la extracción, según la norma NLT-150.

Por otro lado en tratamientos de imprimación se obtienen mejores resultados ya que el menor tamaño de partícula ayuda en la penetración del sustrato granular por capilaridad. También tienen aplicación en riegos de adherencia donde permite una mejor fijación entre capas. La obtención de estas emulsiones es más complicada que las convencionales, tanto por formulaciones como por los medios necesarios para su elaboración. Debido a esto, la tecnología de las microemulsiones bituminosas todavía es incipiente y está en fase de desarrollo.

Figura 2. Granulometría del RAP y de los áridos tras la extracción de ligante.

En este trabajo se presenta un estudio de laboratorio en el que se compara una microemulsión de ligante rejuvenecedor con una emulsión del mismo ligante con el fin de poder comparar de forma fiable el comportamiento de unas y otras.

EVALUACIÓN EN RECICLADO EN FRÍO En orden de demostrar la bondad de esta nueva generación de emulsiones en una mezcla de reciclado en frío y su efecto en la susceptibilidad al agua y en la cohesión, se llevaron a cabo pruebas a nivel laboratorio, empleando una emulsión convencional y una emulsión con rejuvenecedor como referencia.

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Tabla 1. Ligante recuperado.

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El ligante se ha extraído de la mezcla por disolución en diclorometano, el cual se ha eliminado posteriormente mediante el método de rotavapor. El ligante extraído se caracterizó para poder evaluar el grado de envejecimiento producido. Los ensayos que se le realizaron fueron: penetración, punto de reblandecimiento y una caracterización química según la ASTM 2006.

siones en comparación con una emulsión convencional o con rejuvenecedor. Para la dosificación de la mezcla reciclada, y tal y como se ha descrito anteriormente, el pliego indica que la humedad de compactación se determina por el ensayo Proctor modificado (UNE103501):

Emulsiones Empleadas El estudio llevado a cabo en esta etapa comprendió la utilización de tres emulsiones asfálticas. La primera de ellas fue una emulsión convencional a la que se denominó EC y que será tomada como referencia, en segundo lugar se optó por una emulsión con rejuvenecedor que se designó como ER, y por último una microemulsión cuya identificación para el estudio será de MICRO.

Figura 4.- Ensayo del Proctor modificado.

La humedad óptima de compactación será la correspondiente a la humedad óptima proctor menos el 0.5%. Tabla 2. Caracterización de las emulsiones empleadas.

Este valor de humedad óptima se utilizó en esta parte del estudio considerándola como fluido óptimo de compactación y fue dividida en agua de preenvuelta y el agua de la emulsión. Ensayo de Inmersión Compresión

Figura 3.- Tamaño de particula de la microemulsión.

Preparación de muestras Con los materiales anteriormente descritos se realizó un diseño de experimentos enfocados en el estudio del comportamiento de las microemul-

Se prepararon un total de 180 probetas repartidas en 18 grupos de 10 probetas cada uno (5 probetas para la compresión simpe en seco y 5 probetas para la compresión simple en húmedo) con un tamaño de probeta de 101,6 mm de alto por 101,6 mm de diámetro. Los 18 grupos de probetas corresponden a los grupos resultantes del estudio de las siguientes variables:

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• Contenido de cemento: 0% y 1.5% Tras un curado inicial de 3 días a 50ºC se determinó su resistencia a la compresión simple: compresión axial sin soporte lateral a una velocidad de deformación de 5,08 mm/min. Previo a la rotura, se determinó la densidad de las probetas mediante la norma NLT-168. El estudio de densidades parece indicar que las obtenidas con las microemulsiones son superiores a las obtenidas con la emulsión convencional y con rejuvenecedor, lo que muestra una mayor compactibilidad.

En la siguiente figura se puede observar el comportamiento a compresión simple de la emulsión con rejuvenecedor:

IRC

• Contenido en emulsión: 2,5%, 3% y 3,5%

En primer lugar observamos la EC, emulsión convencional con un contenido de emulsión entre 2,5% y 3,5%. Para todos los contenidos de emulsión los valore de resistencias inferiores a 3MPa en seco y a 2,5MPa en húmedo, con un IRC comprendido entre el 80 y el 90%.

Resistencia, M

• Emulsión: emulsión convencional, emulsión con rejuvenecedor, microemulsión.

Densidad S.S.S Prom

Figura 7. Inmersión compresión. Emulsion con rejuvenecedor.

En este caso se observa claramente como las resistencias a compresión disminuyen a medida que se incrementa el contenido de emulsión. Por el contrario, el índice de resistencia conservada aumenta, debido a que la disminución de la resistencia en húmedo es inferior.

IRC

Resistencia, M

Figura 6. Inmersión compresión. Emulsion convencional.

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IRC

A continuación se presenta un análisis de los resultados obtenidos en el ensayo de compresión simple para los distintos tipos de emulsiones a tres contenidos de emulsión diferentes.

Resistencia, M

La microemulsión sigue la tendencia que se representa a continuación:

Figura 5. Densidades de las probetas de I/C.

Figura 8. Inmersión compresión. Microemulsión.

Se observa una vez más como el contenido de ligante provoca una disminución en los valores de resistencia y un aumento en el índice de resistencia conservada. Sin embargo, el descenso de resisten-

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IRC

cia es menos acusado que en el caso de la emulsión con rejuvenecedor. Con un contenido de 2,5% de emulsión, se obtienen resistencias superiores a 3MPa en el caso seco y de 2.5MPa en el húmedo, por lo que es apta para un tráfico pesado T1 y T2 a diferencia de las emulsiones anteriores.

