ES2222983T3 - Procedimiento y sistema para la produccion de una composicion de asfalto mezclada en caliente a base de espuma. - Google Patents

Abstract

Un proceso para la preparación de una composición de asfalto de mezcla caliente que comprende la mezcla de un material de agregado de grano con un aglutinante blando, y añadiendo un aglutinante duro espumado a dicha mezcla de material de agregado en grano y aglutinante blando.

Description

Procedimiento y sistema para la producción de una composición de asfalto mezclada en caliente a base de espuma.

La presente invención se refiere a un proceso y a un sistema para la preparación de una composición de asfalto mixto de espuma caliente.

Las mezclas de asfalto utilizadas para la construcción y pavimentación de carreteras consisten generalmente en mezclas de piedra / grava, arena, substancia de relleno y componentes aglutinantes. Los componentes aglutinantes son referidos como alquitrán para el fin de esta memoria descriptiva, pero pueden ser aplicables igualmente otros componentes aglutinantes. Los componentes de alquitrán pueden producirse de forma natural del alquitrán, o derivarse de un aceite mineral. La arena, piedra / grava y la substancia de relleno son referidas como material agregado o material de grano agregado.

El alquitrán actúa como cola para los componentes de agregado mineral. El alquitrán es una pequeña fracción de una mezcla de asfalto total, típicamente entre 4 y 7% en masa (o de 10 a 15% en volumen).

Las composiciones de asfalto son divididas normalmente en dos categorías principales, a saber, asfalto de "mezcla caliente" y asfalto de "mezcla fría". Un tercer asfalto de "mezcla caliente" menos común ha sido utilizado también, como se describirá más detalladamente después.

El asfalto de mezcla caliente tiene mejores propiedades generales que el asfalto de mezcla fría, y es utilizado, por esta razón, en carreteras con mucho tráfico. En la producción de asfalto de mezcla caliente, el material de agregado se calienta antes de que el material de aglutinante caliente sea añadido al agregado para la mezcla.

La producción de asfalto de mezcla caliente tiene lugar típicamente a temperaturas entre 150ºC-190ºC y tiene lugar la colocación y compactación en la carretera típicamente a temperaturas entre 130ºC-160ºC. En muchos casos, se prescriben incluso a temperaturas más altas. El alquitrán y los agregados minerales necesitan calentarse debido a varias razones. Los agregados necesitan estar secos, el alquitrán necesita tener una viscosidad baja para revestirse y adherirse adecuadamente a los componentes de agregados y la mezcla de asfalto necesita tener viscosidad de mezcla suficientemente baja para permitir la colocación, dispersión y compactación en la carretera. El tipo de mezcla de asfalto y el grado de alquitrán gobiernan en gran medida la temperatura de producción. Los asfaltos de mezcla caliente consiguen su resistencia/estabilidad final más o menos correcta. Por tanto, una carretera con un asfalto de mezcla caliente puede llevar tráfico más o menos inmediatamente.

El calentamiento de los constituyentes del asfalto es realizado normalmente con combustibles fósiles, y esto puede producir gases y polvos desagradables desde el punto de vista del medio ambiente, utiliza recursos no renovables y añade costes generales al asfalto. Adicionalmente, la manipulación del asfalto a temperaturas altas constituye un peligro de seguridad potencial.

El asfalto de mezcla en frío es más económico, fácil de aplicar, más conveniente desde el punto de vista del medio ambiente, que el asfalto de mezcla caliente. En la producción de asfalto de mezcla en frío, el material de agregado es frío y se humedece cuando se mezcla con un material aglutinante caliente o frío. Para facilitar la mezcla de asfalto de mezcla en frío, el aglutinante es espumado, con frecuencia, antes de que se mezcle con el material de agregado frío y húmedo.

