ES2892798T3 - Métodos para reducir el espesor de los pavimentos de asfalto, aumentar el contacto agregado a agregado de los materiales de pavimentación asfáltica y mejorar el rendimiento de agrietamiento a baja temperatura de los materiales de pavimentación asfáltica - Google Patents

Métodos para reducir el espesor de los pavimentos de asfalto, aumentar el contacto agregado a agregado de los materiales de pavimentación asfáltica y mejorar el rendimiento de agrietamiento a baja temperatura de los materiales de pavimentación asfáltica Download PDF

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Abstract

Un método para reducir el espesor del pavimento de asfalto, proporcionando de este modo un material de pavimento más económico, comprendiendo el método las etapas de: combinar un asfalto base, una poliolefina oxidada y un agregado para formar un material de pavimentación asfáltica, en donde la poliolefina oxidada es polietileno oxidado con una densidad de 0,91 a 0,935 g/cm3, en donde la poliolefina oxidada y el asfalto base forman un aglutinante asfáltico que se combina con el agregado, y en donde la poliolefina oxidada está presente en el aglutinante asfáltico en una cantidad de 0,25 a 10 por ciento en peso; y depositar una capa del material de pavimentación asfáltica sobre una capa de sustrato y compactar el material de pavimentación asfáltica hasta un espesor que sea menor que el espesor de un material de pavimentación asfáltica compactado formado por el agregado y el asfalto base sin poliolefina oxidada, compactado utilizando un procedimiento de compactación idéntico en condiciones de procedimiento idénticas, a la vez que se logra la misma cantidad o menos de ahuellamiento a alta temperatura que el material de pavimentación asfáltica compactado formado por el agregado y el asfalto base sin poliolefina oxidada, en donde el ahuellamiento a alta temperatura se simula mediante el programa informático Mechanical Empirical Pavement Design Guide (MEPDG) del Programa Nacional de Investigación Cooperativa de Carreteras.

Description

DESCRIPCIÓN
Métodos para reducir el espesor de los pavimentos de asfalto, aumentar el contacto agregado a agregado de los materiales de pavimentación asfáltica y mejorar el rendimiento de agrietamiento a baja temperatura de los materiales de pavimentación asfáltica
Campo técnico
El campo técnico se refiere generalmente a métodos para formar materiales de pavimentación asfáltica, y más particularmente se refiere a métodos para reducir el espesor del pavimento de asfalto, aumentar el número total de puntos de contacto de agregado a agregado de los materiales de pavimentación asfáltica y mejorar el rendimiento de agrietamiento a baja temperatura del material de pavimentación asfáltica.
Antecedentes
El asfalto se utiliza habitualmente como material de pavimentación para la construcción y el mantenimiento de carreteras. Por lo general, el asfalto, denominado a menudo "aglutinante asfáltico" o "cemento asfáltico", se mezcla con agregado para formar el material utilizado en la pavimentación asfáltica. El procesamiento y uso de este material mediante los equipos de pavimentación produce pavimento asfáltico. El pavimento asfáltico comprende el agregado mantenido dentro de una fase continua del aglutinante asfáltico por adherencia del aglutinante asfáltico al agregado.
La resistencia y durabilidad del pavimento asfáltico depende de diversos factores, tales como las propiedades de los materiales utilizados, la interacción de los diversos materiales, el diseño de la mezcla, las prácticas de construcción y el entorno y las condiciones de tráfico a las que está expuesto el pavimento. Para producir una mezcla que tenga un buen rendimiento durante la vida útil del pavimento, es importante lograr un revestimiento adecuado del agregado con el asfalto, con un espesor óptimo de la película de aglutinante asfáltico, buena adhesión del asfalto al agregado y buena fuerza cohesiva del asfalto.
Los pavimentos convencionales sufren diversos tipos de modos de desgaste, tal como deformación permanente. La deformación permanente es un problema importante para el pavimento asfáltico. Una carretera puede estar entre 27 y 38°C (80 a 100°F) más caliente en verano que en invierno, o más. A temperaturas más cálidas, el pavimento de asfalto se ablanda y puede fluir y moverse creando crestas y surcos, lo que se denomina a menudo "ahuellamiento", bajo el peso de camiones pesados que pasan sobre él o tráfico que se ha detenido temporalmente, tal como, por ejemplo, en una intersección con semáforos, ya que el ahuellamiento depende tanto del peso del vehículo como del tiempo de duración de la aplicación del peso. Para reducir o prevenir el ahuellamiento, a menudo se incorporan a los aglutinantes asfálticos convencionales polímeros u otros materiales que tienen un módulo relativamente más alto que el asfalto, o que pueden producir un aglutinante asfáltico de módulo más alto a temperaturas más cálidas que el asfalto. Los polímeros típicos utilizados para modificar los aglutinantes asfálticos para reducir o prevenir el ahuellamiento incluyen elastómeros, tales como, por ejemplo, copolímero de estireno/butadieno/estireno (SBS), y plastómeros, tales como, por ejemplo, polietileno, copolímero de etileno-acetato de vinilo (EVA), y similares.
