ES2245230B1 - Composiciones asfalticas. - Google Patents
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Abstract
Composiciones asfálticas. Composición y método de fabricar una composición asfáltica estable al almacenamiento a altas temperaturas, a base de betún virgen modificado con polvo de caucho natural y/o sintético.
Description
Composiciones asfálticas.
La presente invención se refiere a una
composición y método de fabricar una composición a base de betún
modificado con polvo de neumático reciclado.
En los últimos años diversos autores han
descrito la posible utilización de gomas de neumático como
aditivos asfálticos. Conocidos procedimientos usan constituyentes
adicionales de la composición y etapas de procedimiento adicionales
en un intento por proporcionar un sistema homogéneo.
De acuerdo con la presente invención, se definen
como betunes asfálticos los ligantes hidrocarbonados sólidos o
viscosos, preparados a partir de hidrocarburos naturales por
destilación, oxidación o "cracking", que contienen una baja
proporción de productos volátiles, poseen propiedades aglomerantes
características y son esencialmente solubles en sulfuro de carbono.
Los betunes asfálticos se clasifican de acuerdo con los valores
indicadores del valor mínimo y máximo admisible de su penetración,
según la NLT-124, de modo que los betunes
asfálticos empleados para su aplicación en carreteras son aquellos
que cumplen las especificaciones para los tipos B 13/42, B 40/50, B
60/70, B 80/100, B 150/200 y B 200/300.
En la formulación del neumático se incluyen el
caucho natural y polímeros sintéticos, sin embargo, en el producto
final no se encuentran en su estado original. Esto es debido a que
durante el proceso de vulcanizado de los neumáticos se producen
reacciones de entrecruzamiento químico, con lo que se obtiene un
producto de altas propiedades elásticas, y de carácter
termoestable. De esta forma, la goma granulada de neumático no
puede disolverse ni disgregarse dentro del betún de la misma forma
que lo hacen los polímeros termoplásticos.
En la actualidad son dos los métodos de
incorporación de la goma al betún: la vía seca y la vía húmeda.
- La fabricación de mezclas asfálticas con polvo de neumático por vía seca consiste en la incorporación de la goma durante el proceso de fabricación de la mezcla, sin que antes se haya modificado el ligante. Se trata, en definitiva, de introducir el polvo de neumático, como si se tratase de una fracción más de los áridos.
- Normalmente, las mezclas asfálticas obtenidas por adición de gomas por vía seca requieren un 1,5-2% p/p más de betún que en una mezcla convencional. El asfalto obtenido por vía seca puede presentar problemas durante la compactación, así como una disminución de la resistencia intrínseca del material, y un empeoramiento de la resistencia a la fatiga. Dichos problemas se agravan para contenidos en goma superiores al 1% p/p (sobre el peso de árido), y se acentúan a medida que la granulometría del polvo es más gruesa.
- Los procesos por vía húmeda (o procesos de curado), consisten en mezclar la goma con el betún a alta temperatura durante un periodo de tiempo determinado (1 ó 2 horas), adicionándose posteriormente el agregado mineral.
- En general, los procesos por vía húmeda usan mayoritariamente goma de neumático obtenida por el proceso de molienda a temperatura ambiente, en lugar de la obtenida por fractura criogénica, ya que la superficie específica es elevada y el carácter esponjoso de la goma hace que los procesos de curado sean más efectivos y proporcionen mejores resultados. Incluso tamaños muy pequeños de goma (0,074 mm) obtenida por fractura criogénica, no reaccionan de forma adecuada durante el proceso de curado. Por otra parte, se suele emplear goma procedente de la molienda del neumático integral, más que la obtenida de la peladura de la zona de rodadura, ya que la goma integral es más accesible en el mercado y posee un mayor contenido en caucho natural.