Varios modos de producción de alquitrán en espuma se describen en la solicitud de patente Noruega NO 854387 y la solicitud internacional WO 95/22661. Desafortunadamente, las tecnologías en relación con el asfalto de mezcla en frío dan lugar a mezclas con una calidad pobre en comparación con las mezclas de asfalto de mezcla caliente convencional. Esto es atribuido a una variedad de factores, tales como, cobertura de agregados más pobre con alquitrán, presencia de agua en la mezcla de asfalto, y capacidad de dispersión y de compactación más pobre de la mezcla de asfalto. Esto provoca que estas mezclas de asfalto sean muy permeables al agua y al aire, lo que hace la superficie de la carretera final susceptible de erosión, lo que significa que se pierden agregados más gruesos de la superficie de la carretera de manera bastante fácil. La cohesión se reduce también y esto puede dar lugar, por último, al aplastamiento del material y la falta de estabilidad interna. Esto es visible, con frecuencia, en la superficie de la carretera y se conoce como formación de surcos. Los asfaltos de mezcla en frío necesitan un cierto tiempo de endurecimiento necesario para la formación de la resistencia de la mezcla. El tiempo de endurecimiento puede ser típicamente de días a meses. Esto da lugar, a su vez, a una deformación más rápida, agrietamiento y deterioro superficial de una superficie de asfalto. Por las razones mencionadas anteriormente, los asfaltos de mezcla en frío son utilizados típicamente para carreteras sin mucho tráfico, por ejemplo, en países Nórdicos y en Australia.

Para solucionar algunos de los problemas anteriores, el documento WO 97/20890 sugiere un "Proceso para la preparación de una composición de asfalto" donde el asfalto se produce a una temperatura bastante inferior a la del proceso de mezcla caliente tradicional. El uso de temperaturas más bajas se hace posible utilizando el aglutinante bituminoso en partes separadas, a saber un componente duro y uno blando. Juntos los componentes duro y blando forman un alquitrán que cumple las especificaciones finales normales. El componente blando puede mezclarse con los agregados minerales a temperaturas mucho más bajas (60ºC-130ºC, preferentemente 90ºC-110ºC). El componente de alquitrán duro es dispersado posteriormente en esta mezcla en polvo o deforma emulsionada. Típicamente, el componente de alquitrán "duro" tiene una penetración de 50 dmm o menos. La temperatura de este componente puede estar típicamente entre 20ºC y 70ºC. Este proceso produce una mezcla de asfalto que puede colocarse, dispersarse y compactarse a temperaturas entre 70ºC y 100ºC. Los ensayos en laboratorio y en campo han mostrado buena actuación de estas mezclas de asfalto. Los asfaltos tales como estos con temperatura de mezcla reducida, en comparación con la mezcla caliente son denominados para el fin de esta memoria descriptiva "mezcla caliente".

No obstante, las mezclas de asfalto mixto caliente que utilizan emulsiones han probado ser costosas y complicadas de utilizar durante la producción, mezcla, colocación y compactación. Las composiciones de asfalto preparadas a partir de emulsiones de alquitrán requieren una mezcla de alquitrán / agregado con un contenido de huecos relativamente alto para permitir que el agua se escape durante la rotura de la emulsión, compactación y servicio. Una emulsión utilizada en este proceso contiene típicamente típicamente de 30-50% de agua. Una emulsión de alquitrán es muy costosa de producir tanto en términos de costes del producto como de costes del equipo para el contratista, debido a la necesidad de un fábrica de emulsión y depósitos extra de almacenamiento en la planta de mezcla de asfalto. El transporte de las emulsiones es de coste menos eficiente debido al transporte de 30-50% de agua. El transporte de la masa incrementada contribuye también a un aumento de emisión de substancias desagradables desde el punto de vista medioambiental.

La producción y manipulación de las emulsiones de alquitrán requieren ciertas medidas adicionales debido a los productos químicos utilizados en la producción, la sensibilidad a escarcha del producto final y requerimientos de depósitos separados.

Por tanto, existe la necesidad de una mezcla de asfalto que tiene la calidad del asfalto de mezcla caliente, pero con la conveniencia de ser adecuado para el medioambiente, coste y facilidad de manipulación del asfalto de mezcla en frío. El crecimiento de una conciencia respecto al medio ambiente, la seguridad y la salud con el público general y dentro de la industria ha dado lugar a esfuerzos significativos dirigidos a la reducción del uso de combustibles fósiles no-renovables, conservación de energía, y como consecuencia, reducción de emisiones. En la industria del asfalto, la reducción de las temperaturas de producción de la mezcla de asfalto caliente contribuirá a aproximarnos a este propósito.

