ES2403354A1 - Composición bituminosa y su utilización para reducir las vibraciones y el ruido - Google Patents

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Abstract

Composición bituminosa y su utilización para reducComposición bituminosa y su utilización para reducir las vibraciones y el ruido. La presente invenciir las vibraciones y el ruido. La presente invención se encuentra en el ámbito de la ingeniería civión se encuentra en el ámbito de la ingeniería civil y se refiere a una nueva composición de un materl y se refiere a una nueva composición de un material bituminoso utilizado en la construcción de cuaial bituminoso utilizado en la construcción de cualquier capa que forme parte de una estructura ferrlquier capa que forme parte de una estructura ferroviaria o carretera. Dicha composición, además de oviaria o carretera. Dicha composición, además de presentar propiedades estructurales adecuadas parapresentar propiedades estructurales adecuadas para su utilización en las vías ferroviarias o carrete su utilización en las vías ferroviarias o carreteras, presenta propiedades mejoradas en cuanto a laras, presenta propiedades mejoradas en cuanto a la reducción de las vibraciones y el ruido. reducción de las vibraciones y el ruido.

Description

Composición bituminosa y su utilización para reducir las vibraciones y el ruido
La presente invención pertenece al ámbito de la ingeniería civil y se refiere a una nueva composición de un material bituminoso utilizado en la construcción de cualquier capa que forme parte de una estructura ferroviaria o carretera. Dicha composición, además de presentar propiedades estructurales adecuadas para su utilización en las vías ferroviarias o carreteras, presenta propiedades mejoradas en cuanto a la reducción de las vibraciones y el ruido.
El subbalasto es la capa situada por debajo del balasto y sobre la plataforma de una vía ferroviaria, que tiene la función fundamental de evitar daños a la plataforma por erosión, drenar el agua de lluvia, mejorar el reparto de las cargas y mantener el balasto fuera del alcance de elementos extraños. El subbalasto granular, utilizado convencionalmente, presenta numerosos problemas de comportamiento y aprovisionamiento, que hacen que sea necesario el desarrollo de nuevos materiales que lo sustituyan.
Entre otros inconvenientes, el subbalasto granular convencional aporta un módulo de rigidez reducido, por lo que se necesitan elevados espesores para asegurar la capacidad portante adecuada y puede ser susceptible a asientos; también puede presentar problemas puntuales en su función de impermeabilización y separación entre la capa de balasto y la plataforma, produciéndose a veces contaminación entre ambas capas; además, las grandes cantidades de material necesarias, así como las restrictivas exigencias granulométricas requeridas, implican que puede existir escasez de suministro, pocas canteras autorizadas e impactos ambientales importantes, tanto visuales como durante el transporte.
Para resolver los problemas anteriormente mencionados del subbalasto granular convencional, se han dado a conocer mezclas bituminosas, que están formadas fundamentalmente por una combinación de áridos y un ligante hidrocarbonado. Por ejemplo, en el documento de Patente PCT/ES2011/070351 se da a conocer un material bituminoso y su utilización en la construcción de obras públicas y estructuras ferroviarias. Dicho material bituminoso comprende, entre otros componentes, polvo de caucho vulcanizado procedente de neumáticos gastados y desechados para su uso o fuera de uso. El documento no menciona la posible utilización de dicho material como atenuador de vibraciones y ruidos, en todo caso su utilización se excluye del alcance de protección de la presente invención.
Generalmente, los elementos que forman parte de una composición bituminosa de este tipo son áridos gruesos, polvo mineral y un ligante bituminoso. Sin embargo, dependiendo del tipo y proporción de los materiales utilizados en las composiciones bituminosas, tales como, por ejemplo, polímeros de tipología muy variada, se pueden obtener propiedades muy diferentes en la composición bituminosa final.
Por otra parte, la sustitución de materiales de vía obtenidos en cantera, tal como subbalasto granular tradicional o las piedras de balasto por materiales artificiales es, a día de hoy, una tendencia habitual. Resulta muy ventajoso a la hora de abordar una obra de ferrocarril no depender de la disponibilidad de este tipo de materiales naturales provenientes de cantera, cada día menos abundantes y disponibles, lo cual también es mejor desde el punto de vista medioambiental. Además, gracias a esta sustitución, los costes de transporte disminuyen considerablemente si se considera una planta móvil de producción de asfalto instalada cerca de la vía.