Existe un gran número de factores que influyen
en las propiedades finales de un betún modificado con goma de
neumático, tales como el tamaño de partícula, tipo de goma y las
condiciones de procesado (temperatura, velocidad de agitación,
sistema de agitación, tiempo de procesado, presencia de oxígeno,
etc.). Estos factores definen la intensidad del proceso de curado y
las propiedades durante la puesta en servicio de la mezcla
asfáltica.
Un proceso óptimo debería producir un betún
modificado donde las partículas de goma se dispersen de forma
homogénea, manteniendo sus propiedades durante el tiempo de
almacenamiento y transporte.
El estado anterior de la técnica muestra que con
la simple adición de la goma granulada al betún mejoran las
propiedades reológicas, produciendo un aumento de la flexibilidad a
baja temperatura de servicio y un aumento de las características
elásticas y viscosas a alta temperatura de servicio. Sin embargo,
son conocidos los problemas de estabilidad que conlleva el empleo
de estos betunes modificados, ya que las partículas no digeridas
sedimentan en el interior de los tanques de almacenamiento, por lo
que no pueden ser transportadas desde los centros de producción. De
esta forma, la mezcla debe realizarse a pie de obra, lo que
requiere el uso de equipamientos adicionales, con el consiguiente
incremento de coste.
Para resolver este problema, se han patentado
diversos tratamientos superficiales de la goma o empleo de reactivos
compatibilizadores que encarecen el producto final.
En US5270361, se describe un procedimiento para
fabricar una composición asfáltica que incluye caucho sintético o
natural que puede estar en partículas de hasta media pulgada de
espesor. A la mezcla se añade selenio elemental o un compuesto
orgánico de selenio para actuar como un sustituto del azufre que es
retirado durante el proceso de vulcanización.
En US4609696, se describe una composición
asfáltica a base de caucho que se fabrica al combinar betún con un
aceite hidrocarbonado que proporciona una mezcla o solución
homogeneizada de betún-aceite, combinando la mezcla
con caucho en partículas.
En US4588634, se describe una mezcla que usa
betún y polvo de neumáticos triturado junto con un estabilizador
mineral y una composición de diversos polímeros.
En ES2048212 se describe un aglomerante a base
de betún y de polvo de neumático reciclado, que incluye como
aditivo un aceite pesado de carácter
nafteno-aromático, así como un elastómero sintético
con insaturación olefínica de peso molecular superior a 100.000,
actuando como catalizador de la reacción de incorporación del
caucho en el
betún.
betún.
Por lo tanto, existe una necesidad de obtención
de una composición asfáltica que sea estable al almacenamiento a
altas temperaturas, que presente adecuadas propiedades reológicas,
de flexibilidad a baja temperatura de servicio y de elasticidad y
viscosidad a alta temperatura de servicio, al tiempo que no
presente los problemas de sedimentación propios de otros sistemas
anteriormente conocidos.
Un primer aspecto de la presente invención
proporciona una composición asfáltica que comprende un betún virgen
y entre el 5% y el 30% de polvo de caucho natural y/o
sintético.
De acuerdo con una realización preferida de la
presente invención, se proporciona un método de preparación de un
betún modificado con goma de neumático que es estable al
almacenamiento a temperaturas comprendidas entre 150ºC y 180ºC.
De acuerdo con una realización preferida de la
presente invención, en la composición asfáltica el caucho empleado
proviene de gomas de neumático.
Según otra realización preferida, dicha
composición asfáltica contiene polvo de neumático triturado de
tamaño de partícula comprendido entre 0,05 y 1,5 mm.
En una realización aún más preferida, el polvo
de neumático presenta índices de estabilidad de 1\pm0,95.
De acuerdo con otra realización preferida, en la
composición asfáltica el betún virgen empleado se selecciona entre
el grupo formado por aquellos de penetración 60/70, 80/100, 150/200,
200/300 y mezcla de los mismos. Siendo preferido el betún virgen de
penetración 60/70.