Por consiguiente, la presente invención proporciona una composición de asfalto que puede producirse a temperaturas más bajas que la mezcla caliente, con menor entrada de energía, con igual o mejores propiedades mecánicas, y a costes iguales o inferiores. Esto se consigue con un proceso para la preparación de una composición de asfalto de mezcla caliente que comprende mezclar un material de agregado en grano con un aglutinante más blando, y añadir un aglutinante duro espumoso a dicha mezcla de material de agregados en grano y aglutinante blando.

La figura 1 muestra una comparación esquemática de rutas de producción de mezcla de asfalto que compara "Producción Convencional de Mezcla de Asfalto Caliente" con la "Producción de Mezcla de Asfalto de Espuma Caliente" de la invención; y la figura 2 muestra un ejemplo de un método para espumar un aglutinante duro.

Después de la mezcla de varios componentes, el aglutinante duro y el aglutinante caliente se fusionarán para formar un componente aglutinante con las propiedades propuestas. La formación de espuma del aglutinante duro reduce la viscosidad y permite el revestimiento y adhesión adecuada del aglutinante a los componentes de agregado a una temperatura inferior.

El uso de un aglutinante duro espumoso tiene ventajas económicas y medioambientales significativas sobre el uso de un polvo de alquitrán o forma emulsionada de alquitrán, sin ser perjudicial para la calidad de la mezcla y pavimento de asfalto resultante. El contenido de agua es solamente del 2-5% en comparación con el 30-50% mencionado previamente de una emulsión. Esto tiene el efecto significativo en términos de almacenamiento, calidad, requerimientos de calor y transporte. En comparación con los aglutinantes emulsionados, un menor contenido de agua del alquitrán espumado permite el endurecimiento inmediato con calentamiento limitado.

Comparado con los asfaltos espumados de mezcla en frío, el asfalto fabricado con el proceso de la invención ofrece mezclas de asfalto densas con contenidos de huecos mucho menores que los asfaltos de mezcla en frío producidos con componentes de aglutinante espumoso. Los aglutinantes utilizados en las mezclas de espuma en frío tienen una penetración suave, entre 180 dmm y 700 dmm.

Adicionalmente, el componente de alquitrán "duro" como se utiliza en una emulsión tiene típicamente una penetración de 50 dmm o menor, en comparación con el valor de penetración del alquitrán duro espumoso en la invención de menos de 100 dmm dependiendo de la aplicación real.

Para comparar la mezcla de asfalto de la presente invención con un asfalto de mezcla en frío donde se utiliza una espuma aglutinante, debería resaltarse que la mezcla de la invención puede aplicarse sobre carreteras con tráfico muy denso, mientras que el asfalto de espuma mixto en frío solamente puede utilizarse en carreteras con poco tráfico. Esto es debido a que el alquitrán utilizado en las mezclas de espuma en frío tradicionales tiene un alquitrán con valores de penetración alta entre 180 y 700 dmm). El grado final del alquitrán utilizado en el proceso de la invención puede ser más duro, con una penetración típica de 60 a 250 dmm. La preparación de un asfalto de mezcla en frío tiene lugar normalmente in situ - es decir, en la carretera - a temperaturas ambiente (en frío), mientras que el asfalto preparado de acuerdo con la invención puede realizarse en la planta de asfalto y/o en la carretera y se realiza típicamente a 60-100ºC. Esto influye inmediatamente en las aplicaciones y capacidad de aplicación de estas mezclas de asfalto.

En la presente invención puede utilizarse tanto un componente aglutinante blando emulsionado y no emulsionado, pero es preferido el aglutinante blando no emulsionado. Si se utiliza un aglutinante blando emulsionado, el aglutinante blando no emulsionado contiene una cantidad más grande de agua. Esta agua debe ser expulsada de la mezcla antes de que se consiga la cohesión y resistencia completa de la mezcla. La emulsión puede ser o bien una emulsión catiónica o aniónica.