La solicitud de patente internacional WO 2012/103206 describe un material de pavimentación asfáltica que comprende un aglutinante asfáltico presente en una cantidad de aproximadamente 3 a aproximadamente 8 por ciento en peso del material de pavimentación asfáltica. El documento US 2006/0223916 describe una composición de asfalto modificado que comprende al menos un plastómero, al menos un elastómero y asfalto. El documento US 7.202.290 describe una composición asfáltica modificada que comprende al menos un plastómero, al menos un elastómero, al menos un agente de reticulación y asfalto. El documento US 2011/0020537 describe una composición aglutinante de asfalto de mezcla en caliente funcionalmente seca modificada con agentes lubricantes o aditivos, que puede mezclarse con agregados y compactarse a temperaturas sustancialmente inferiores a las composiciones aglutinantes asfálticas que no contienen los aditivos lubricantes descritos.
Las carreteras que consisten en pavimento de asfalto se componen generalmente de tres capas. La primera capa es una capa de material granular o agregado. La segunda capa, llamada capa base, está compuesta de asfalto y agregados. La capa superior, o capa de desgaste, también se compone de asfalto y agregados sobre los que circulan automóviles y camiones. Opcionalmente, a veces se utiliza una capa entre la capa base y la capa de desgaste, llamada capa de aglutinante. La capa base es la capa más gruesa y cara de pavimentar. La capa superior está expuesta directamente al tráfico y las condiciones climáticas, y es la capa más sujeta a problemas. Cuando se ha producido un agrietamiento o ahuellamiento suficientes, esta capa se retira y se repavimenta, dejando intacta la capa base, siempre que no se haya producido agrietamiento o ahuellamiento en esta capa. Si esta capa de la capa base ya no puede soportar adecuadamente la carga, debe reemplazarse a un coste considerable en términos de tiempo y dinero.
Por consiguiente, es deseable proporcionar métodos para fabricar capas de pavimento sustancialmente más delgadas y, por lo tanto más económicas, que tengan aún una resistencia adecuada al agrietamiento por fatiga y al ahuellamiento. Además, es deseable proporcionar métodos para fabricar un material de pavimentación asfáltica que tenga más contacto de agregado a agregado. También es deseable proporcionar métodos para fabricar un material de pavimento asfáltico con un mejor rendimiento de agrietamiento a baja temperatura. Además, otros rasgos y características deseables de la presente invención resultarán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de la invención y las reivindicaciones adjuntas, tomadas junto con los dibujos adjuntos y estos antecedentes de la invención.
Breve compendio
Se proporcionan métodos para reducir el espesor del pavimento de asfalto, para fabricar material de pavimentación asfáltica con puntos de contacto de agregado a agregado aumentados, y para fabricar materiales de pavimentación asfáltica con un rendimiento mejorado de agrietamiento a baja temperatura. De acuerdo con una realización ilustrativa, un método para reducir el espesor del pavimento de asfalto proporcionando de este modo un material de pavimento más económico incluye combinar un asfalto base, una poliolefina oxidada y un agregado para formar un material de pavimentación de asfalto, en donde la poliolefina oxidada es polietileno oxidado con un densidad de 0,91 a 0,935 g/cm3, en donde la poliolefina oxidada y el asfalto base forman un aglutinante asfáltico que se combina con el agregado y en donde la poliolefina oxidada está presente en el aglutinante asfáltico en una cantidad de 0,25 a 10 por ciento en peso. Una capa del material de pavimentación asfáltica se deposita sobre una capa de sustrato y se compacta hasta un espesor que es menor que el espesor de un material de pavimentación asfáltica compactado formado por el agregado y el asfalto base sin poliolefina oxidada, compactado utilizando un procedimiento de compactación idéntico bajo idénticas condiciones de procedimiento, a la vez que se logra la misma cantidad o menos de ahuellamiento a alta temperatura que el material de pavimentación asfáltica compactado formado por el agregado y el asfalto base sin poliolefina oxidada, en donde el ahuellamiento a alta temperatura es estimulado por el programa informático Mechanical Empirical Pavement Design Guide (MEPDG) del Programa Nacional de Investigación Cooperativa de Carreteras.
De acuerdo con otra realización ilustrativa, se proporciona un método para aumentar el número de puntos de contacto de agregado a agregado en un material de pavimentación asfáltica. El método incluye preparar un aglutinante asfáltico mezclando un asfalto base con 0,25 a 10% en peso de una poliolefina oxidada en base al peso total del aglutinante asfáltico. Aproximadamente 3 a aproximadamente 8% en peso del aglutinante asfáltico se mezcla con aproximadamente 92 a aproximadamente 97% en peso de agregado para formar el material de pavimentación asfáltica. Una capa del material de pavimentación asfáltica se deposita sobre una capa de sustrato y se compacta. La mezcla comprende mezclar una cantidad de la poliolefina oxidada de manera que el número de puntos de contacto de agregado a agregado del material de pavimentación asfáltica compactado sea mayor que el número de puntos de contacto de agregado a agregado del material de pavimentación asfáltica compactado formado por el agregado y el aglutinante asfáltico que no tiene polietileno oxidado, a la vez que se logra la misma cantidad o menos de ahuellamiento que el material de pavimentación asfáltica formado por el agregado y el aglutinante asfáltico que no tiene poliolefina oxidada.