Además de las consideraciones anteriores, se sabe que las características de las mezclas bituminosas le hacen ser un producto propicio para ser utilizado en la vía férrea. Su adecuada deformabilidad de cara a los asientos diferenciales provenientes de los materiales granulares inferiores y su alta impermeabilidad le dotan de unas propiedades que quedan como solución de compromiso respecto al uso del hormigón y el uso de materiales granulares.
Por último, el problema de los residuos es muy destacable dentro de las diferentes preocupaciones medioambientales a solventar en la actualidad. En este sentido, cada día es más necesario proceder a la reutilización de dichos residuos. Concretamente, el abundante uso en diferentes sectores de productos poliméricos, tales como cauchos y plásticos, ha supuesto la aparición de diversos problemas medioambientales, fundamentalmente relacionados con los residuos que generan. Un ejemplo muy preocupante de esto son los residuos plásticos provenientes, entre otros, de la construcción de invernaderos, recubrimientos de embalses, tuberías de canalización o envases de la industria alimenticia o los residuos de caucho procedentes de la industria zapatera.
Por lo tanto, la presente invención da a conocer una nueva composición de un material bituminoso, que es adecuada para utilizar como subbalasto en las vías de ferrocarril o cualquier capa que forme parte de una carretera. Sorprendentemente, los inventores han descubierto que dicha composición de material bituminoso presenta, además de las propiedades estructurales adecuadas para su utilización como subbalasto, propiedades que permiten la reducción significativa de las vibraciones y el ruido.
5 El material bituminoso de la presente invención presenta resistencia estructural, rigidez, capacidad portante, resistencia a deformaciones plásticas permanentes bajo un número determinado de ciclos, resistencia a fatiga, durabilidad, adhesividad e impermeabilidad. Además, es capaz de intervenir en la propagación de las vibraciones, mitigando su efecto gracias a la reología que le aportan las partículas poliméricas y al carácter del asfalto como
10 material visco-elástico.
Con la composición de la presente invención se consiguen a la vez tres ventajas fundamentales:
15 -Se aprovechan las características que aportan los productos poliméricos a las mezclas bituminosas, para así poder conseguir una reología adecuada, enfocada a la atenuación de vibraciones y ruido.
-
Se evita utilizar materiales naturales provenientes de cantera cuya disponibilidad empieza
20 a ser a día de hoy reducida. Estos pueden ser, por ejemplo, las piedras de balasto y el material granular que forma la capa de subbalasto.
-
Es posible reutilizar plásticos desechables como aditivos poliméricos para formar parte del material bituminoso, con el objetivo de conseguir una mejor reología a la vez que se crea un
25 material de construcción respetuoso con el medioambiente.
Además, la opción de reutilizar estos residuos plásticos como aditivo polimérico para la presente invención resulta ser muy adecuada. Esto es debido a que el coste de los productos poliméricos utilizados como materia prima es elevado en comparación con el del
30 betún y, por tanto, este problema puede ser parcialmente resuelto mediante el uso de polímeros de desecho como los citados anteriormente.
La composición bituminosa de la presente invención comprende:
35 -Áridos: 90-98% en peso de la composición total.
-
Ligante: 2-15% en peso de la composición total.
-Material polimérico: menor o igual al 5% en peso de la composición total o menor o igual al 40% en peso con respecto al peso del ligante. 5 caracterizada porque:
dicho ligante se selecciona entre betunes asfálticos con una penetración de 10/20, 20/35, 35/50, 50/70, 70/100, o mayor hasta 300 décimas de milímetro, o cualquier otro que esté
10 incluido en el rango de los anteriores; y porque el material polimérico se selecciona entre polímeros termoplásticos o unidimensionales, polímeros termoendurecibles o tridimensionales, elastómeros o cauchos y elastómeros termoplásticos; con la condición de que dicho material polimérico no proviene del reciclaje de neumáticos fuera de uso.
