Estudio de las propiedades mecánicas de materiales asfálticos en servicio para la optimización de las soluciones de conservación de firmes de carreteras

Abstract

El comportamiento mecánico de las mezclas bituminosas está notablemente influenciado por las cargas del tráfico, la temperatura de servicio, el betún utilizado en su fabricación y su envejecimiento. De ahí la necesidad del análisis de la evolución de las propiedades mecánicas de diferentes tipos de mezclas bituminosas expuestas a distintas condiciones climatológicas y a diferentes cargas de tráfico, evaluando así el efecto combinado que estas variables, junto con el envejecimiento, pueden tener en su respuesta mecánica a largo plazo bajo condiciones de servicio reales. Este análisis permitirá diseñar mezclas bituminosas con mejores prestaciones mecánicas y por tanto más duraderas, optimizando el presupuesto de las administraciones para la conservación de pavimentos de carreteras. Esta optimización también debe focalizarse tanto sobre los recursos naturales, reciclando, reutilizando y valorizando residuos como componentes de las mezclas, como sobre las técnicas de fabricación, favoreciendo su sostenibilidad medioambiental, reduciéndose las emisiones de gases de efecto invernadero y el consumo de combustibles fósiles. Por sus ventajas medioambientales, la utilización de betunes modificados con polvo de caucho obtenido de neumáticos al final de su vida útil (PNFVU) para fabricar hormigones bituminosos es una alternativa viable. Sin embargo, en la práctica, se emplean con menos frecuencia que los betunes modificados con polímeros convencionales, fundamentalmente por el escaso seguimiento de las experiencias ya realizadas. Por ello, esta investigación tiene como objetivo aportar información sobre la evolución del comportamiento de estos materiales, para lo que se seleccionaron unos tramos de autovía, todos ellos con condiciones climáticas severas y de tráfico elevado, donde la capa de rodadura estuviera compuesta por mezclas asfálticas diseñadas con betunes modificados con PNFVU. Asimismo, también se eligieron otros tramos contiguos a los anteriores, pero ejecutados con el tradicional betún modificado con el polímero SBS, con el objeto de comparar ambos materiales (tanto a nivel de ligante como de mezcla). Para ello, se extrajeron testigos en diferentes periodos de su vida útil. En cuanto a los ligantes, se estudió el envejecimiento real de los betunes asfálticos modificados con PNFVU cuando se exponen a diversos factores, incluidos los gradientes de temperatura, la presencia de agua y la oxidación, bajo condiciones reales de climatología y de tráfico. Los ligantes de los testigos extraídos de las capas de rodadura fueron recuperados y ensayados usando el DSR (Dynamic Shear Rheometer) para determinar la evolución de los parámetros reológicos. El análisis del módulo complejo y el ángulo de fase se realizó mediante ensayos de barrido de frecuencia y temperatura, mientras que la evolución de la recuperación elástica, Jnr, L-Index y T-Index, se evaluaron mediante el ensayo MSCRT (Multiple Stress Creep and Recovery Test). Los resultados obtenidos indicaron que los betunes modificados con PNFVU muestran parámetros reológicos y de envejecimiento similares a los de los betunes modificados con polímeros convencionales, incluso en condiciones climáticas y de tráfico severas. A nivel de mezclas bituminosas, se evaluó el comportamiento de las fabricadas con betunes modificados con PNFVU y con polímero SBS respectivamente, analizando en el laboratorio la evolución de la densidad, rigidez y resistencia a la fatiga de la capa de rodadura. En base a los resultados obtenidos en los ensayos, se puede concluir que, en condiciones de servicio reales y con climas severos y elevado tráfico, las mezclas asfálticas fabricadas con betunes modificados con PNFVU ofrecen prestaciones mecánicas y de envejecimiento muy similares a las que ofrecen las mezclas asfálticas fabricadas con betunes modificados con polímeros tradicionales como el polímero SBS, siendo por tanto una alternativa que ayudaría a minimizar los problemas ambientales causados por los vertederos de neumáticos. Tras haber demostrado la viabilidad de uso del PNFVU como solución sostenible para obtener mezclas bituminosas duraderas y más eficientes a la hora de definir una solución óptima de conservación de firmes, se decidió encarar las principales limitaciones en su aplicación real, que son las altas temperaturas de fabricación y su baja trabajabilidad. De esta forma, se abordó la evaluación de una mezcla de capa de rodadura que combinara la reducción de temperatura (con la consiguiente reducción de emisiones de gases de efecto invernadero), con la valorización de PNFVU, testada bajo condiciones de puesta en obra, y en carreteras que soportan altos volúmenes de tráfico y condiciones ambientales severas. Para ello se realizaron diversos estudios tanto en laboratorio como en planta asfáltica (a nivel de ligante y de mezcla). Posteriormente, estos materiales sirvieron para construir un tramo de prueba en una autovía en un puerto de montaña (a 1400 m sobre el nivel del mar) soportando más de 3000 vehículos pesados cada día en condiciones ambientales severas (nieve en invierno y altas temperaturas y muchas horas de radiación solar durante el verano). Los resultados indicaron la viabilidad de utilizar estos materiales ya que, además de sus ventajas ambientales, proporcionan otra serie de ventajas como mejor trabajabilidad a bajas temperaturas y un incremento de su resistencia mecánica frente a las principales causas de agotamiento de los pavimentos asfálticos.