Descrito también en el presente documento, se proporciona un método para mejorar el rendimiento de agrietamiento a baja temperatura de un material de pavimentación asfáltica. El método incluye preparar un aglutinante asfáltico mezclando un asfalto base con aproximadamente 0,25 a aproximadamente 10% en peso de una poliolefina oxidada en base al peso total del aglutinante asfáltico. Aproximadamente 3 a aproximadamente 8 en peso del aglutinante asfáltico se mezcla con aproximadamente 92 a aproximadamente 97% en peso de agregado para formar el material de pavimentación asfáltica. Una capa del material de pavimentación asfáltica se deposita sobre una capa de sustrato y se compacta. La mezcla comprende mezclar una cantidad de poliolefina oxidada de manera que el material de pavimentación asfáltica compactado tenga una resistencia media a la tracción mayor que la resistencia media a la tracción del material de pavimentación asfáltica compactado formado por el agregado y el aglutinante asfáltico que no tiene poliolefina oxidada.
Breve descripción de los dibujos
Las diversas realizaciones se describirán en lo sucesivo junto con las siguientes figuras de los dibujos, en las que los mismos números denotan elementos similares, y en donde:
La FIG. 1 es un gráfico que ilustra el efecto de la poliolefina oxidada sobre la relación entre la tensión térmica y la temperatura de los materiales de pavimentación asfáltica de acuerdo con realizaciones ilustrativas;
La FIG. 2 es un gráfico que muestra la relación entre la temperatura de transición vítrea (Tg), el coeficiente de expansión/contracción térmica (a1) por encima de la región de transición, y el coeficiente de expansión/contracción térmica (ag) por debajo de la región de transición para un material de pavimentación asfáltica convencional;
La FIG. 3 son dos gráficos que ilustran el efecto de la poliolefina oxidada sobre la Tg y a 1 de materiales de pavimentación asfáltica de acuerdo con realizaciones ilustrativas;
La FIG. 4 es un gráfico que ilustra el efecto de la poliolefina oxidada sobre el número de puntos de contacto de agregado a agregado de materiales de pavimentación asfáltica de acuerdo con realizaciones ilustrativas;
La FIG. 5 es un gráfico que ilustra la relación entre a 1 y el número de puntos de contacto de agregado a agregado de materiales de pavimentación asfáltica de acuerdo con realizaciones ilustrativas;
La FIG. 6 es un gráfico que muestra el efecto de la poliolefina oxidada sobre el ahuellamiento de materiales de pavimentación asfáltica de acuerdo con realizaciones ilustrativas; y
La FIG. 7 es un gráfico que muestra el efecto de la poliolefina oxidada sobre el agrietamiento de cocodrilo de materiales de pavimentación asfáltica de acuerdo con realizaciones ilustrativas.
Descripción detallada
La siguiente descripción detallada es de naturaleza meramente ilustrativa y no pretende limitar las diversas realizaciones o la aplicación y usos de las mismas. Además, no hay ninguna intención de estar vinculado por ninguna teoría presentada en los antecedentes anteriores o la siguiente descripción detallada.
Las diversas realizaciones contempladas en el presente documento se refieren a métodos para reducir el espesor del material de pavimento asfáltico. Además, varias realizaciones se refieren a métodos para fabricar material de pavimento asfáltico con un mayor número de puntos de contacto de agregado a agregado. Además, se proporcionan métodos para fabricar materiales de pavimentación asfáltica con un rendimiento de agrietamiento a baja temperatura mejorado. En una realización, el espesor del pavimento asfáltico se reduce utilizando una poliolefina oxidada con un asfalto para formar un aglutinante asfáltico modificado. El aglutinante asfáltico se combina con agregado para formar un material de pavimentación asfáltica caliente que se deposita sobre una capa de sustrato y se compacta. Los inventores han descubierto que la poliolefina oxidada facilita un empaquetamiento más eficaz de los agregados, de manera que hay más puntos de contacto de agregado a agregado, caracterizado por el número total de puntos de contacto o la longitud total de puntos de contacto por unidad de área. La buena conectividad de los agregados puede mejorar tanto las propiedades de ahuellamiento a alta temperatura como de agrietamiento a baja temperatura de los materiales de pavimentación asfáltica, ya que los agregados - los componentes más fuertes de la mezcla de asfalto -pueden transportar y distribuir mejor la carga del tráfico. Como resultado del mayor número de puntos de contacto de agregado a agregado, el espesor de las capas, ya sea capa base, de aglutinante o de desgaste, se puede reducir sustancialmente. La capa base, que es la más gruesa y, por tanto, la más cara, es especialmente adecuada para la reducción del espesor. Además, con el aumento de los puntos de contacto de agregado a agregado, se observa un buen rendimiento de agrietamiento térmico.