15 Entre los polímeros termoplásticos o unidimensionales adecuados para utilizar en la composición bituminosa de la presente invención se encuentran polietileno (PE), polipropileno (PP), etileno acetato de vinilo (EVA), entre otros.
Los polímeros termoendurecibles o tridimensionales adecuados para utilizar en la
20 composición bituminosa de la presente invención se pueden seleccionar entre una resina epoxi, un poliuretano o una resina de poliéster, entre otros.
Por otra parte, entre los elastómeros o cauchos adecuados para utilizar en la composición bituminosa de la presente invención se encuentran caucho natural (NR), cauchos de etileno
25 propileno (EPM), terpolímeros de etileno propileno dieno (EPDM), caucho de butadieno estireno (SBR), entre otros.
Los elastómeros termoplásticos adecuados para utilizar en la composición bituminosa de la presente invención se pueden seleccionar del grupo que comprende copolímeros sintéticos
30 de estireno butadieno estireno (SBS), lineales o radiales; copolímeros de estireno-isopreno-estireno (SIS), entre otros.
El material polimérico utilizado en la composición bituminosa de la presente invención puede ser material polimérico reutilizado procedente de desechos.
El tipo de betún asfáltico utilizado como ligante en la composición de la presente invención se selecciona en dependencia del grado de mitigación de ruido y vibraciones deseado. Por ejemplo, para una vía ferroviaria o carretera que discurre por una ciudad, donde además puede haber un hospital cercano, es recomendable escoger betunes de alta consistencia y viscosidad, tales como betunes asfálticos con penetración 10/20, 20/35 ó 35/50. Por el contrario, cuando las exigencias en cuanto a la reducción de vibraciones y ruido no sean demasiado limitantes, tal como por ejemplo un tramo genérico de vía ferroviaria o carretera en ámbito urbano, se puede utilizar un betún con mayor penetración y por lo tanto menor consistencia y viscosidad, tal como por ejemplo un betún asfáltico con una penetración 50/70 ó 70/100. Además, para seleccionar el tipo de betún se debe tener en cuenta el clima, la localización de la capa en la sección de vía y la categoría de tráfico ferroviario que deba absorber la vía durante su vida útil.
El término árido, tal como se utiliza en la presente invención, se refiere al material granulado que es utilizado como materia prima en la construcción, principalmente. Los áridos que se pueden utilizar en la composición bituminosa de la presente invención deben cumplir con las diferentes normativas y la práctica habitual (por ejemplo, la UNE-EN 933-2). La granulometría de dichos áridos se puede considerar separada en dos intervalos: partículas retenidas por el tamiz de 2 mm (fracción gruesa) y partículas no retenidas por el tamiz 2 mm pero retenidas por el tamiz 0,063 mm (fracción fina). En dependencia del grado de compactación deseado de la capa de composición bituminosa de la presente invención, se puede utilizar la fracción gruesa, la fracción fina o una mezcla de ambas fracciones de áridos.
Las composiciones bituminosas preparadas según la presente invención, cumplen con las normas elaboradas por el Comité Europeo de Normalización (CEN) para este ámbito. Las normas europeas a las que se hace referencia son las siguientes:
-
Norma Europea EN 13108-1 para hormigones bituminosos, junto con sus correspondientes rectificaciones.
-
Norma Europea EN 13108-2 para mezclas bituminosas para capas delgadas, junto con sus correspondientes rectificaciones.
-
Norma Europea EN 13108-3 para mezclas bituminosas tipo SA, junto con sus correspondientes rectificaciones.
-
Norma Europea EN 13108-4 para mezclas bituminosas tipo HRA, junto con sus correspondientes rectificaciones.
5 -Norma Europea EN 13108-5 para mezclas bituminosas tipo SMA, junto con sus correspondientes rectificaciones.
