Modificación reactiva del asfalto
La modificación reactiva del bitumen es una tecnología completamente nueva. En la actualidad se ha probado en la práctica por primera vez
Nicolás Carreño Gómez, Markus Oeser, Oliver Fleischel, Joan Tortosa
En el lugar de la obra: un parking y área de servicio en la autopista A96, cerca de Gilching (Alemania)
Los resultados se han comparado según un método bien establecido: la modificación del bitumen con polímeros. Un sofisticado sistema de medición y seguimiento proporciona resultados comparativos.
El otro enfoque
Como aglutinante, el bitumen representa sólo un pequeño porcentaje de la mezcla asfáltica, pero determina la mayoría de sus propiedades mecánicas. Por ello, la demanda de nuevos métodos que mejoren las propiedades del bitumen sin descuidar su trabajabilidad o economía son los más buscados. La modificación reactiva del bitumen plantea opciones que no se pueden cubrir con aditivos que actúan físicamente, como polímeros, zeolitas, caucho o rejuvenecedores (Existen rejuvenecedores que actúan química y geológicamente. Lo mismo pasa con ciertos cauchos. Esta lista incluye aditivos que no necesariamente modifican físicamente el bitumen).El nuevo aditivo B2Last, marca registrada de la empresa química BASF de Ludwigshafen, utiliza esta nueva tecnología y ha demostrado su eficacia en comparación con el bitumen modificado con polímeros
Cómo funciona y cómo se utiliza B2Last
B2Last fue desarrollado por BASF para mejorar el rendimiento del ligante asfáltico. El aditivo produce una modificación reactiva, basada en la idea de que el bitumen tiene un amplio espectro de grupos funcionales reactivos que están disponibles para una reacción química. El ligante virgen también contiene grupos reactivos, que se crean en el petróleo crudo a través de procesos de oxidación.
Incluyen cetonas, alcoholes, aminas, tioles, ácidos carboxílicos, anhídridos y muchos otros grupos reactivos que forman parte del bitumen. También se forman grupos reactivos adicionales durante los procesos de envejecimiento a corto plazo mediante la adición de oxígeno cuando se produce la mezcla asfáltica. Dichos grupos funcionales son susceptibles de intervenir en reacciones químicas Aquí es exactamente donde entra en juego B2Last: el aditivo reacciona con los grupos funcionales y forma enlaces químicos estables en segundos (Diagrama 1). Esto crea una trama de reticulación que mejora el comportamiento del ligante asfáltico a temperaturas altas, sin afectar el sistema a bajas temperaturas. En otras palabras, mejora la resistencia al ahuellamiento sin afectar la conducta del material a temperaturas más bajas (Imagen 1). A primera vista, la reticulación química es muy similar a la de un bitumen modificado con polímeros. Pero hay una diferencia crucial, ya que elementos constituyentes del propio bitumen se convierten en parte del reticulado químico. Por el contrario, el bitumen modificado con polímeros es una modificación física que se basa en un polímero prefabricado que se hincha con el bitumen. Como resultado, la modificación química permite resolver los problemas típicos del bitumen modificado con polímeros, como los tiempos de hinchamiento, la separación de fases, la sensibilidad al envejecimiento, la estabilidad al corte y la alta adhesividad. El mecanismo de trabajo del nuevo aditivo ha sido intensamente investigado y verificado mediante trabajos, tanto en el laboratorio como en carreteras piloto, en estrecha colaboración con el Instituto de Ingeniería Vial de la Universidad RWTH de Aquisgrán. A lo largo del proyecto de investigación, siempre se trabajó con materiales y secciones de referencia, ya que es importante evaluar las propiedades de ésta innovación con los materiales utilizados de manera estandar por la industria. Solo así es posible evaluar los reales beneficios que nuevas tecnologías pueden ofrecer.