El asfalto está definido por la ASTM como un material cementoso de color marrón oscuro a negro en el que los constituyentes predominantes son betunes que se encuentran en la naturaleza o se obtienen en el procesamiento del petróleo. Los asfaltos contienen característicamente saturados, aromáticos, resinas y asfaltenos. Todos los tipos de asfalto, los de origen natural, los fabricados sintéticamente y los modificados, pueden utilizarse de acuerdo con los materiales de pavimentación asfáltica contemplados en el presente documento. El asfalto de origen natural incluye asfalto de roca nativa, asfalto de lago y similares. El asfalto fabricado sintéticamente es a menudo un subproducto de las operaciones de refinado o posrefinado de petróleo, e incluye asfalto soplado con aire, asfalto mezclado, asfalto agrietado o residual, asfalto de petróleo, asfalto de propano, asfalto de destilación directa, asfalto térmico y similares. El asfalto modificado incluye asfalto puro (por ejemplo, asfalto no modificado que puede ser de origen natural o fabricado sintéticamente) modificado con elastómeros, ácido fosfórico, ácido polifosfórico, plastómeros, copolímero de etileno/acetato de vinilo y similares, o diversas combinaciones de estos modificadores. Los ejemplos no limitantes de elastómeros adecuados para modificar el asfalto puro incluyen cauchos naturales o sintéticos, que incluyen caucho triturado de neumáticos, caucho butílico, caucho de estireno/butadieno (SBR), terpolímeros de estireno/etileno/butadieno/estireno (SEBS), polibutadieno, poliisopreno, terpolímeros de etileno/propileno/dieno (EPDM), terpolímeros de etileno/acrilato de n-butilo/metacrilato de glicidilo y copolímeros de bloques o aleatorios de estireno/dieno conjugado, tales como, por ejemplo, estireno/butadieno, incluyendo copolímero de estireno/butadieno/estireno (SBS), copolímero de bloques de estireno/isopreno y estireno/isopreno-butadieno. Los copolímeros de bloques pueden ser ramificados o lineales, y pueden ser un dibloque, tribloque, tetrabloque o multibloque.
En la invención, la poliolefina oxidada es un polietileno oxidado que tiene una densidad de 0,91 a 0,935 g/cm3. El polietileno puede ser un polietileno de baja densidad (definido como polietileno con una densidad de 0,91 a 0,935 g/cm3) o un polietileno lineal de baja densidad (definido como polietileno con una densidad de aproximadamente 0,91 a aproximadamente 0,93 g/cm3). En un ejemplo, la poliolefina oxidada es un homopolímero de polietileno oxidado. En otro ejemplo, la poliolefina oxidada es un polietileno oxidado de alta densidad que tiene una densidad de aproximadamente 0,93 a aproximadamente 1 g/cm3. Una poliolefina oxidada adecuada es el homopolímero de polietileno de alta densidad oxidado Honeywell Titan™ 7686, fabricado por Honeywell International Inc., que tiene su sede en Morristown, Nueva Jersey. En la invención, la poliolefina oxidada está presente en un aglutinante asfáltico en una cantidad de 0,25 a 10 por ciento en peso (% en peso), por ejemplo, de aproximadamente 1 a aproximadamente 4% en peso, en base al peso total del aglutinante asfáltico. En otra realización, la poliolefina oxidada está presente en un aglutinante asfáltico en una cantidad de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 2% en peso, y está presente SBS en el aglutinante de asfalto en una cantidad de aproximadamente 2% en peso, en base al peso total del aglutinante asfáltico.
En una realización ilustrativa, la poliolefina oxidada tiene un peso molecular medio ponderal (Mw) de aproximadamente 1.000 a aproximadamente 30.000 Dalton, tal como de aproximadamente 1.000 a aproximadamente 10.000 Dalton. Además, el grado de oxidación, por ejemplo, el contenido de grupos carboxilo, de la poliolefina oxidada, puede caracterizarse valorando una solución de xilenos calientes del polímero oxidado con una solución alcohólica de hidróxido de potasio (KOH) 0,1 N hasta un punto final visual "rosa" utilizando fenolftaleína como indicador para determinar el contenido de ácido total o el índice de acidez de la poliolefina oxidada. La poliolefina oxidada, por ejemplo, tiene un índice de acidez de aproximadamente 5 a aproximadamente 50 (por ejemplo, un índice de acidez de aproximadamente 5 a aproximadamente 50 mg de KOH/g), tal como de aproximadamente 15 a aproximadamente 40 (por ejemplo, un índice de acidez de aproximadamente 15 a aproximadamente 40 mg de KOH/g).
El material de pavimentación asfáltica también comprende agregados. "Agregado" es un término colectivo para materiales minerales, tales como, por ejemplo, arena, grava o piedra triturada, que se combinan con el aglutinante asfáltico para formar el material de pavimentación asfáltica. El agregado puede comprender agregado natural, agregado fabricado o una combinación de los mismos. El agregado natural generalmente es roca extraída de una excavación abierta (por ejemplo, una cantera) que se reduce a tamaños utilizables mediante trituración mecánica. El agregado fabricado es típicamente un subproducto de otros procesos de fabricación tales como la escoria del procesamiento metalúrgico (por ejemplo, producción de acero, estaño y cobre). El agregado fabricado también incluye materiales especiales que se producen para tener una característica física particular que no se encuentra en la roca natural, tal como, por ejemplo, baja densidad. La gradación de los agregados se controla cuidadosamente en un diseño de mezcla en caliente para optimizar su rendimiento. Los diseños de mezcla en caliente se pueden clasificar en "grado denso", asfalto de matriz de piedra (SMA), capa de fricción de grado abierto (OGFC) y similares en base a las proporciones relativas del tamaño del agregado. En una realización ilustrativa, aproximadamente 3 a aproximadamente 8% en peso del aglutinante asfáltico se mezcla con aproximadamente 92 a aproximadamente 97% en peso de agregado para formar un material de pavimentación asfáltica.