-
Norma Europea EN 13108-6 para másticos bituminosos, junto con sus correspondientes
10
rectificaciones. -Norma Europea EN 13108-7 correspondientes rectificaciones. para mezclas bituminosas drenantes, junto con sus
15
-Norma Europea EN 13108-8 correspondientes rectificaciones. para mezclas bituminosas recicladas, junto con sus
Además, cumple con todas las versiones oficiales equivalentes a las mencionadas normas, recogidas por los distintos organismos emisores de normativas nacionales. Obviamente, también se han considerado en la presente invención las versiones oficiales emitidas por
20 AENOR para España.
Estas normativas UNE-EN son las siguientes:
-UNE-EN 13108-1, junto con sus correspondientes rectificaciones. 25 -UNE-EN 13108-2, junto con sus correspondientes rectificaciones.
-UNE-EN 13108-3, junto con sus correspondientes rectificaciones.
30 -UNE-EN 13108-4, junto con sus correspondientes rectificaciones.
-UNE-EN 13108-5, junto con sus correspondientes rectificaciones.
-UNE-EN 13108-6, junto con sus correspondientes rectificaciones. 35 -UNE-EN 13108-7, junto con sus correspondientes rectificaciones.
-UNE-EN 13108-8, junto con sus correspondientes rectificaciones.
La composición bituminosa según la presente invención se puede preparar utilizando los
5 dispositivos habituales para la preparación de mezclas bituminosas convencionales, conocidos por un experto en la materia. La instalación debe ser capaz de realizar el calentamiento tanto de los áridos como del ligante, y de dosificar y mezclar los componentes en la proporción adecuada.
10 Como excepción al procedimiento de preparación habitual, es posible introducir el material polimérico mediante dos procesos diferentes denominados vía húmeda y vía seca. La diferencia entre los dos procedimientos reside en el momento en el que se introduce el material polimérico en la composición. En la vía húmeda, el material polimérico se incorpora al ligante (betún asfáltico) previamente, por ejemplo, en una amasadora. Por otra parte, en
15 la vía seca, las partículas de material polimérico son introducidas directamente al mezclador, junto con el árido.
El procedimiento general para la preparación de la composición bituminosa según la presente invención comprende las etapas de: transportar los áridos desde las tolvas hasta el
20 secador, secar los áridos, calentar los áridos hasta una temperatura prefijada, añadir el material polimérico al mezclador o a la amasadora, según el caso (vía seca o vía húmeda) en la proporción adecuada establecida, mediante un silo con báscula de dosificación y amasar todos los componentes a una temperatura que puede llegar a estar comprendida, según el tipo de mezcla, entre 60 y 200 ºC.
25 La temperatura de mezclado debe ser superior a la de una mezcla convencional, debido a la presencia de polímeros en la dosificación (de 5 a 10 ºC superior). Las propiedades del betún se ven mejoradas debido a la interacción del material polimérico con el betún. La dosificación del betún ha de ser mayor que en una mezcla convencional debido a la
30 presencia del material polimérico.
Tal como se ha mencionado anteriormente, la presente invención se refiere también a la utilización de la composición bituminosa para la construcción de estructuras de obras públicas.
Además, la composición bituminosa de la presente invención se puede utilizar en la construcción de cualquier capa que forme parte de una estructura ferroviaria o carretera. Por ejemplo, en una vía ferroviaria se puede utilizar tanto en la superficie: sirviendo como soporte de las traviesas, como matriz en la que se embeben las traviesas o en la que se embeben los carriles; como base, subbase, capa o subcapa de la vía; como capa de subbalasto; o como cualquier otra capa inferior a la capa de subbalasto, que tenga como finalidad la atenuación del ruido y las vibraciones ferroviarias, u otras exigencias enfocadas al funcionamiento estructural.
Además, también se contempla que la composición bituminosa de la presente invención se pueda utilizar en dos localizaciones simultáneas dentro de la misma sección de vía. De esta forma, se podría aumentar su poder atenuador del ruido y las vibraciones. Se puede destacar también su capacidad absorbente del ruido y las vibraciones, si este material se dispone en contacto con la superficie, ya que, a diferencia del hormigón, dispone de una superficie más rugosa capaz de reducir la externalidad en forma de ruido mediante el mecanismo de absorción.
