Introducción

La aportación del asfalto envejecido existente en el Reciclado de Pavimento Asfáltico (RAP, por sus siglas en inglés) sirve como ligante asfáltico de una nueva mezcla, esta aportación depende de la temperatura y del tiempo de mezclado, así como del grado de envejecimiento del ligante residuo de RAP (^{Montañez et al., 2019}). Para evaluar el grado de envejecimiento del ligante asfáltico es necesario separar la mezcla asfáltica en sus componentes, por lo tanto, es ineludible elegir un procedimiento de extracción que no cause cambios significativos en sus propiedades (^{Hospodka et al., 2017}).

Por un lado, es importante determinar qué tipo de disolvente será empleado para la extracción del ligante asfáltico de la mezcla. El disulfuro de carbono (CS2) (^{Bateman y Delp, 1997}) y el benceno (C6H6) que fueron populares en 1900, se determinaron como cancerígenos (^{Burr et al., 1960}), así que se sustituyeron por los disolventes clorados como el tricloroetileno (TCE, C₂HCl₃), el 1-1-1-tricloroetano (C₂H₃Cl₃) y el diclorometano (CH₂Cl₂) (^{Cipione, et al., 1991}); estos disolventes son menos agresivos para la salud. Por otro lado, en Estados Unidos existen diferentes métodos para la recuperación de ligante asfáltico y disolvente como: Evaporador rotativo y recuperación por el método Abson (^{Hospodka et al., 2017}).

Así mismo, ^{Bayane et al. (2017)} coinciden en lo siguiente:

Para esta investigación se realizó la calibración con el equipo de rotavapor y tricloroetileno, con el objetivo de encontrar la temperatura óptima de extracción para minimizar el endurecimiento por calor y maximizar la recuperación del disolvente.

Desarrollo

El estudio consta de tres etapas; en la primera etapa se realizó la “Calibración del ensayo”; una de las primeras preguntas en la ejecución del protocolo de ensayo era si realmente se podría eliminar el solvente del asfalto después de la extracción y si al elevar la temperatura se produciría un envejecimiento excesivo en el asfalto. En la etapa denominada: “Calibración del ensayo”, se determinó un procedimiento que asegurara la reproducibilidad de las mediciones sin afectar las características del asfalto evaluado.

La segunda etapa consistió en verificar si la condición establecida era válida para cualquier tipo de ligante, para ello se tomó un ligante modificado PG 70-22.

En la tercera etapa se fabricó una mezcla con los dos tipos de ligante asfáltico evaluados en las etapas anteriores; el objetivo de esta etapa fue simular el RAP (Reclaimed Asphalt Pavement).

La nomenclatura empleada en las diferentes etapas se muestra en la Tabla 1.

Etapa 1: Calibración del ensayo

La evaluación se realizó con el asfalto base PG 64-22 tomando porciones de 10 g y 30 g, donde las masas de asfalto simulan la concentración de asfalto que se tiene cuando se recupera el ligante del RAP; estas se diluyeron en 500 ml de tricloroetileno, posteriormente fueron destilados con ayuda del rotavapor a temperaturas de 110 °C y 140 °C. El baño de aceite se calentó a la temperatura de ensayo. El matraz contenía aproximadamente 500 ml de tricloroetileno con asfalto, mismo que se introdujo al baño de aceite para proceder a la rotación del matraz de destilación a 40 r.p.m. Se aplicó un vacío inicial de 5.3 kPa y cuando no se observó más condensación se aumentó la presión a 80 kPa. Esta condición se mantuvo durante 15 min. Al final se removió el matraz de destilación del aparato y se limpió el aceite adherido. El asfalto fue vertido en un recipiente apropiado, el matraz se invirtió y se colocó en un horno a una temperatura de 140º C durante aproximadamente 15 minutos.

Los residuos asfálticos obtenidos en el proceso de destilación se evaluaron en el DSR, siguiendo la normativa de la ASTM D7175-15, donde para cada condición se analizaron dos muestras (M1 y M2) y cada muestra se evaluó por duplicado (M1R1, M1R2, M2R1, M2R2).