En una realización ilustrativa, el material de pavimento asfáltico consiste esencialmente en aglutinante asfáltico y agregado, y el aglutinante asfáltico consiste esencialmente en asfalto base y poliolefina oxidada sustancialmente sin agente anti-decapado típico. El término "sustancialmente sin agente anti-decapado", como se emplea en el presente documento, significa que el agente anti-decapado, si está presente, no se utiliza en una cantidad que cumpla con los estándares industriales de resistencia al daño por humedad. Dos de estos ensayos adecuados para determinar la resistencia de un material de pavimentación asfáltica al daño por humedad se especifican en los procedimientos estándar AASHTO T-283 y ASTM D 4867. Diversos tipos de agentes anti-decapado típicos incluyen aminas como poliaminas y polialquilenpoliamina, aminas modificadas, tales como poliaminas hechas reaccionar con ácidos grasos, cal (CaO), que incluye cal hidratada (Ca(OH)2), ácido fosfórico, polímero acrílico, que incluye polímero acrílicoestireno, o combinaciones y/o derivados de los mismos. En una realización alternativa, el aglutinante asfáltico puede incluir polímeros y/o aditivos y/o elastómeros anti-ahuellamiento adicionales, tales como, por ejemplo, SBS, presente en una cantidad de aproximadamente 0,5 a aproximadamente 5% en peso del asfalto base.
En una realización ilustrativa, se proporciona un método para preparar un material de pavimentación asfáltica como se discute en los párrafos anteriores. El método incluye calentar y secar el agregado a una temperatura de aproximadamente 120 a aproximadamente 190°C. En un ejemplo, el agregado se calienta y se seca por medios convencionales, continuos o discontinuos, como por ejemplo en un mezclador de tambor mediante gases calientes. El asfalto puro o modificado (denominado "asfalto base") se calienta por separado del agregado hasta un estado líquido a una temperatura de aproximadamente 120 a aproximadamente 190°C.
En una realización, se añade poliolefina oxidada al asfalto base líquido caliente para formar un aglutinante asfáltico líquido caliente. El aglutinante asfáltico caliente se combina luego con el agregado calentado en la operación convencional continua o discontinua, donde el aglutinante asfáltico y el agregado se mezclan a una temperatura de aproximadamente 120 a aproximadamente 190°C para formar un material de pavimentación asfáltico caliente. En una realización alternativa, la poliolefina oxidada y el asfalto base líquido caliente se añaden simultáneamente, como corrientes separadas, al agregado en un mezclador de tambor caliente, y los componentes se mezclan a una temperatura de aproximadamente 120 a aproximadamente 190°C para formar una material de pavimentación asfáltica caliente.
En otra realización, la poliolefina oxidada se combina inicialmente con el agregado calentado en el tambor mezclador, donde el agregado calentado funde la poliolefina oxidada. En esta realización, la operación convencional continua o discontinua mezcla el agregado caliente con la poliolefina oxidada en fusión de manera que la poliolefina oxidada recubre la superficie del agregado. El asfalto líquido caliente se combina luego con el agregado recubierto de poliolefina oxidada en el tambor mezclador y los ingredientes combinados se mezclan a una temperatura de aproximadamente 120 a aproximadamente 190°C para formar un material de pavimentación asfáltico caliente. Durante el proceso de mezcla, la poliolefina oxidada se transfiere y/o se difunde desde el agregado al asfalto líquido caliente para formar una fase continua de aglutinante asfáltico líquido caliente. Alternativamente, la poliolefina oxidada se añade a los agregados después de que el asfalto se haya añadido a los agregados. Opcionalmente, se pueden añadir otros materiales, tales como fibra celulósica, durante o después de los diversos regímenes de mezcla descritos anteriormente. A continuación, el material de pavimentación asfáltica caliente se deposita sobre una capa de sustrato y se compacta según la especificación de la autoridad gubernamental correspondiente, típicamente aproximadamente 3 a aproximadamente 8% de huecos de aire, lo que se traduce en un espesor predeterminado, que se analiza con más detalle a continuación. La capa de sustrato puede ser una capa de agregados, tal como cuando el material de pavimentación asfáltica se va a depositar como una capa base, o la capa de sustrato puede ser una capa base o una capa aglutinante, tal como cuando se va a depositar el material de pavimento asfáltica como capa de aglutinante o capa de desgaste, respectivamente.
La Figura 1 ilustra los resultados de un estudio del rendimiento de agrietamiento a baja temperatura de diversos materiales de pavimentación asfáltica. En este estudio, se evaluaron los efectos de una poliolefina oxidada, en particular, un polietileno oxidado, más particularmente Honeywell Titan™ 7686, homopolímero de polietileno oxidado de alta densidad (fabricado por Honeywell International Inc., que tiene su sede en Morristown, Nueva Jersey), sobre el agrietamiento térmico de mezclas de asfalto. Se utilizó un asfalto PG64-22 como asfalto de control y asfalto base. El agregado utilizado para formar las mezclas de pavimentación asfáltica fue agregado de granito de una importante fuente de agregados en el norte central de Wisconsin. La cantidad de aglutinante y la gradación de los agregados fue la correspondiente al diseño de Wisconsin E-10; es decir, el pavimento de carreteras se diseñó para soportar 10.000.000 de cargas equivalentes de un solo eje (ESAL). El tamaño total nominal máximo del agregado fue 19,0 mm. Además del aglutinante asfáltico de control, se ensayaron tres aglutinantes modificados. El nivel de modificación del asfalto base se obtuvo fijando como objetivo un Grado Real a alta temperatura de 77 ± 1°C. Los niveles de modificación que cumplieron con los criterios para el Grado Real son:
(a) asfalto base 3,5% en peso de SBS lineal = Grado Real de 77,8°C;
(b) asfalto base 4,0% en peso de Honeywell Titan™ 7686 = Grado Real de 76,6°C;
(c) asfalto base 2,0% en peso de Honeywell Titan 7686 2,0% en peso de SBS lineal = Grado Real de 78,2°C.