Según otra realización preferida de la presente
invención, la composición asfáltica es estable a elevadas
temperaturas entre 150ºC y 180ºC.
Un segundo aspecto de la presente invención
proporciona un procedimiento de preparación de una composición
asfáltica caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
- a.
- mezcla de entre el 5% al 30% en peso de polvo de caucho sintético y/o natural con el betún virgen;
- b.
- digestión de la mezcla a temperatura entre 180º y 210ºC
De acuerdo con una realización preferida de la
presente invención, en el procedimiento de preparación de la
composición asfáltica anterior, el caucho empleado proviene de
gomas de neumático.
En una realización más preferida, se emplea
polvo de neumático triturado de tamaño de partícula comprendido
entre 0,05 y 1,5 mm.
De acuerdo con otra realización aún más
preferida, en el procedimiento el polvo de neumático empleado
presenta índices de estabilidad de 1\pm0,95.
En una realización preferida del procedimiento
de preparación de la composición asfáltica, el tiempo de digestión
está comprendido entre 0,25 y 1,5 horas.
Según otra realización preferida, el betún
virgen empleado se selecciona entre el grupo formado por aquellos
de penetración 60/70, 80/100, 150/200, 200/300 y mezcla de los
mismos. Siendo aún más preferido el betún virgen de penetración
60/70.
Los ensayos de estabilidad se realizaron
introduciendo el betún modificado en una probeta de sedimentación
durante 12 horas, tras las cuales se tomaron muestras de la zona
inferior y superior (0 y 30 cm de altura en la probeta). A las
muestras así obtenidas, se les determinó el contenido en sólidos no
digeridos, disolviendo la muestra en tetrahidrofurano, filtrando
con papel de poro de 3 \mum, y pesando después de eliminar el
disolvente. Igualmente, se las sometió a dos ensayos reológicos a
50ºC, en reómetros de esfuerzo controlado. El primero de ellos
consiste en un ensayo de flujo en estado estacionario, en el cual
se les somete a la muestra a esfuerzos crecientes unidireccionales,
determinándose la viscosidad en función de la velocidad de cizalla.
El segundo, barrido de frecuencias en viscoelasticidad lineal,
consiste en imponer un esfuerzo de cizalla oscilatorio a diversas
frecuencias, manteniendo las muestras en estado
"cuasi-inalterado".
A partir de la respuesta dinámica del sistema se
obtienen dos magnitudes conocidas como módulo de almacenamiento
(G') y módulo de pérdidas (G''), que pueden relacionarse con las
características elásticas y viscosas del material. A partir de
estos ensayos se definen dos parámetros de estabilidad al
almacenamiento a alta temperatura del sistema. El primero de ellos
se calcula la relación de concentraciones de goma no digerida
entre la superficie y el fondo de la probeta de sedimentación,
empleando la siguiente ecuación:
\frac{conc (0
\ cm)}{conc(30 \
cm)}
y el segundo de la relación de
viscosidades, medidas a 50ºC, a una velocidad de cizalla constante
de 0,01 s^{-1}, mediante la siguiente
ecuación:
\frac{\eta^{50^{o}C}_{0.01s^{-1}}
\ (0 \ cm)}{\eta^{50^{o}C}_{0.01s^{-1}} \ (30 \
cm)}
De esta forma, se consideran sistemas estables
los que presentan índices de estabilidad de 1\pm0,95.
En las Figuras 2 y 3, se presentan las
propiedades viscoelásticas lineales y el comportamiento de flujo
viscoso en estado estacionario, a 50ºC, de las regiones superior e
inferior de la probeta de sedimentación de una muestra inestable al
almacenamiento, a 180ºC, durante 12 horas, mientras que para otra
estable al almacenamiento en esas mismas condiciones se presenta
en las Figuras 4 y 5. A efectos comparativos se incluye también la
muestra antes de ser sometida a ensayos de estabilidad y, para la
situación estable, el betún de partida.