Por lo tanto, la presente invención también se refiere a la utilización de la composición bituminosa para la reducción del ruido y las vibraciones en una vía ferroviaria o carretera.
Las figuras 1 y 2 muestran algunas de las posibles localizaciones de la capa de la composición bituminosa, según la presente invención. En la figura 1, se muestra una sección transversal de una vía ferroviaria, en la que la composición bituminosa de la presente invención se utiliza como capa de subbalasto −2-, debajo de la capa de balasto -1-.
En la figura 2, se muestra una sección transversal de un tipo de vía en placa, en la que la composición bituminosa de la presente invención se utiliza para la reducción de vibraciones en losa -3-sobre una base granular -4-.
El extendido de la composición bituminosa de la presente invención se puede realizar mediante cualquier método convencional de puesta en obra, conocidos por un experto en la materia. Sin embargo, dicho extendido puede variar dependiendo de en qué capa de vía se utilice dicha composición bituminosa o sobre qué rangos de ruidos y frecuencias de vibración se desee reducir. Estos dos hechos condicionan sobre todo el espesor de la mezcla a extender, y esto a su vez condiciona el número de extendidos necesarios.
La presente invención se describe a continuación con más detalles en referencia a varios ejemplos de realización. Estos ejemplos, sin embargo, no están destinados a limitar el alcance de la presente invención, sino a ilustrar la descripción de la misma.
5 EJEMPLOS
Ejemplo 1.
Preparación de una composición bituminosa según la presente invención (Composición 1)
10 Se preparó una composición bituminosa según la presente invención mezclando, en primer lugar, áridos (91,5% en peso), betún de penetración 20/35 (5,5% en peso) y caucho de butadieno estireno (SBR, 3% en peso).
15 La granulometría de los áridos de la Composición 1 se representa en la siguiente tabla.
Fracción granulométrica (mm)
% en peso respecto al total de la mezcla
18-25
9,15
12-18
14,64
6-12
18,3
0-5
45,30
relleno
4,11
Ejemplo 2. Preparación de una composición bituminosa según la presente invención (Composición 2)
20 Se preparó una composición bituminosa según la presente invención mezclando, en primer lugar, áridos (92,3% en peso), betún de penetración 35/50 (5,3% en peso) y polietileno de baja densidad proveniente de plásticos residuales de invernaderos del sector agrícola (LLDPE, 2,4% en peso).
La granulometría de los áridos de la Composición 2 se representa en la siguiente tabla.
Fracción granulométrica (mm)
% en peso respecto al total de la mezcla
18-25
11,07
12-18
12,92
6-12
17,54
0-5
46,62
relleno
4,15
Ejemplo 3. Preparación de una composición bituminosa según la presente invención 5 (Composición 3)
Se preparó una composición bituminosa según la presente invención mezclando, en primer lugar, áridos (92,0% en peso), betún de penetración 50/70 (5,5% en peso) y polipropileno (PP, 2,5% en peso).
10 La granulometría de los áridos de la Composición 3 se representa en la siguiente tabla.
Fracción granulométrica (mm)
% en peso respecto al total de la mezcla
18-25
7,36
12-18
16,56
6-12
19,32
0-5
45,08
relleno
3,68
Ejemplo 4. Comparación de la reducción de ruido/vibraciones con respecto a un material 15 granular convencional.
El extendido del producto se efectuó con máquinas extendedoras habituales provistas de placas vibrantes calefactadas. También se precisó de un sistema de nivelación para asegurar que la superficie final quedara perfectamente a la altura establecida por la
20 topografía previa. La temperatura de la mezcla durante esta operación estuvo comprendida entre los 130 y los 180 ºC.
La compactación de la mezcla se realizó mediante técnicas y maquinarias habituales, es decir, mediante compactadores de rodillos o de neumáticos cronológicamente. Estos procesos permiten, al igual que para las mezclas convencionales, obtener una superficie final adecuada y uniforme.
Se extendió una capa de las composiciones 1 a 3 de los ejemplos anteriores, de 9 cm de 5 espesor sobre un relleno convencional. Además, se extendió una capa de subbalasto granular convencional de 30 cm también sobre un relleno convencional.