Primer ensayo a escala real y metodología de investigación aplicada
En junio de 2019 surgió la oportunidad de probar la modificación reactiva B2Last en la práctica y compararla directamente con el bitumen modificado con polímeros. En la autopista A96, cerca de Gilching en Alemania, se estaba construyendo una nueva área de estacionamiento y servicio por parte del Ministerio de Vivienda, Construcción y Transporte del Estado de Baviera (Diagrama 2). El contratista fue Richard Schulz Tiefbau GmbH & Co. KG. Como parte de los trabajos de construcción, se modificó la capa "binder" (capa por debajo de la capa de rodadura y sobre la capa base asfáltica) en dos tramos de carretera paralelos. Se eligió modificar la capa binder, ya que es la capa que más aporta a la resistencia contra el ahuellamiento. La Universidad RWTH de Aquisgrán planteó un sistema de monitorización y medición para garantizar que las dos secciones de la carretera pudieran compararse de manera efectiva incluso si se someten a diferentes cargas durante muchos años. Desde su construcción, tanto la deformación longitudinal como transversal ha sido monitoreada La uniformidad transversal ha sido controlada con gran precisión en campañas de medición periódicas. La cantidad de aditivo utilizada en la sección de prueba fue del 1,7 % en peso del contenido total de ligante (bitumen virgen + porcentaje del bitumen en el asfalto reciclado utilizado) o 750 g B2Last por tonelada métrica de mezcla asfáltica. Las pruebas preliminares en la planta mezcladora de asfalto han demostrado que esta cantidad es suficiente para lograr un perfil equilibrado de propiedades finales. La mezcla asfáltica correspondió a un AC 22 B S., que es una mezcla asfáltica densa con agregado pétreo de diámetro máximo de 22 mm. Se utilizó un contenido de material asfáltico reciclado del 50%, con una relación de bitumen fresco a viejo de 40:60. El bitumen fresco era un bitumen de grado de penetración 70/100 con un punto de ablandecimiento de 47°C. La sección de referencia fue construida utilizando una mezcla asfáltica similar, pero con un ligante asfáltico modificado con polímeros (PmB) 25/55-55 RC.
Diagrama 1: Comparación de una red de PmB no reactiva hinchada y una modificación reactiva, en la que el propio bitumen se convierte en parte del reticulado. De este modo, las fases asfálticas reaccionan primeramente y se combinan íntimamente con el aditivo, mientras que el reticulado de PmB queda más suelto y sin quedar unido al bitumen.
Imagen 1: Probeta después de ensayos de compresión cíclica a 50°C sin (izquierda) y con (derecha) modificación reactiva con B2Last
Producción y construcción
El aditivo B2Last se agregó en la cámara de pesaje del ligante asfáltica a la planta de mezclado del asfalto por medio de una pequeña bomba. Allí se homogeneizó con el bitumen virgen, para luego ser bombeado directamente al mezclador y producir la mezcla asfáltica. No fueron necesarios tiempos de mezcla ni de reacción adicionales, ya que la reacción entre el bitumen y los aditivos se completa en tan solo unos segundos. El rendimiento total de la planta se mantuvo igual. A pesar de un contenido de 50% de asfalto reciclado, la mezcla asfáltica terminada mostró una excelente trabajabilidad y no requirió ningún procedimiento especial (Imagen 2). Entre otros aspectos particularmente positivos cabe destacar su bajo olor, alta homogeneidad, suavidad y baja adhesividad disruptiva. Esto último condujo a una reducción significativa del tiempo y el esfuerzo para limpiar palas y maquinaria en comparación con el uso de mezclas que contenían PmB. Durante la instalación se monitorizó cada paso con mediciones técnicas para descartar emisiones provocadas por el nuevo aditivo (Imagen 3). Los límites de exposición ocupacional se cumplieron en todo momento. La aplicación fue realizada por Schulz Tiefbau GmbH & Co. KG en 220 m por sección, utilizando procesos industriales convencionales. Las temperaturas de aplicación en ambos tramos de carretera oscilaron entre 165 y 170°C.
Imagen 2: Vistas del sitio de construcción en la A96 durante la instalación de la capa de ligante modificada reactivamente (derecha) y la sección de control (izquierda)
Resultados muy positivos
Tanto las muestras de mezcla asfáltica como probetas de ambos tramos de carretera fueron enviadas para ensayo al Instituto de Ingeniería Vial de la Universidad RWTH de Aquisgrán (Diagrama 3). Allí, se demostró que el comportamiento a altas temperaturas mejoró considerablemente con la modificación reactiva, sin deteriorar el comportamiento a baja temperatura. En comparación con las muestras de bitumen virgen, el sistema B2Last modificado mostró mejoras: el punto de ablandecimiento aumentó entre 7 y 8 °C, mientras que el comportamiento en fluencia (MSCRT, ángulo de fase) mejoró significativamente. Respecto al comportamiento a bajas temperatura se mantuvieron las propiedades del ligante virgen. La comparación de la modificación reactiva con B2Last y la modificación PmB mostró que ambos materiales de asfalto muestran propiedades igualmente buenas en muchos parámetros de rendimiento. Por ejemplo, los indicadores bajo el método BTSV (Binder fast characterization test) (TBTSV y δBTSV) corresponden a los de un PmB. En la prueba de ahuellamiento, B2Last en realidad demostró un menor ahuellamiento, tras igual cantidad de cargas cíclicas. La prueba de recuperación elástica fue la única en la que el bitumen modificado reactivamente con B2Last no se comportó de forma similar al PmB a nivel de ligante asfáltico.