La cantidad de SBS utilizada en esta formulación híbrida se determinó fijando como objetivo un valor de Recuperación Elástica (ER) (ASTM D-6084) utilizando un baño de ductilidad de aproximadamente 70%. Para establecer el nivel de modificación con SBS de la formulación híbrida, se realizaron ensayos de recuperación elástica sobre el asfalto base modificado con diferentes niveles de SBS. Como se indica en la Tabla 1, para cumplir los criterios de aproximadamente ER = 70%, se necesita un contenido mínimo de SBS de 2% en peso por peso total de aglutinante. A continuación, se añadió Honeywell Titan™ 7686 adicional para obtener un grado real de 77 ± 1 °C.
TABLA 1
Figure imgf000006_0001
Se utilizó un analizador de agrietamiento térmico de asfaltos (ATCA) para medir el rendimiento de agrietamiento a baja temperatura de muestras restringidas y no restringidas. En la Tabla 2 se presenta un resumen de la temperatura de agrietamiento y la resistencia a la tracción en las vigas restringidas de un ensayo de espécimen restringido por tensión térmica. Como se ilustra en la Tabla 2, las mezclas de Honeywell Titan™ 7686 tienen una resistencia a la tracción significativamente mayor con respecto a otras mezclas. La temperatura de agrietamiento es muy similar para todas las mezclas (es decir, la diferencia máxima es -1,8°C). La FIG. 1 muestra curvas de tensión térmica típicas para las mezclas modificadas, donde el eje x 10 indica la temperatura en (°C) y el eje y 12 indica la tensión térmica en megapascales (MPa). La curva de tensión térmica para el material de pavimentación formado a partir del aglutinante asfáltico PG64-22 está representada por la curva 14, la curva de estrés térmico del material de pavimentación asfáltica formado a partir del aglutinante asfáltico modificado por SBS está representada por la curva 16, la curva de tensión térmica del material de pavimentación asfáltica formado por el aglutinante asfáltico modificado por Honeywell Titan™ 7686 está representada por la curva 18, y la curva de tensión térmica del material de pavimentación asfáltica formado por el aglutinante asfáltico híbrido, es decir, el aglutinante modificado por SBS y Honeywell Titan™ 7686, está representada por la curva 20.
TABLA 2
Figure imgf000006_0002
Una respuesta termovolumétrica típica (es decir, transición vítrea (Tg) 23 y coeficientes de contracción/expansión térmica) de mezclas de asfalto se presenta en la FIG. 2, donde el eje x 26 indica temperatura en (°C) y el eje y 28 indica la deformación térmica en milímetros/milímetros (mm/mm). Los tres parámetros obtenidos en este ensayo fueron:
(a) la temperatura de transición vítrea (Tg) 23, que indica la temperatura en la que la mezcla de asfalto pasa de un estado "líquido o gomoso" a un estado "vítreo";
(b) El coeficiente de expansión/contracción térmica (a1) 22 por encima de la región de transición, y
(c) El coeficiente de expansión/contracción térmica (ag) 24 por debajo de la región de transición.
La Tabla 3 incluye el resumen de los ensayos de Tg realizados en dos réplicas para cada mezcla de asfalto. De manera general, se observa un buen rendimiento de agrietamiento térmico para las mezclas con bajos Tg y a 1.
TABLA 3
Figure imgf000007_0001
La FIG. 3 ilustra la media de Tg 23 y a 122 para todas las mezclas, donde el eje x indica un material de pavimentación asfáltica con los aglutinantes PG64-22 14, SBS 16, Honeywell Titan™ 7686 18 y aglutinante híbrido 20. Se puede observar que generalmente los materiales de pavimentación con el aglutinante de control, y los aglutinantes con Honeywell Titan™ 7686 y SBS tienen propiedades termovolumétricas muy similares. Sin embargo, la muestra híbrida con SBS y Honeywell Titan™ 7686 tiene Tg y a 1 diferentes. La Tabla 3 indica que la mezcla híbrida tiene un número significativamente mayor de puntos de contacto entre agregados y, por lo tanto, tiene el valor de a1 más bajo.
La FIG. 4 ilustra los resultados de un estudio para determinar los efectos de la poliolefina oxidada sobre el número de puntos de contacto de agregado a agregado de los materiales de pavimentación asfáltica. En este estudio se utilizaron el mismo control y tres muestras identificadas anteriormente. El número de puntos de contacto de agregado a agregado se calculó utilizando imágenes digitales de las muestras y el programa informático iPas2 desarrollado en la Universidad de Wisconsin, Madison. La FIG. 4, donde el eje y 30 representa el número de puntos de contacto de agregado a agregado, demuestra que la muestra híbrida 20 tenía el número medio más alto de puntos de contacto. La FIG. 5 muestra que, a medida que aumenta el número de puntos de contacto de agregado a agregado 30, el valor a 122 de los materiales de pavimentación asfáltica disminuye.