El componente de aglutinante duro es añadido a la mezcla como una espuma. El aglutinante blando puede ser añadido también como una espuma si se encuentra que ésta tiene ventajas en una situación específica.

El componente de aglutinante blando puede ser añadido también al agregado a una temperatura relativamente baja, es decir, a una temperatura de menos de 120ºC.

El aglutinante blando se añadirá normalmente al agregado a una temperatura de al menos 70ºC, preferentemente a una temperatura en el intervalo de 60 a 130ºC, más preferentemente en el intervalo de 90 a 110ºC.

En esta aplicación, un componente de aglutinante blando es definido como un componente de aglutinante que tiene una penetración de al menos 200 dmm.

De manera adecuada, el componente de aglutinante blando tiene una penetración de al menos 500 dmm, preferentemente, al menos de 700 dmm, y más preferentemente de al menos 800 dmm (medido por ASTM D 5 a 25ºC). Tales componentes aglutinantes son caracterizados, con frecuencia, por su viscosidad (determinada por ASTM D 2171 a 100ºC). El componente aglutinante blando tiene una viscosidad de menos de 0,300 Pa.s, preferentemente menos de 0.200 Pa.s.

El asfalto preparado en la presente invención está destinado principalmente para uso en carreteras, pero otro uso debería considerarse también dentro del alcance de la invención.

El asfalto de grado denso fabricado en el proceso de la presente invención tiene preferentemente un contenido de huecos de menos de aproximadamente 10%, e incluso más preferentemente un contenido de hueco en el área entre 3 y 10%.

El asfalto fabricado en el proceso de la presente invención podría ser también asfalto de grado abierto con un contenido de hueco de aproximadamente del 15% y 25%.

Una forma de realización de la invención se describirá ahora a modo del siguiente ejemplo.

La comparación esquemática de las rutas del proceso se da en la figura 1, y un método para la formación de espuma del aglutinante en la figura 2. Se da en las Tablas I y II una comparación de calidad y costes.

Una instalación de producción de asfalto para la producción de mezclas de asfalto (figura 1), utiliza el proceso de la invención y comprende un tambor de secado, un molino de mezcla, un silo de almacenamiento de mezcla e instalaciones de producción de espuma de alquitrán. La piedra / arena se introduce en el tambor de secado y se calienta a aproximadamente 130ºC. La piedra / arena caliente es entonces conducida al molino de mezcla donde es mezclado con un alquitrán blando a aproximadamente 120ºC. Cuando el alquitrán blando es mezclado adecuadamente con la piedra / arena, la espuma de alquitrán duro es añadida a la mezcla, y la mezcla continúa hasta que finalmente se añade la substancia de relleno a la mezcla a aproximadamente 20ºC. El producto comprende aproximadamente, en masa, 90% de piedra / arena, 2,5% de alquitrán blando, 2,5% de alquitrán duro y 5% de substancia de relleno.

La espuma está fabricada (figura 2) permitiendo un flujo controlado de alquitrán caliente en un sistema de tubería a través de una primera válvula (A). La primera válvula (A) permite la circulación al almacenamiento, y esto asegura una temperatura estable, requerida en el sistema. La temperatura del sistema de tubería es controlada y se mantiene rodeando la tubería con aceite caliente o cable calefactor y aislamiento. La temperatura seleccionada es dependiente de la calidad, dureza y aumento recompensado del volumen del alquitrán. La temperatura está típicamente en el intervalo de 130ºC a 180ºC.

El flujo de agua controlado, frío o caliente (5ºC-80ºC) es conducido a través de una segunda válvula (B) y es añadido al alquitrán en una cantidad en el orden de 2-7%. Mediante la inyección de agua en el flujo de alquitrán, se expande el alquitrán. El alquitrán es homogeneizado en una mezcladora estática en una cámara de mezcla. El alquitrán expandido, típicamente con un aumento de volumen de 10 a 20 veces, es conducido fuera de la cámara de mezcla a través de una salida y se añade a la mezcla de agregado a través de una o varias toberas.

