1. Introducción

Los neumáticos inservibles corresponden a los neumáticos usados que no pueden ser reutilizados por medio de reformas, por presentar daños irrecuperables en su estructura. Estos neumáticos corresponden a una de las mayores y más problemáticas fuentes de residuos, debido al gran volumen de neumáticos producidos y al largo tiempo que tardan en descomponerse. Además, los neumáticos inservibles se convierten en amenazas para la salud humana y el medio ambiente cuando se desechan de forma inadecuada (^{Lo Presti, 2013}).

En Brasil, la fuerte dependencia del modo viario para el transporte de cargas y personas, impulsa el mercado de neumáticos y, consecuentemente, la generación de residuos de neumáticos. Esta dependencia eleva los costos operativos de transporte, acelera la aparición de defectos en los pavimentos y la necesidad de obras de conservación y mantenimiento. Por lo tanto, el uso de asfalto caucho en las obras de pavimentación es una alternativa viable, no solo para proteger el medio ambiente, sino también para reducir los costos operativos de transporte en el país.

El asfalto caucho presenta numerosas ventajas con respecto al asfalto convencional, como menor índice de penetración, flexibilidad y ductilidad a bajas temperaturas, mayor resistencia a la deformación permanente, mayor resistencia a la aparición de grietas a bajas temperaturas y mayor resistencia a la fatiga (^{Yetkin, 2007}; ^{Palit et al., 2004}; ^{Xiang et al., 2009}). Otras ventajas incluyen mayor vida útil, menores costos de conservación y mantenimiento, reducción del envejecimiento de la mezcla asfáltica y reducción del ruido del tráfico (^{Sol-Sánchez et al., 2020}; ^{Lee et al., 2008}; ^{Navarro et al., 2004}; ^{Chiu et al. Lu, 2007}; ^{Bueno et al., 2014}; ^{Ding et al., 2017}).

A pesar de los beneficios, el asfalto caucho todavía no es ampliamente aceptado y utilizado. Esto ocurre por dos razones. El primero es la falta de capacitación profesional, en términos de dominio de las diversas técnicas y comprensión de algunas variables (por ejemplo, contenido del caucho, dimensiones de las partículas del caucho, superficie del caucho y almacenamiento). Segundo, faltan políticas públicas locales que estimulen el uso del asfalto caucho (^{Lo Presti, 2013}; ^{Picado-Santos et al., 2020}).

El uso del asfalto caucho sigue siendo bajo en Brasil. En el país falta mano de obra especializada (^{Thives, 2009}) y políticas públicas que incentiven el uso de ese material. Así, uno de los objetivos de este estudio fue evaluar el desempeño mecánico de mezclas asfálticas en caliente (MAC). Las mezclas se produjeron con cuatro tipos de ligantes: (i) asfalto caucho comercial (AC08), (ii) asfalto caucho 10% (AC10) y (iii) 15% (AC15) ambos producidos en laboratorio con residuos de caucho de neumáticos, y (iv) asfalto convencional, es decir, ligante asfáltico con penetración entre 50-70 (PEN 50/70), que es usual para pavimentación en Brasil. Además, el objetivo también era analizar la eficacia del dominant aggregate size range (DASR), método de predicción de deformación permanente en mezclas asfálticas, así como analizar la influencia del método de compactación (Marshall o Superpave) en el rendimiento mecánico de las mezclas.

En Brasil, la especificación para la selección granulométrica de las mezclas asfálticas se fundamenta en el encuadramiento de los agregados en bandas granulométricas, sugeridas por el Departamento Nacional de Infraestructura de Transportes (DNIT). Este método consiste en un procedimiento de ensayo y error, donde las proporciones de los agregados componentes de la mezcla se ajustan para el encuadre dentro de los límites de esas bandas. Por lo tanto, este método no tiene en cuenta los efectos de la distribución de agregados en el comportamiento mecánico de las mezclas asfálticas. Esto puede resultar en mezclas con menor estabilidad y menor resistencia a la deformación permanente. Por lo tanto, el concepto de porosidad DASR fue utilizado en este estudio para evaluar la deformación permanente de mezclas asfálticas.