Se realizó un análisis adicional para determinar el efecto de la poliolefina oxidada sobre el espesor del material de pavimentación asfáltica. La comparación se llevó a cabo para dar como resultado el mismo ahuellamiento y agrietamiento de cocodrilo entre las muestras. Se utilizó el programa informático Mechanistic Empirical Pavement Design Guide (MEPDG), disponible en el Programa Nacional de Investigación Cooperativa de Carreteras, para simular el rendimiento del pavimento en base al análisis de Nivel 1 con la entrada de propiedades materiales medidas previamente (módulo dinámico [E*] y aglutinante G* y ángulo de fase a tres temperaturas de mediciones DSR). La ubicación del proyecto de pavimento se seleccionó en Clemson, Carolina del Sur, con un tráfico diario medio de camiones anual (AADTT) de 4.500 y una vida de diseño de 10 años. Se realizaron un total de 16 simulaciones. Se utilizaron los siguientes parámetros en las simulaciones:
Capa 1: Altura del hormigón de asfalto: 7,62 cm (3,0 pulgadas), 10,16 cm (4,0 pulgadas), 12,7 cm (5,0 pulgadas), 15,24 cm (6,0 pulgadas)
Capa 2: A-1 -a, 15,24 cm (6 pulgadas)
Módulo de resiliencia (Mr) = 2.812,9 kg/cm2 (40.000 psi)
Capa 3: A-2-5, 22,86 cm (9 pulgadas)
Mr = 1.969,1 kg/cm2 (28.000 psi)
Capa 4: A-7-6, última capa (espesor indefinido)
Mr = 703,23 kg/cm2 (10.000 psi)
La Tabla 4 y la FIG. 6 muestran los resultados del análisis de sensibilidad del ahuellamiento al espesor utilizando MEPDG y diferentes materiales de pavimentación modificados. En la FIG. 6, el eje x 32 representa el espesor de los materiales de pavimentación asfáltica en centímetros, y el eje y 34 representa el ahuellamiento del material de pavimentación asfáltica en centímetros. Se puede observar que el espesor de los materiales de pavimentación asfáltica con Honeywell Titan™ 7686, híbrido y SBS se puede reducir en 6,86, 5,08 y 3,18 centímetros, respectivamente, si el ahuellamiento de los materiales de pavimentación asfáltica para la muestra de control a una altura de 15,24 centímetros se selecciona como valor base.
TABLA 4
Figure imgf000008_0002
Al reducir el espesor del material de pavimentación asfáltica para mezclas modificadas para igualar el rendimiento de ahuellamiento del material de pavimentación asfáltica de la muestra de control, el agrietamiento de cocodrilo (es decir, agrietamiento por fatiga) puede verse afectado. La Tabla 5 y la FIG. 7 ilustran los resultados del análisis de sensibilidad al espesor para el agrietamiento de cocodrilo. En la FIG. 7, el eje x representa el espesor del material de pavimentación asfáltica 32 en centímetros y el eje y representa el porcentaje de agrietamiento de cocodrilo 36. El protocolo MEPDG considera la falla por fatiga cuando el agrietamiento de cocodrilo es mayor que 25%. Por lo tanto, aunque al reducir el espesor de la mezcla asfáltica para el material de pavimentación asfáltica modificado, el agrietamiento de cocodrilo aumenta ligeramente, la magnitud de este desgaste está muy por debajo del límite, y los cambios con respecto a los espesores analizados no son significativos.
TABLA 5
Figure imgf000008_0003
La cantidad de poliolefina oxidada se puede reducir en las formulaciones híbridas (SBS poliolefina oxidada) y producir aún puntos de contacto/longitudes de contacto más altas en comparación con SBS solamente. Esto se demuestra en la Tabla 6, donde la adición de solo 0,5% en peso de la poliolefina oxidada a 2% de SBS en el aglutinante proporciona más puntos/longitudes de contacto en la mezcla caliente que la formulación que contiene solo 3% de SBS. La tabla también demuestra que solo 2% en peso de la poliolefina oxidada produce puntos/longitudes de contacto similares a 3,5% en la formulación de SBS.
TABLA 6
Figure imgf000008_0001
Por consiguiente, se han descrito métodos para reducir el espesor del pavimento asfáltico, métodos para fabricar material de pavimentación asfáltica con puntos de contacto de agregado a agregado aumentados y métodos para fabricar materiales de pavimentación asfáltica con un rendimiento mejorado de agrietamiento a baja temperatura. En una realización, se combina un asfalto con una poliolefina oxidada formando un aglutinante asfáltico, que a su vez se combina con agregados. La poliolefina oxidada facilita un empaquetamiento más eficiente de los agregados, de manera que se logran más puntos de contacto de agregado a agregado. La buena conectividad de los agregados mejora tanto las propiedades de ahuellamiento a alta temperatura como de agrietamiento a baja temperatura de los materiales de pavimentación asfáltica. Además, como resultado de este aumento de los puntos de contacto de agregado a agregado, el espesor del material de pavimentación asfáltica se puede reducir sustancialmente, y se observa un buen rendimiento de agrietamiento térmico.