Se observó que los betunes modificados
inestables presentaban propiedades distintas de la situación
original después de ser almacenados de forma estática durante 12
horas. En cambio, los sistemas estables, mantienen sus propiedades
al menos durante 12 horas. Por otra parte, si se comparan las
propiedades del betún modificado con las del betún de partida,
puede observarse un aumento importante de módulos de
almacenamiento y pérdidas, así como de viscosidad, a 50ºC, lo que
implica una mejora importante de propiedades en la región de alta
temperatura de
servicio.
servicio.
Los resultados de los ensayos de estabilidad
pueden resumirse en curvas de superficie, en las que se representan
los índices de estabilidad para muestras procesadas a una
determinada temperatura de procesado (180ºC en este caso), frente a
la concentración y granulometría de las gomas (Figuras 6 y 7). Para
obtener los valores de los índices de estabilidad se realizaron
ensayos de sedimentación, variando la concentración y el tamaño de
partícula, empleando gomas "monodispersas", es decir las que
quedan retenidas entre un tamiz y el siguiente (con una diferencia
de 0,1 mm aproximadamente). De esta forma, para cada temperatura
de procesado, se dispone de representaciones similares, donde se
consideran sistemas estables los que presentan índices de
estabilidad de 1\pm0,95.
Curva de frecuencias de distribución de tamaños
de las partículas de dos tipos de gomas granuladas comerciales. El
100% de las partículas de la goma de mayor tamaño atraviesan un
tamiz de 1 mm de luz de malla, mientras que las de menor tamaño
atraviesan uno de 0,8 mm de luz de malla. En ambos casos, se
observa una amplia distribución de tamaños, lo que indica el
carácter polidisperso de las gomas granuladas comerciales.
Barridos de frecuencias, a esfuerzo comprendido
dentro del intervalo viscoelástico lineal, a 50ºC, de una muestra
original de betún modificado con un 9% de goma granulada que pasa
por un tamiz de 1 mm, y de muestras tomadas de las regiones
superior (30 cm) e inferior (0 cm) de este betún modificado,
sometido a ensayos de estabilidad al almacenamiento, durante 12
horas a 180ºC. Los valores de los módulos de almacenamiento (G') y
pérdidas (G'') de la muestra del fondo de la probeta (0 cm) son
superiores a los de la muestra original. En cambio, los
correspondientes a la región superior (30 cm) son claramente
inferiores. Esto se debe a la precipitación de las partículas de
goma y, por tanto, una mayor concentración en las regiones
inferiores, indicando el carácter claramente inestable de este
sistema.
Curvas de flujo en estado estacionario, a 50ºC,
de una muestra de betún modificado con un 9% de goma granulada que
pasa por un tamiz de 1 mm, y de muestras tomadas de las regiones
superior (30 cm ) e inferior (0 cm) de este betún modificado,
sometido a sedimentación durante 12 horas a 180ºC. La viscosidad de
la muestra a cm es claramente superior a la original, y la de 30 cm
presenta valores inferiores. Al igual que en la Figura 2, esto se
debe a la mayor presencia de goma sedimentada en las regiones
inferiores de la probeta de sedimentación, como consecuencia de la
inestabilidad al almacenamiento.
Barridos de frecuencias, a esfuerzo comprendido
dentro del intervalo viscoelástico lineal, a 50ºC, de una muestra
original de betún modificado (9% de goma granulada que pasa por un
tamiz de 0,3 mm y queda retenida en el de 0,2 mm), y de muestras
tomadas de las regiones superior (30 cm) e inferior (0 cm) de este
betún modificado, sometido a ensayos de estabilidad al
almacenamiento durante 12 horas a 180ºC. La coincidencia de los
módulos de almacenamiento (G') y pérdidas (G'') en todo el
intervalo de frecuencias de las muestras sometidas a ensayos de
estabilidad y las del betún modificado de partida, indican que este
sistema se mantiene estable al almacenamiento a alta temperatura,
en las condiciones ensayadas. Por otra parte, el aumento de módulos
respecto del betún no modificado produce una mejora de propiedades,
en la región de altas temperaturas de servicio.