Se analizó la variación de tres parámetros, el módulo de corte (G*), el ángulo de fase (δ) y la relación G*/sen δ a la temperatura de 64 °C. La Tabla 2 muestra los resultados obtenidos, los cuales están por debajo de los valores de la muestra B PG 64-22 empleada como base, esto indica que el solvente no se retiró completamente. Las muestras se ensayaron en las mismas condiciones, excepto M2R2, porque antes de poder fabricar la pastilla la muestra se enfrío, por lo tanto, se sometió a un segundo calentamiento (hasta que obtuvo fluidez), por tal motivo los resultados entre replicas son diferentes. Con M2R1 se respetó el procedimiento, esto demuestra que aún contenía disolvente, mientras que para M2R2 al sufrir un recalentamiento, el disolvente terminó de evaporarse en este proceso.

Se calculó la variación porcentual respecto al asfalto base (B PG 64-22), mostrados en la Tabla 3. En el valor de G*, la variación mayor se encuentra a la temperatura de 110° C (54.7 %), mientras que la menor variación es a la temperatura de 140 °C (9.38 %). La misma condición se presenta para el ángulo de fase (δ), en donde la mayor dispersión se encuentra a una temperatura de 110° C; al combinar los parámetros en la relación G*/sen δ, se observa que no se cumple con la repetibilidad establecida en el método de ensayo, la norma ASTM D7175-15 establece que un rango aceptable entre dos resultados hecho por la misma persona en la prueba del DSR en condición original (d2s %) debe ser menor a 6.4 %. Tomando en cuenta esto, ningún resultado se encuentra en el rango aceptable de variación.

Es evidente que cuando se realiza la recuperación a una temperatura de 110° C, los resultados son muy dispersos, ya que al aumentar la temperatura se reduce la dispersión.

Se destaca que M2R2 a la temperatura de 140 °C no presenta resultados debido a que el residuo obtenido de la muestra de 10 g no fue suficiente para fabricar dos pastillas para la prueba del DSR.

Los resultados de la evaluación a una concentración de 30 g se presentan en la Tabla 4 y la variación porcentual se muestra en la Tabla 5.

Para el parámetro G*, las muestras M1R1, M2R1, M2R2, a la temperatura de 110° C, muestran valores bajos (0.65 kPa, 0.416 kPa, 0.552 kPa, respectivamente) lo que indica ablandamiento porque no se retiró por completo el solvente, esto se comprueba en la Tabla 5, donde las mismas muestras presentan las mayores dispersiones (57.65 %, 72.86 %, 64 %). La misma condición se presenta con el parámetro G*/sen δ.

Los ángulos de fase son más altos, esto también es un indicador de que los resultados están afectados por el solvente utilizado.

Al realizar la recuperación de ligante asfáltico a la temperatura de 140° C la variación porcentual se redujo notablemente, sin embargo, dos muestras de las cuatro (M1R1, M1R2) evaluadas, no cumplen con la repetibilidad establecida. Considerando la menor dispersión de los resultados, se determinó que la mejor condición para realizar la recuperación en Rotavapor es utilizando 30 g de ligante asfáltico a una temperatura de 140° C.

Adicional a la evaluación del DSR en condición original se evaluó la deformación permanente de acuerdo con la normativa ASTM D7405-15. Cabe destacar, que la normativa determina que la evaluación se debe realizar con asfalto producto de RTFO, pero para fines de investigación se realizó en condición original. En la Figura 1 se muestra el comportamiento del asfalto base (B PG 64-22) y de las muestras obtenidas en el Rotavapor determinados por la prueba MSCR, en donde las muestras de 10 g presentan mayor deformación comparadas con las de 30 g, sin embargo, estas aún son mayores que las del asfalto base. La Tabla 6 presenta los datos del porcentaje de recuperación a 3.2 kPa (ϵ_{r 3.2}) del ciclo 30 obtenido de la prueba del MSCR, calculado según la norma ASTM D7405-15; con esto se procedió al cálculo del porcentaje de variación respecto al asfalto base (B PG 64-22), donde las muestras de 10 g presentan valores hasta de 62.03 % y 73.49 %, mientras que las muestras de 30 g indican variaciones porcentuales de 46.40 % y 42.64 %. A pesar de que la variación disminuyó, el disolvente (tricloroetileno) afectó las propiedades del ligante asfáltico a deformación permanente (Tabla 6), sin embargo, esto no puede ser observado en la evaluación de sus propiedades viscoelásticas lineales (Tabla 4). Para fines de evaluación del procedimiento de recuperación se recomienda analizar el asfalto en un rango viscoelástico lineal.