Comparando este proceso con un proceso de mezcla caliente estándar que produce asfalto de la misma calidad, se encontró que las emisiones de CO_{2} eran el 60-70% inferiores, las emisiones de polvo eran 30-40% inferiores, y consumo de combustible era 40-60% inferior.

Las tablas I y II siguientes, muestran una comparación de calidad relativa con mezcla caliente, y una comparación de coste relativo, respectivamente. El "=" indica medio o igual, "+" indica igual o por encima de la media, y "-" indica peor o inferior a la media en la tabla I. El "?" indica duda, "desconocido" o no medido.

TABLA I Comparación de Calidad Relativa con Mezcla Caliente

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(Tabla pasa a página siguiente)

TABLA II Comparación de Coste Relativo (Mezcla caliente=1,0)

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El ejemplo anterior no limitativo es objeto de una forma de realización de la invención, y debería entenderse que podrían realizarse otras formas de realización, todavía dentro del alcance de la presente invención. La invención debería solamente estar limitada por las siguientes reivindicaciones adjuntas.

Claims (17)

1. Un proceso para la preparación de una composición de asfalto de mezcla caliente que comprende la mezcla de un material de agregado de grano con un aglutinante blando, y añadiendo un aglutinante duro espumado a dicha mezcla de material de agregado en grano y aglutinante blando.

2. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por utilizar un componente de aglutinante duro con una penetración menos de 100 dmm (medido de acuerdo con ASTM D 5 a 25ºC).

3. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por utilizar un componente aglutinante blando con una viscosidad de menos de 0,3 Pa.s a 100ºC (medido de acuerdo con ASTM D 2171 a 100ºC).

4. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por el calentamiento del agregado a 60ºC-120ºC antes de la mezcla con el aglutinante blando y duro.

5. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, donde el aglutinante duro espumoso es fabricado en un proceso de espumación separado, caracterizado por las etapas de:

calentar el aglutinante duro no espumoso a una temperatura de entre 130 y 180ºC;

proporcionar el agua a una temperatura entre 5-80ºC; e

inyectar 2-7% en peso de agua en dicho aglutinante duro no espumoso calentado para expandir dicho aglutinante duro no espumoso calentado hasta formación de una espuma.

6. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por utilizar una espuma con un contenido de agua de 5% o menos.

7. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por añadir el componente de aglutinante blando al agregado a una temperatura de menos de 120ºC.

8. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la temperatura de la mezcla caliente está en el intervalo de 80ºC a 115ºC después de la mezcla.

9. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por utilizar una composición de asfalto de grado denso como la composición de asfalto mixto caliente.

10. El proceso de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado por utilizar una composición de asfalto de grado denso con un contenido de hueco entre 2% y 10% como la composición de asfalto mixto caliente.

11. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por utilizar una composición de asfalto de grado abierto como la composición de asfalto mixto caliente.

12. El proceso de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado por utilizar una composición de asfalto de grado abierto con un contenido de hueco entre 14% y 26% como la composición de asfalto mixto caliente.

13. El proceso de acuerdo con la reivindicación 1, donde el aglutinante blando y el material de agregados es premezclado en una instalación de mezcla del proceso caliente hasta un producto semiacabado para la transferencia a un sitio de colocación del asfalto donde se aplica un aglutinante duro espumado al producto semi-acabado en una máquina de colocación de producción en el sitio de colocación del asfalto.

14. El proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por utilizar componentes de asfalto como los componentes de aglutinante.

15. Uso de composición de asfalto preparada por un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes para aplicaciones de pavimentación.

16. Un sistema para la preparación de la composición de asfalto mixto caliente de la reivindicación 1, que comprende un tambor de secado para calentar y secar el componente de agregado, un molino de mezcla para mezclar los componentes de asfaltos y un silo de almacenamiento de mezcla, caracterizado porque el sistema incluye adicionalmente instalaciones de producción de espuma para formar espuma del aglutinante duro antes de la introducción en el molino de mezcla.

17. El sistema de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado porque las instalaciones de producción de espuma comprenden medios de calentamiento para calentar el componente de aglutinante duro y agua o vapor introduciendo elementos para la posterior introducción de agua al aglutinante duro para producir una espuma.