Curvas de flujo en estado estacionario, a 50ºC,
de una muestra de betún modificado (9% de goma granulada que pasa
por un tamiz de 0,3 mm y queda retenida en el de 0,2 mm), y de
muestras tomadas de las regiones superior (30 cm) e inferior (0 cm)
de este betún modificado, sometido a ensayos de estabilidad al
almacenamiento durante 12 horas a 180ºC. La coincidencia los
valores de viscosidad en todo el intervalo de velocidades de
cizalla de las muestras sometidas a ensayos de estabilidad y las
del betún modificado de partida, indican que este sistema se
mantiene estable al almacenamiento a alta temperatura, en las
condiciones ensayadas. Por otra parte, el aumento de viscosidad
respecto del betún no modificado da cuenta de una mejora de
propiedades, en la región de altas temperaturas de servicio.
Índices de estabilidad de concentración,
obtenidos de ensayos filtración para la medida de sólidos no
digeridos. Los índices se calculan a partir de la relación de
concentraciones de goma no digerida de muestras tomadas en la
superficie y el fondo de la probeta de sedimentación. Puede
observarse que, a mayor concentración y menor tamaño de partícula,
la estabilidad al almacenamiento a alta temperatura aumenta.
Índices de estabilidad de viscosidad, obtenidos
de ensayos de flujo en estado estacionario, a 50ºC, como los
representados en las figuras 3 y 5. Los índices se calculan a
partir de la relación de viscosidades a 0,01 s^{-1} de muestras
tomadas en la superficie y el fondo de la probeta de sedimentación.
Al igual que se observa en la Figura 6, a mayor concentración y
menor tamaño de partícula, la estabilidad al almacenamiento a alta
temperatura aumenta.
La presente invención se ilustra con los
siguientes ejemplos no limitativos.
En la Tabla 1, se presentan los resultados de
pruebas de estabilidad frente al almacenamiento, a alta
temperatura, de las muestras de betún modificado con un 9% de goma
de neumático comercial, que atraviesa el tamiz de 0,8 mm,
procesadas entre 120 y 250ºC con un betún 60/70.
A la vista de los resultados, en todos los
sistemas se produce una sedimentación muy importante de partículas
de goma no digerida, ya que los parámetros de estabilidad presentan
valores superiores a 1. Por otra parte, mientras que el parámetro
de concentración aumenta con la temperatura de procesado hasta
210ºC, el de viscosidad presenta la tendencia contraria a partir
de 180ºC. A mayor temperatura de procesado la proporción de
partículas que sedimentan es mayor. Sin embargo, como consecuencia
de los procesos de digestión, la concentración de sólidos totales
disminuye apreciablemente a partir de 180ºC. Esto produce aumento
de viscosidad de la fase continua de betún modificado, y por tanto,
menores diferencias de viscosidad.
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Características de las muestras
del ensayo de sedimentación a 180ºC de un betún 60/70 con un 9% de
goma comercial que pasa por un tamiz de 0,80 mm durante 1,5 horas a
diversas temperaturas de
procesado
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Dos tipos de polvo de neumático comercial se
caracterizaron mediante tamizado, obteniendo las curvas de
frecuencias de distribución de tamaños representadas en la Figura
1. Como puede observarse, las gomas granuladas comerciales
(polidispersas) presentan una amplia distribución de tamaños. De
éstas, pueden separarse por tamizado fracciones con una
distribución de tamaños más homogénea (monodispersas), retirando la
fracción de goma retenida entre tamices consecutivos (Tabla 2). El
tamiz mayor es aquel que atraviesan el 100% de las partículas y el
menor es el más pequeño donde queda retenida al menos el 80% de la
goma. En la Tabla 2 se presentan los resultados de las pruebas de
estabilidad de betunes modificados con goma de neumático de
distinto tamaño, procesadas en las mismas condiciones.