El DASR es un método racional para seleccionar la composición granulométrica de las mezclas asfálticas. El método es de simple aplicación y utiliza uno solo parámetro, la porosidad DASR, que independiente del tamaño nominal máximo de la mezcla asfáltica. En este método, se considera que las mezclas con porosidad superior al 50% no proporcionan una buena interacción entre los agregados, lo que las hace menos resistentes a la deformación permanente. Estudios anteriores muestran la eficiencia de la aplicación de este método para obtener un diseño adecuado, con menor propensión a desarrollar deformación permanente (^{Greene et al., 2014}; ^{Kim et al., 2009}). Por lo tanto, el método DASR se utilizó para verificar la eficiencia de la elección de la composición de la matriz de agregados.

En este trabajo, el contenido óptimo de asfalto se determinó utilizando el método Marshall, ya que este método sigue siendo el más utilizado en Brasil. Posteriormente, para la realización de los ensayos mecánicos, los cuerpos de prueba fueron moldeados con los compactadores Marshall y Superpave. En estudios anteriores con otros materiales que también utilizaron estas dos compactaciones, se verificó que cuerpos de prueba compactados con Superpave tienden a presentar mejores resultados en ensayos mecánicos. Estos mejores resultados suelen atribuirse a la mayor eficiencia de la compactación por amasamiento utilizada por Superpave, en comparación con la compactación por impacto utilizada en Marshall (^{Assis et al., 2017}). Así, en este trabajo, se compararon los resultados obtenidos con las dos formas de compactación.

2. Procedimiento

3. RESULTADOS Y DISCUSIONES

3.2 Composición granulométrica de las mezclas

La figura 1 muestra la composición granulométrica de las mezclas asfálticas. La curva granulométrica consta de: (1) 21% de piedra triturada 3/4'', (2) 30% de piedra triturada 3/8'' e 49% de finos de trituración. Esta composición se utilizó para las cuatro mezclas asfálticas, y se obtuvo mediante un proceso de ensayo para que la curva granulométrica se ajustara a los límites de la banda C especificados en la norma ^{DNIT ES 031/2006}.

Figura 1 Curva granulométrica de las mezclas. 

La composición granulométrica se probó con el método DASR para evaluar si las mezclas asfálticas tendrían una buena resistencia a la deformación permanente. Para la aplicación del método DASR se elaboró el diagrama de interacción, presentado en la Figura 2. Este diagrama permitió definir qué intervalos de agregado grueso compondrían la DASR.

Figura 2 Diagrama de interacción entre agregados 

Según la figura 2, las bandas de 12,7-9,5, 9,5-4,8 y 4,8-2,0 mm tienen agregados con un tamaño de partícula superior a 1,18 mm. Además, la relación entre el porcentaje de material retenido entre tamices consecutivos varía de 0,43 a 2,33. La banda 9,5-4,8 mm tenía una relación entre el porcentaje retenido entre tamices consecutivas muy cercana al valor mínimo estimado para una buena interacción entre los agregados. Por lo tanto, esta banda no se ha considerado en la selección de DASR. Para la elección entre las bandas 12.7-9.5 y 4.8-2.0 mm se calculó la porosidad DASR que cada una proporcionaría, por medio de la Ecuación (1).

Para calcular el VAM en la ecuación (1), se han asumido los valores de volumen de vacíos (Vv) y relación betún vacíos (RBV) sobre la base de los límites exigidos para estos parámetros en la norma ^{DNIT ES 031/2006}. De acuerdo con esta norma, las mezclas asfálticas utilizadas en capas de rodadura deben tener un Vv entre 3 y 5% y un RBV entre 75 y 82%. En este trabajo, los valores medios de estos límites (Vv del 4% y RBV del 79%) fueron utilizados para calcular el VAM. Por tanto, se obtuvo un valor aproximado de VAM del 19 %.