A una temperatura ambiente de 21ºC, se procedió a excitar cada una de las capas utilizando un deflectómetro de impacto que imprimía siempre la misma carga de impacto. Se registró la 10 aceleración de cada una de las composiciones aplicadas en puntos situados a 1 m y 3 m del punto de excitación.
La reducción de la amplitud de la aceleración de las composiciones según la presente invención fueron muy similares, y de aproximadamente un 32% menor en el punto situado a 15 1 m y de aproximadamente un 41% menor en el punto situado a 3 m del punto de excitación, con respecto a la capa de subbalasto granular convencional.
Posteriormente, se repitió el mismo ensayo a una temperatura ambiente de 5ºC. Debido a que la magnitud del impacto no es siempre la misma, ya que depende el factor humano, las 20 amplitudes de aceleración obtenidas fueron normalizadas dividiendo las mismas por la fuerza de impacto registrada por el martillo.
La reducción de la amplitud de la aceleración normalizada de las composiciones según la presente invención fueron muy similares, y de aproximadamente un 12% menor en el punto 25 situado a 1 m y de aproximadamente un 16% menor en el punto situado a 3 m del punto de excitación, con respecto a la capa de subbalasto granular convencional.
Si bien la invención se ha descrito con respecto a ejemplos de realizaciones preferentes, éstos no se deben considerar limitativos de la invención, que se definirá por la interpretación 30 más amplia de las siguientes reivindicaciones.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Composición bituminosa que comprende:
    5 -Áridos: 90-98% en peso de la composición total.
    -
    Ligante: 2-15% en peso de la composición total.
    -
    Material polimérico: menor o igual al 5% en peso de la composición total o menor o igual al 10 40% en peso con respecto al peso del ligante.
    caracterizada porque:
    dicho ligante se selecciona entre betunes asfálticos con penetración de 10/20, 20/35, 35/50,
    15 50/70, 70/100, o mayor hasta 300 décimas de milímetro, o cualquier otro que esté incluido en el rango de los anteriores; y porque el material polimérico se selecciona entre polímeros termoplásticos o unidimensionales, polímeros termoendurecibles o tridimensionales, elastómeros o cauchos y elastómeros termoplásticos; con la condición de que dicho material polimérico no proviene del reciclaje de neumáticos fuera de uso.
  2. 2. Composición bituminosa, según la reivindicación 1, caracterizada porque el polímero termoplástico o unidimensional es polietileno (PE), polipropileno (PP) o etileno acetato de vinilo (EVA).
    25 3. Composición bituminosa, según la reivindicación 1, caracterizada porque el polímero termoendurecible o tridimensional es una resina epoxi, un poliuretano o una resina de poliéster.
  3. 4. Composición bituminosa, según la reivindicación 1, caracterizada porque el elastómero o
    30 caucho es caucho natural (NR), caucho de etileno propileno (EPM), terpolímero de etileno propileno dieno (EPDM) o caucho de butadieno estireno (SBR).
  4. 5. Composición bituminosa, según la reivindicación 1, caracterizada porque el elastómero
    termoplástico es un copolímero sintético de estireno butadieno estireno (SBS), lineal o 35 radial; o un copolímero de estireno-isopreno-estireno (SIS).
  5. 6. Composición bituminosa, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque dicho material polimérico es un material polimérico reutilizado procedente de desechos.
    5 7. Uso de la composición bituminosa, según las reivindicaciones 1-6, para la construcción de estructuras de obras públicas.
  6. 8. Uso de la composición bituminosa, según las reivindicaciones 1-6, para la construcción de
    cualquier capa que forme parte de una estructura ferroviaria. 10
  7. 9. Uso de la composición bituminosa, según las reivindicaciones 1-6, para la reducción del ruido y las vibraciones en una vía ferroviaria.
  8. 10. Uso de la composición bituminosa, según las reivindicaciones 1-6, para la construcción 15 de cualquier capa que forme parte de una carretera.
  9. 11. Uso de la composición bituminosa, según las reivindicaciones 1-6, para la reducción del ruido y las vibraciones en una carretera.
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