Aunque se ha presentado al menos una realización ilustrativa en la descripción detallada anterior de la invención, debe apreciarse que existe un gran número de variaciones. También debe apreciarse que la realización ilustrativa o las realizaciones ilustrativas son solo ejemplos, y no pretenden limitar el alcance, aplicabilidad o configuración de la invención de ninguna manera. Más bien, la descripción detallada anterior proporcionará a los expertos en la técnica una hoja de ruta conveniente para implementar una realización ilustrativa de la invención. Entendiéndose que se pueden realizar diversos cambios en la función y disposición de los elementos descritos en una realización ilustrativa sin apartarse del alcance de la invención que se expone en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (17)

REIVINDICACIONES
1. Un método para reducir el espesor del pavimento de asfalto, proporcionando de este modo un material de pavimento más económico, comprendiendo el método las etapas de:
combinar un asfalto base, una poliolefina oxidada y un agregado para formar un material de pavimentación asfáltica, en donde la poliolefina oxidada es polietileno oxidado con una densidad de 0,91 a 0,935 g/cm3, en donde la poliolefina oxidada y el asfalto base forman un aglutinante asfáltico que se combina con el agregado, y en donde la poliolefina oxidada está presente en el aglutinante asfáltico en una cantidad de 0,25 a 10 por ciento en peso; y
depositar una capa del material de pavimentación asfáltica sobre una capa de sustrato y compactar el material de pavimentación asfáltica hasta un espesor que sea menor que el espesor de un material de pavimentación asfáltica compactado formado por el agregado y el asfalto base sin poliolefina oxidada, compactado utilizando un procedimiento de compactación idéntico en condiciones de procedimiento idénticas, a la vez que se logra la misma cantidad o menos de ahuellamiento a alta temperatura que el material de pavimentación asfáltica compactado formado por el agregado y el asfalto base sin poliolefina oxidada, en donde el ahuellamiento a alta temperatura se simula mediante el programa informático Mechanical Empirical Pavement Design Guide (MEPDG) del Programa Nacional de Investigación Cooperativa de Carreteras.
2. El método de la reivindicación 1, en el que la poliolefina oxidada tiene un peso molecular de 1.000 a 30.000 Dalton.
3. El método de la reivindicación 1, en el que la poliolefina oxidada tiene un peso molecular (Mw) de 1.000 a 10.000 Dalton.
4. El método de la reivindicación 1, en el que combinar comprende mezclar el asfalto base con el homopolímero de polietileno oxidado.
5. El método de la reivindicación 4, en el que combinar comprende mezclar el asfalto base con el homopolímero de polietileno oxidado para formar un aglutinante asfáltico con el homopolímero de polietileno oxidado presente en una cantidad de 1 a 4% en peso en base al peso total del aglutinante asfáltico.
6. El método de la reivindicación 1, en el que combinar comprende mezclar el asfalto base con el homopolímero de polietileno oxidado para formar un aglutinante asfáltico con el homopolímero de polietileno oxidado presente en una cantidad de 0,5 a 2% en peso y SBS presente en una cantidad de 2% en peso de SBS en base al peso total del aglutinante asfáltico.
7. El método de la reivindicación 1, en el que combinar comprende mezclar el asfalto base con la poliolefina oxidada para formar un aglutinante asfáltico que no comprende sustancialmente ningún agente anti-decapado.
8. El método de la reivindicación 1, en el que depositar comprende depositar la capa del material de pavimentación asfáltica sobre la capa de sustrato y compactar hasta un espesor que es menor que el espesor del material de pavimentación asfáltica formado por el agregado y el asfalto base que no tiene poliolefina oxidada a la vez que se logra menos que 25% de agrietamiento de cocodrilo, en donde el agrietamiento de cocodrilo se simula mediante el programa informático Mechanical Empirical Pavement Design Guide (MEPDG) del Programa Nacional de Investigación Cooperativa de Carreteras.
9. Uso de un material de pavimentación asfáltica caliente para aumentar los puntos de contacto de agregado a agregado, en donde dicho material de pavimentación asfáltica caliente comprende un aglutinante asfáltico modificado y agregado, y en donde dicho aglutinante asfáltico modificado comprende un asfalto base y una poliolefina oxidada, en donde la poliolefina oxidada es polietileno oxidado con una densidad de 0,91 a 0,935 g/cm3.
10. El uso de la reivindicación 9, en el que la poliolefina oxidada tiene un peso molecular de 1.000 a 30.000 Dalton.
11. El uso de la reivindicación 9, en el que la poliolefina oxidada tiene un peso molecular (Mw) de 1.000 a 10.000 Dalton.
12. El uso de la reivindicación 9, en el que el homopolímero de polietileno oxidado está presente en una cantidad de 0,25 a 10% en peso en base al peso total del aglutinante asfáltico.
13. El uso de la reivindicación 12, en el que el homopolímero de polietileno oxidado está presente en una cantidad de 1 a 4% en peso en base al peso total del aglutinante asfáltico.
14. El uso de la reivindicación 9, en el que el homopolímero de polietileno oxidado está presente en una cantidad de 0,5 a 2% en peso y el SBS está presente en una cantidad de 2% en peso de SBS en base al peso total del aglutinante asfáltico.
15. El uso de la reivindicación 9, en el que el aglutinante comprende además elastómeros.
16. El uso de la reivindicación 15, en el que el elastómero es SBS y está presente en una cantidad de 0,5 a 5% en peso del asfalto base.
17. El uso de la reivindicación 9, en el que el aglutinante asfáltico no comprende sustancialmente ningún agente anti-decapado.
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