The mechanical performance of asphalt mixtures is notably influenced by traffic loads, service temperature, the binders used in its manufacturing and its ageing. That is why there exists the need to analyze the evolution of the mechanical properties of different kinds of asphalt mixtures exposed to distinct climate conditions and traffic loads, while assessing the combined effect that these variables, along with the ageing, could have in its mechanical response in the long-term under real service conditions. This analysis will enable us to design more durable asphalt mixtures with better mechanical performance, optimizing government budgets for pavement maintenance. This optimisation has to be focused both on natural resources, recycling, reusing and valorizing waste products as mix componentes, and on manufacturing techniques, to stimulate their environmental sustainability, reducing the greenhouse gasses emissions and the fossil fuel consumption. Due to their environmental advantages, the use of crumb rubber modified binders constitute a feasible alternative to produce asphalt mixtures. However, in practice, they remain less commonly used than conventional polymer modified binders, mainly due to the scarce tracking of the experiences already conducted. Thus, this research aims to provide information about the evolution of the mechanical performance of these materials. To this end, some highway sections where the surface layers were built with asphalt mixtures manufactured with crumb-rubber-modified bitumen with severe climatic and traffic conditions were selected. In addition, other sections built side by side the previous ones were chosen, but manufactured with the conventional SBS polymer modified bitumen, to compare both materials (at binder and mixture level). For this comparison, cores were taken at different periods of their service life. Regarding binders, the real ageing of crumb rubber modified asphalt bitumens when exposed to various factors, including temperature gradients, the presence of water and oxidation, was studied under real traffic and climate conditions. The binders from cores of highway surface layers were recovered and tested using the DSR (Dynamic Shear Rheometer) to determine the evolution of the rheological parameters. The analysis of the complex modulus and phase angle was conducted based on frequency and temperature sweep tests, while the evolution of the elastic recovery, Jnr, L-Index and T-Index were assessed from the MSCRT (Multiple Stress Creep and Recovery Test). The results obtained indicate that crumb rubber modified binders show similar ageing and rheological parameters to those of conventional polymer modified bitumen, even under severe traffic and climate conditions. Regarding asphalt mixtures, the performance of mixtures manufactured with crumbrubber- modified bitumen and conventional SBS polymer modified bitumen was assessed by analyzing the evolution of the density, stiffness and fatigue resistance of the surface layers. Based on the results obtained from these tests, we could conclude that under real severe traffic and climate conditions, asphalt mixtures manufactured with crumb-rubbermodified bitumen offer ageing and mechanical performance very similar to that offered by asphalt mixtures manufactured with traditional SBS-modified bitumen, being a choice to minimize environmental problems caused by end-of-life tires in landfills. After having demonstrated the viability of using crumb rubber as a sustainable solution to obtain durable asphalt mixtures, and also to obtain more efficient asphalt mixtures when designing the best option for pavement maintenance, it was decided to assess the main limitations of its real applications, which are high manufacturing temperatures and low workability. Thereby, a surface layer mixture which combined the reduction in temperature (with a reduction in greenhouse gasses emissions) with the use of crumb rubber from end-of-life tires was assessed. It was tested at the laboratory and on roads subjected to a high volume of traffic and severe climate conditions. Different studies were developed both in the laboratory and in an asphalt plant (at binder and mixture level). Later, these materials were used to construct a trial section in a highway at a mountain pass (at more than 1400 m above sea level) supporting more than 3000 heavy vehicles each day under severe environmental conditions (snow during winter, and high temperatures and many hours of solar radiation during the summer). The results indicate the viability of using these materials, since they provide, not only environmental advantages, but also a number of advantages such as improved workability at lower temperatures and an increase in its mechanical resistance against the main sources of distress that affect asphalt pavements.