Fuente: Elaboración propia

Figura 1 Resultados de MSCR (PG 64-22) 

Etapa 2: Validación para un ligante asfáltico modificado

Una vez determinada la temperatura de ensayo (140° C), se inició la segunda etapa de evaluación, la cual consistió en verificar si la condición establecida es válida para cualquier tipo de ligante asfáltico. Para esto, se realizó el mismo protocolo de extracción a una temperatura de 140 °C en un ligante modificado, el cual fue clasificado como un PG 70-22. La Tabla 7 muestra los resultados del DSR en condición original del ligante a 70° C, se observa que los resultados de la muestra M1R1 de 10 g se encuentran por debajo del ligante asfáltico base (B PG 70-22); esto se comprueba en la Tabla 8, para el parámetro G*/sen δ la variación porcentual es de 34.22 %, y no se pudo determinar el resultado en M1R2, porque el residuo de la muestra de 10 g no fue suficiente para fabricar la pastilla.

En lo referente a la repetibilidad respecto al ligante base (B PG 70-22), la muestra de 10 g no cumplió con este parámetro (Tabla 8), mientras que las muestras de 30 g están dentro de los valores permisibles, por lo cual, si se toman en cuenta las propiedades viscoelásticas, se considera que el protocolo de evaluación es adecuado para muestras de 30 g y el proceso de extracción a 140° C permite recuperar al asfalto sin afectar estas propiedades, ya sea por los residuos de solvente restantes en el asfalto o por un envejecimiento excesivo durante la extracción.

En la Tabla 9 se observa el porcentaje de variación entre muestras del último ciclo de la prueba del MSCR, respecto al asfalto base (B PG 70-22), donde las muestras de 10 g presentan un porcentaje de recuperación a 3.2 kPa (ϵ_{r 3.2}) de 92.11 % y 79.76 %.

En la Figura 2 se presenta el comportamiento del asfalto base (B PG 70-22) y de las muestras obtenidas por la prueba del MSCR se comprueba que las muestras de 10 g indican una mayor deformación comparadas con las de 30 g, inclusive estas últimas muestran comportamientos iguales entre muestras (M1R1, M2R1), sin embargo, se encuentran con 49.62 y 50.31 % arriba del asfalto base (B PG 70-22), lo que indica un ablandamiento en el ligante asfáltico. Nuevamente, se tiene un comportamiento similar a la etapa 1, en donde el disolvente (tricloroetileno) afecta las propiedades del ligante asfáltico modificado a deformación permanente (Tabla 9) y no puede ser observado en la evaluación de sus propiedades viscoelásticas lineales (Tabla 7).

Fuente: Elaboración propia

Figura 2 Resultados de MSCR (PG 70-22)  

Etapa 3

En la tercera etapa de evaluación se modificó el proceso; se fabricó mezcla asfáltica con los dos tipos de ligantes anteriormente evaluados. Las mezclas se elaboraron a una temperatura de mezclado de 160 ºC, una temperatura de compactación de 150º C. Posteriormente, fueron calentadas nuevamente y disgregadas a 130 °C, se tomó una muestra de 1 kg. Con ayuda de un equipo de centrifugado (rotarex) y el tricloroetileno se extrajo el asfalto de la mezcla asfáltica, teniendo como resultado asfalto + tricloroetileno. Para recuperar el asfalto del tricloroetileno se utilizó el rotavapor sometiendo la muestra a temperaturas extracción de 140 °C.