Diagrama 2: Estructura de la sección de prueba con un ligante asfáltico modificado reactivamente con B2Last en el carril norte y un ligante asfáltico modificado con PmB clásico en la sección de referencia sur
Esto no sorprende, dado que el reticulado en la modificación reactiva con B2Last tiene una malla significativamente más fina que la red de bitumen modificado con polímeros. En el caso de pequeñas deformaciones, como las que se esperan en los pavimentos en realidad, ambos materiales se comportan de forma muy similar. Esto puede ser ejemplificado de mejor manera, analizando los resultados del ensayo MSCR. La ventaja del PmB solo surge en caso de grandes deformaciones que no ocurren en la práctica.
Diagrama 3: Resultados de las pruebas realizadas con mezcla asfáltica obtenida durante la construcción y probetas extraídas in situ. probetas extraídas in situ.
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Parameter |
Reference section with polymer modification1 |
Test section with reactive modification2 |
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Bitumen |
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Softening point ring and ball / °C |
67.0 |
65.6 |
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BTSV |
Temperature (G* = 15 kPa) / °C |
62.0 |
60.3 |
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Phase angle δ (G* = 15 kPa) / ° |
69.8 |
72 |
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MSCRT (6o°C) |
Recovery @ 3.2 kPa / % |
35.9 |
16.5 |
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Jnr @ 3.1 kPa / kPa-1 |
0.28 -10 >40 |
0.53 -14 12 |
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MSCRT (6o°C) |
Temperature at m=0.300 / °C |
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Elastic recovery / % |
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Asphalt specimen (50% recycled asphalt) |
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Rutting test |
Average rut depth at 20,000 crossings / mm |
3.7 |
33.3 |
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Cyclic compression test |
Inflection point / cycles |
8,664 |
8,873 |
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Bitumen content / % |
4.4 |
4.4 |
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Cavity volume / % |
4.1 |
3.4 |
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Sumario
Los ensayos a escala real han demostrado que la modificación reactiva con B2Last es una alternativa que presenta muchos aspectos positivos. Las ventajas en producción (dosificación flexible sin tiempos de expansión y sin tanques de bitumen separados) y procesamiento (buena compatibilidad con bitumen reciclado) fueron particularmente sobresalientes. La dosificación del aditivo permite producir betunes modificados a diferentes niveles directamente en la planta de mezcla asfáltica utilizando un bitumen virgen común. Ya están planificados otros proyectos de construcción, que van a probar otras fórmulas, como bases asfálticas y capas de rodadura, en asfaltos porosos y con porcentajes de asfalto reciclado considerablemente más altos. También se espera que mayores cantidades de B2Last podrían mejorar aún más las propiedades del asfalto. El seguimiento detallado a largo plazo por parte de la RWTH Aachen University mostrará si las ventajas encontradas hasta ahora pueden mantenerse a largo plazo Los primeros resultados dan pie para el optimismo de que la modificación reactiva brindará a los productores y usuarios de bitumen una tecnología confiable, flexible, de bajo costo y fácil de usar.
Dirección de los autores:
Dipl.-Ing. Nicolás Carreño Gómez, Prof. Markus Oeser, RWTH Universidad de Aquisgrán, Lehrstuhl und Institut für Straßenwese, Mies-van-der-Rohe-Str. 1, 52074 Aquisgrán, oeser@isac.rwth-aachen.de, Olivier Fleischel - BASF SE, Carl-Bosch-Strasse 38, 67056, Ludwigshafen am Rhein, Germany, B2Last@basf.com, Joan Tortosa - BASF Española, SLU, Can Ràbia 3-5. 08017 Barcelona, juan.tortosa-pons@btc-europe.com
Imagen 3: La colocación de la mezcla asfáltica basada en el bitumen modificado reactivamente estuvo acompañada de la medición de las emisiones nocivas; no se encontraron emisiones adicionales específicas del producto.
B2Last BASF aditivo ligante asfalto