Para η_DASR, se obtuvieron los siguientes resultados: 53% para la banda de 12,7-9,5 mm y 39% para la banda de 4,8-2,0 mm. Por lo tanto, solo la banda de 4,8-2,0 mm tenía una η_DASR inferior al 50%, que se considera la porosidad mínima para que las mezclas que presentan una buena resistencia a la deformación permanente. Por lo tanto, este intervalo se utilizó para componer el DASR. Como la curva granulométrica obtenida por el método del DNIT presentó un valor de η_DASR inferior al 50%, la composición de los agregados no necesitó ser ajustada.

3.4 Ensayos Mecánicos

3.4.1 Resistencia a la Tracción Indirecta (RT)

La figura 3 muestra los resultados del ensayo de resistencia a la tracción indirecta para los métodos Marshall y Superpave.

Figura 3 Resultados del ensayo de RT para cada mezcla. 

De acuerdo con la Figura 3, las mezclas presentaron mayor RT cuando compactadas por el método Superpave. Este resultado era esperado, ya que el método Superpave simula mejor las condiciones de campo y tiene menor riesgo de alterar la granulometría de los agregados.

La mezcla con el ligante PEN 50-70 cumple con una resistencia a la tracción mínima de 650 kPa (conforme a la norma ^{DNIT ES 031/2006}), tanto para el método Marshall como para el Superpave. Para las mezclas asfalto caucho, la norma ^{DNIT ES 112/2009} requiere una resistencia a la tracción mínima de 750 kPa. Este límite fue cumplido por todas las mezclas, excepto por la mezcla AC15 compactada por el método Marshall.

En el caso de la mezcla AC15, los resultados del ensayo de resistencia a la tracción indirecta y la estabilidad Marshall pueden haber estado influidos por el mayor contenido de caucho. El resultado del ensayo de estabilidad al almacenamiento, con un valor cercano al límite máximo permitido por la norma, demuestra que el mayor contenido de caucho conduce a una menor adherencia entre el caucho y el ligante asfáltico, lo que reduce la cohesión y la homogeneidad de la mezcla (^{Navarro et al., 2004}; ^{Navarro et al., 2005}; ^{Shen et al., 2009}; ^{Dantas Neto et al., 2006}; ^{Navarro and Gámez, 2012}), y consecuentemente, resulta en valores más bajos de RT y estabilidad (^{Navarro and Gámez, 2012}).

3.4.2 Módulo de resiliencia (MR)

La figura 4 muestra los resultados del ensayo del módulo de resiliencia para los métodos Marshall y Superpave.

Figura 4 Resultados del ensayo de MR para cada mezcla. 

La Figura 4 muestra que las mezclas asfalto caucho presentan menores valores de MR cuando se consideran los dos métodos. La reducción del MR está relacionada con la mayor elasticidad de las mezclas asfalto caucho. A bajas temperaturas, estas mezclas generalmente presentan una disminución en el módulo de resiliencia respecto a las mezclas convencionales. Por otro lado, a medida que aumenta la temperatura, el valor del módulo tiende a aumentar. Esto resulta en mezclas menos quebradizas y más flexibles a bajas temperaturas, y con mayor rigidez que las mezclas convencionales a temperaturas más elevadas (^{Palit et al., 2004}). Por lo tanto, la reducción del módulo de resiliencia en las mezclas con asfalto caucho no significa que estas mezclas tengan un rendimiento mecánico inferior al de la mezcla con PEN 50-70.

3.4.3 Daño por humedad inducida

La figura 5 muestra los resultados obtenidos para el ensayo de daño por humedad inducida.

Figura 5 Resultados del ensayo de daño por humedad inducida para cada mezcla. 