Resistencia, M

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Si se compara el comportamiento de estos tres tipos de emulsiones al mismo contenido de emulsión, 2,5%, se obtiene la siguiente figura:

IRC

Resistencia, M

Figura 10. Inmersión compresión. 2,5% de emulsión y 1,5% de cemento.

Figura 9. Inmersión compresión. 2,5% emulsión.

Se observa claramente como la microemulsión presenta una resistencia a compresión simple tanto en seco como en húmedo superior a las otras dos emulsiones. Asimismo, el índice de resistencia conservada es mayor en este tipo de emulsiones, llegando a valores próximos al 90%. La mayor resistencia conservada que presentan las microemulsiones parece indicar una mejor cohesión, mientras que los mayores valores de densidad una mayor compactibilidad. Ambos fenómenos combinados condicen a mayores resistencias. Este mejor comportamiento que presenta la microemulsión se debe a la mayor superficie específica que presenta, lo que mejora la calidad de envuelta. A continuación se analizan los resultados obtenidos a partir de incorporar distintos porcentajes de cemento en las mezclas estudiadas. Se observa para todas las emulsiones como los valores de resistencia, tanto en seco como en húmedo, aumentan con la adición del 1.5% de cemento. Los valores de IRC son superiores al 90% en todos los casos.

Comparando el comportamiento de las tres emulsiones a un mismo contenido de emulsión, 2,5%, se observa como la influencia del cemento es superior en el caso de la microemulsión, dando resistencias en seco y en húmedo superiores a las obtenidas con la emulsión convencional y con la de rejuvenecedor. Sin embargo, la emulsión convencional presenta mayores resistencias que la emulsión con rejuvenecedor. En este caso parece que la dureza del betún de partida (150/200 frente a rejuvenecedor 250/300) tiene una mayor influencia que la mayor compactación obtenida.

MÓDULO RESILIENTE Se prepararon un total de 36 probetas, divididas en 12 grupos de 3 probetas cada uno. El tamaño de la probetas en este caso es de 63.5 mm de altura por 101.6 mm de diámetro. Los grupos de probetas corresponden a los grupos resultantes del estudio de las siguientes variables: • Emulsión: emulsión convencional, emulsión con rejuvenecedor, microemulsión. • Contenido de cemento: 0% y 1.5% La compactación se realizó mediante la prensa giratoria (UNE EN 12687-31), con una energía de compactación de 200 ciclos (600 KPa), un ángulo de giro de 0.82º y una velocidad de 30,1 r.p.m.

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Se ensayaron 6 probetas (3 con cemento y 3 sin cemento) a una temperatura de 20ºC a diferentes tiempos de curado: 24h, 48h, 96h y 168h.

incluye cemento en los tratamientos, a escala de laboratorio. • Los valores de resistencia, como indicativo de cohesión, son en general mayores al utilizar microemulsiones.

Módulo Rigidez (M)

• El curado de la mezcla, evaluado a través del módulo de tracción indirecta, no demuestra una diferenciación clara con la utilización de microemulsión.

AGRADECIMIENTOS

Figura 11. Módulo resiliente.

A la vista de los resultados, los mayores módulos se obtienen con la emulsión convencional, seguido de las microemulsiones y de la emulsión con rejuvenecedor. En principio, los módulos a bajos tiempos dependerán de la cohesión de la mezcla y de la dureza del ligante utilizado, efecto este que domina y se aprecia con más claridad en la gráfica, pues si bien las densidades de las mezclas con rejuvenecedor y microemulsión son más altas, sus módulos son menores. La evolución del módulo en las primeras 72 horas nos daría una medición de la evolución de la mezcla en su cohesión. En este sentido las pendientes son mayores para los tratamientos con cemento y parecidas entre ellas comparativamente entre las emulsiones. En cuanto al módulo final, y aunque no se han medido más allá de 7 días, la tendencia es que el tratamiento con cemento tenga más módulo lógicamente que sin él, y que con la microemulsión parece que tiene más recorrido.

La realización del Proyecto Fénix (www.proyectofenix.es) ha sido posible gracias a la contribución financiera del Centro para el Desarrollo Tecnológico e Industrial (CDTI) dentro del marco del programa Ingenio 2010 y, más concretamente, a través del Programa CENIT. Las empresas y centros de investigación que participan en el Proyecto desean mostrar su gratitud por dicha contribución. Los autores quieren agradecer a todas las organizaciones y empresas participantes del Proyecto Fénix: Centro de Investigación Elpidio Sánchez Marcos (CIESM) , Centro Zaragoza, Construcciones y Obras Llorente (Collosa), Ditecpesa, Asfaltos y Construcciones Elsan, Intrame, Pavasal, Repsol YPF, Sacyr, Serviá Cantó, Sorigué, CARTIF, CEDEX, CIDAUT, CSIC (IIQAB), GIASA, Intromac, Labein, Universidad de Alcalá de Henares, Universidad Carlos III de Madrid, Universidad de Castilla La Mancha, Universidad de Huelva, Universidad de Cantabria, Universidad Politécnica de Cataluña, Universidad Politécnica de Madrid, y a sus numerosos colaboradores cuya capacidad de trabajo y eficacia están permitiendo el desarrollo de este Proyecto en un ambiente de cooperación.

REFERENCIAS CONCLUSIONES • L a utilización de microemulsiones bituminosas para el caso de reciclados en frío es positiva ya que se alcanzan prestaciones superiores que sus homólogas convencionales, especialmente si se

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• Bardesi, A.: El marcado CE de las mezclas bituminosas y de sus componentes. Jornada INTEVÍA sobre mezclas asfálticas en caliente, Móstoles, 2003. • PG-4, Orden Circular 8/2001, artículo 20, Reciclado in situ con emulsión de capas bituminosas.