Si se analizan los resultados de muestras de
betún modificado preparados con goma de distinta granulometría
(9%p/p; 180ºC) puede concluirse que las estabilidad al
almacenamiento aumenta a medida que disminuye el tamaño de las
partículas.
Estudios realizados sobre betunes modificados
con goma que atraviesa el tamiz de 0,4 mm muestran que para
concentraciones superiores al 9% de goma los sistemas se mantienen
estables. En cambio para concentraciones del 5% o menores, son
claramente inestables al almacenamiento.
Los resultados del ensayo de sedimentación a
180ºC de un betún 60/70 con diferentes concentraciones de goma que
atraviesa un tamiz de 0,4 mm para una temperatura de procesado de
180ºC, se muestran en la Tabla 3.
Claims (14)
1. Una composición asfáltica
caracterizada porque comprende un betún virgen y entre el 5%
y el 30% de polvo de caucho natural y/o sintético.
2. La composición asfáltica de acuerdo con la
reivindicación anterior 1, caracterizada porque el caucho
empleado proviene de gomas de neumático.
3. La composición asfáltica de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 2,
caracterizado porque contiene polvo de neumático triturado
de tamaño de partícula comprendido entre 0,05 y 1,5 mm.
4. La composición asfáltica de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 3,
caracterizada porque el polvo de neumático presenta índices
de estabilidad de 1\pm0,95.
5. La composición asfáltica de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 4,
caracterizado porque el betún virgen empleado se selecciona
entre el grupo formado por aquellos de penetración 13/42, 40/50,
60/70, 80/100, 150/200, 200/300 y mezcla de los mismos.
6. La composición asfáltica de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 5,
caracterizado porque el betún virgen empleado es de
penetración 60/70.
7. La composición asfáltica de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones anteriores 1 a 6,
caracterizado porque es estable a elevadas temperaturas
entre 150ºC y 180ºC.
8. Un procedimiento de preparación de una
composición asfáltica caracterizado porque comprende las
siguientes etapas:
- a.
- mezcla de entre el 5% al 30% en peso de polvo de caucho sintético y/o natural con el betún virgen;
- b.
- digestión de la mezcla a temperatura entre 180º y 210ºC
9. El procedimiento de acuerdo con la
reivindicación anterior 8, caracterizado porque el caucho
empleado proviene de gomas de neumático.
10. El procedimiento de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones anteriores 8 a 9, caracterizado
porque se emplea polvo de neumático triturado de tamaño de
partícula comprendido entre 0,05 y 1,5 mm.
11. El procedimiento de acuerdo cualquiera de
las reivindicaciones anteriores 8 a 10, caracterizado
porque el polvo de neumático presenta índices de estabilidad de
1\pm0,95.
12. El procedimiento de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones anteriores 8 a 11, caracterizado
porque el tiempo de digestión está comprendido entre 0,25 y 1,5
horas.
13. El procedimiento de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones anteriores 8 a 12, caracterizado
porque el betún virgen empleado se selecciona entre el grupo formado
por aquellos de penetración 60/70, 80/100, 150/200, 200/300 y
mezcla de los mismos.
14. El procedimiento de acuerdo con cualquiera
de las reivindicaciones anteriores 8 a 13, caracterizado
porque el betún virgen es de penetración 60/70.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| ES200400978A ES2245230B1 (es) | 2004-04-23 | 2004-04-23 | Composiciones asfalticas. |
Applications Claiming Priority (1)
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| ES2245230A1 ES2245230A1 (es) | 2005-12-16 |
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| FR2580658B1 (fr) * | 1985-04-22 | 1987-06-05 | Beugnet Sa | Composition pour revetement, a base de bitume et de poudre de caoutchouc de recuperation |
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