La Figura 5 muestra que todas las mezclas, con excepción de la mezcla AC15, cumplieron el requisito mínimo de TSR del 80%, según lo especificado en la ^{AASHTO T 283/2002}. Menores valores de TSR fueron obtenidos para las mezclas con el ligante asfalto caucho. El California Department of Transportation señaló que las mezclas densas con el ligante asfalto caucho son más susceptibles a los efectos de la humedad que las mezclas convencionales. Por lo tanto, se recomienda el uso de aditivos mejoradores de adhesividad en estas mezclas (^{Shatnawi, 2001}).

En este estudio se utilizó un aditivo para mejorar la adherencia en todas las mezclas. Las mezclas AC10 y AC08 mostraron buena resistencia al daño por humedad, aunque los resultados fueron inferiores a los de la mezcla PEN 50-70. En relación con la mezcla AC15, el uso del aditivo no fue suficiente para que la mezcla alcanzara el límite mínimo del 80% recomendado por la norma. Esto indica que esta mezcla es más susceptible al daño por humedad.

3.4.4 Flow Number (FN)

La figura 6 muestra los resultados del ensayo de FN para las mezclas utilizando el método Superpave.

Figura 6 Resultados del ensayo de FN.  

De acuerdo con la Figura 6, las mezclas con los ligantes AC10 y AC08 presentan mejores resultados en relación a la mezcla con el ligante convencional. Esto indica que estas mezclas tienen una mayor resistencia a la deformación permanente. Los valores más bajos de la mezcla AC15 se esperaban debido a los resultados de ensayos anteriores, que demostraron que el mayor contenido de caucho y la menor homogeneidad afectaron negativamente al rendimiento mecánico de la dicha mezcla.

4. Análisis estadístico

El análisis de varianza (ANOVA) es un método estadístico que permite comparaciones entre medias de diferentes poblaciones. Por lo tanto, este método se utilizó en este estudio para comparar el rendimiento de las diferentes mezclas en cada ensayo. Para el ANOVA, el tipo de mezcla (el tipo de ligante en el caso de los ensayos físicos) fue la variable explicativa. Cuatro niveles (tratamientos) fueron considerados: PEN 50-70, AC08, AC10 y AC15. Además, se asumió un nivel de significancia del 5% para probar dos hipótesis:

H₀: los valores de las medias de los tratamientos son iguales;

H₁: al menos una de las medias de los tratamientos es distinta de las demás.

La hipótesis nula es rechazada si el p-valor es menor o igual al nivel de significancia. Después de probar las hipótesis, se aplicó la prueba de Tukey para determinar si los pares de tratamientos eran significativamente diferentes o no. Los resultados de la prueba de Tukey se presentan en las tablas 6, 7 y 8, para los ensayos físicos, mecánicos con método Marshall y mecánicos con método Superpave, respectivamente.

Las Tablas 6, 7 y 8 muestran que la hipótesis nula fue rechazada para todos los ensayos, excepto el módulo de resiliencia por el método Superpave (o sea, hubo diferencias significativas entre las medias de los tratamientos). Además, los ligantes AC08 y AC10, así como las mezclas con estos ligantes, no presentaban valores medios significativamente diferentes (es decir, p-valor superior a 0,05). Esto indica que no hay diferencias estadísticamente significativas entre las propiedades físicas y mecánicas de los dos ligantes.

La Tabla 6 muestra que hubo diferencias significativas entre el ligante convencional (PEN 50-70) y los ligantes asfalto caucho en todos los ensayos. Esto indica que los ligantes asfalto caucho tienen propiedades físicas diferentes con respecto al PEN 50-70, lo que indica que el caucho cambia las propiedades físicas de las mezclas. No se esperaba ninguna diferencia significativa en el rendimiento de los ligantes AC08, AC10 y AC15, ya que el ligante AC15 no cumplía los requisitos mínimos de los ensayos físicos.

Para los ensayos mecánicos con el método Marshall, los resultados de la Tabla 7 indican que no hubo diferencias significativas en las capacidades de resistencia a la tracción de las mezclas con los ligantes PEN 50-70 y AC15. Del mismo modo, no se encontraron diferencias entre los resultados del ensayo de daño por humedad inducida de las mezclas con PEN 50-70, AC08 y AC10. Por lo tanto, se puede decir que la reducción de la TSR en las mezclas con AC08 y AC10 no afectó la resistencia a la humedad de esas mezclas. Se observó el efecto contrario en el ensayo del módulo de resiliencia. En este ensayo, la reducción del MR de las mezclas asfalto caucho en relación con la mezcla PEN 50-70 puede considerarse significativa.

La Tabla 8 indica que los resultados obtenidos con el método Superpave no presentan diferencias significativas en el ensayo de MR. Como este método simula las condiciones de campo de forma más eficiente que el método Marshall, se cree que las mezclas con asfalto caucho no presentan grandes variaciones de MR en relación a la mezcla PEN 50-70. En los ensayos de RT y FN se constató que existían diferencias significativas entre las mezclas PEN 50-70, AC08 y AC10. Así, se puede decir que el aumento de RT y FN observado en las mezclas AC08 y AC10, fue de hecho relevante en relación a los valores presentados por la mezcla PEN 50-70. En cuanto al ensayo de daño por humedad inducida, solo se observaron diferencias significativas con la mezcla AC15. Esto era de esperar, ya que esta mezcla mostró una mayor reducción en el ensayo de daño por humedad inducida.

5. Conclusiones

El objetivo principal de este estudio fue evaluar el rendimiento mecánico de las mezclas de asfalto caucho mediante ensayos de laboratorio utilizados para la construcción de pavimentos flexibles. En ese sentido, después del análisis estadístico realizado, se puede afirmar que las mezclas asfalto caucho presentaron mejor desempeño en relación a la mezcla PEN 50-70, lo que hace su uso viable. Una mayor recuperación elástica, una menor susceptibilidad térmica, una mayor resistencia a la tracción y la ocurrencia de deformaciones permanentes pueden ser citadas como ventajas de las mezclas AC08 y AC10 en relación a la mezcla PEN 50-70.

El ligante AC15 no se puede utilizar en mezclas asfálticas porque no cumple con los requisitos de recuperación elástica. Sin embargo, en algunos ensayos, tuvo un rendimiento similar al asfalto convencional (PEN 50-70), y en el caso del ensayo de MR similar también a los demás asfaltos caucho. Por lo tanto, se cree que el desempeño de esa mezcla podría haber sido satisfactorio en todos los ensayos, si se hubiera añadido algún agente compatibilizante al ligante AC15, que aumentara su homogeneidad.

En todos los ensayos, las mezclas AC10 y AC08 no mostraron diferencias significativas. Esto significa que en este estudio no se encontraron diferencias significativas en el rendimiento mecánico de estas mezclas. Sin embargo, el AC08 ya se produce a gran escala, lo que lo hace más atractivo que el ligante AC10, producido en laboratorio para este estudio. Por lo tanto, el uso del ligante AC08 sería más adecuado para la construcción de carreteras.

Para la selección granulométrica, el método DASR estima un buen rendimiento mecánico para valores de porosidad inferiores al 50%, pero esta estimación no fue válida para la mezcla AC15. Sin embargo, el rendimiento inferior de esta mezcla es probablemente debido a la menor calidad del ligante AC15 (que en comparación con la elección granulométrica). Por lo tanto, en esta investigación no puede considerarse insatisfactoria la utilización del método DASR para la predicción del rendimiento mecánico de las mezclas. En cuanto al método de compactación, se confirmó la tendencia de estudios anteriores (^{Jitsangiam et al., 2013}; ^{Swami et al., 2004}; ^{Asi, 2007}): los resultados del método Superpave fueron mejores que los resultados del método Marshall en todos los ensayos. Por lo tanto, el método Superpave debe preferirse para la compactación de mezclas asfálticas.