Los residuos asfálticos obtenidos en la recuperación fueron evaluados en el reómetro de corte dinámico, se considera que la mezcla ha pasado por un proceso de mezclado y compactación, que es lo que se simula en el proceso de envejecimiento en RTFO, por lo tanto, fue evaluado en estas condiciones tomando en cuenta el parámetro de cumplimiento del G*/sen (δ) ≥ 2.2 kPa.

La Tabla 10, muestra los resultados en condición DSR-RTFO de los dos ligantes empleados en la elaboración de las mezclas asfálticas (MA PG 64-22 y MA PG 70-22), los cuales se encuentran por debajo de los resultados base; el proceso de mezclado y compactación en laboratorio produce un envejecimiento inferior al que genera el equipo RTFO, el cual está más asociado al envejecimiento en planta.

En los resultados mostrados en la Tabla 11 de los asfaltos, producto de la mezcla asfáltica, se observa que en un asfalto convencional (PG 64-22), la temperatura de extracción no tiene mayor influencia en los diferentes parámetros, sin embargo, esto no sucede con el asfalto modificado (PG 70-22), la variación entre resultados difiere según la temperatura empleada en la recuperación, para el parámetro G*/sen δ a la temperatura de 110 °C se presenta hasta 50.40 % de variación, mientras que a 140 °C disminuye a 20.96 %. Tomando en cuenta los valores del rango viscoelástico lineal se confirma el proceso de recuperación a 140 °C.

En la Tabla 12 se observa el porcentaje de variación entre muestras respecto al asfalto base del último ciclo de la prueba del MSCR; las muestras pertenecientes al ligante sin modificar reflejan porcentajes de recuperación a 3.2 kPa (ϵ_{r 3.2}) de 10.32 % y 0.09 %, contrario a lo que sucede en un asfalto modificado, en el cual se presenta hasta un 234.44 % de variación.

En la Figura 3 se presenta de manera gráfica el comportamiento de los asfaltos producto de la mezcla asfáltica M1R1-PG64-22 y M2R1-PG64-22, estos indican un comportamiento similar al resultado base (MA PG64-22), contrario a lo que sucede con las muestras del ligante modificado, donde la deformación es mayor.

Fuente: Elaboración propia

Figura 3 Resultados de MSCR obtenidos de los ligantes asfálticos recuperados de la mezcla asfáltica  

Para tener claro este comportamiento se recomienda realizar pruebas químicas para medir el efecto asociado al envejecimiento en el RTFO (se observó que este ensayo envejece más que un proceso de laboratorio) y comprobar si en un ligante sin modificar el envejecimiento compensa el reblandecimiento por el solvente; en el caso del ligante modificado, probar si es más importante el efecto del solvente que el envejecimiento en el RTFO.

Conclusiones

Se estableció un procedimiento para la extracción y evaluación de un ligante asfáltico proveniente de una mezcla asfáltica de RAP, el cual fue validado mediante el uso del equipo Rotavapor.

En la calibración realizada se determinó que la temperatura óptima de extracción en el Rotavapor es a 140 °C, ya que a esta temperatura se obtienen valores del rango viscoelástico lineal dentro de la repetibilidad establecida, tanto en un asfalto convencional como en un asfalto modificado. En el caso del ligante sin modificar (PG 64-22) producto de la extracción de mezcla asfáltica la temperatura para la recuperación en el rotavapor no tuvo mayor influencia en los diferentes parámetros (T=110 Y 140 °C), contrario a lo que sucedió en el ligante modificado (PG 70-22), donde la variación entre resultados de las dos temperaturas difirió más a la temperatura de 110 °C que a 140 °C.

En la prueba del MSCR, en las muestras de ligante modificado obtenido de la mezcla asfáltica, se advierte un comportamiento diferente del que se había observado en las etapas 1 y 2, por lo tanto, para futuras investigaciones se recomienda analizar el asfalto en un rango viscoelástico lineal.

Se proponen realizar pruebas químicas para medir el efecto asociado al envejecimiento en el RTFO (se observó que este ensayo envejece más que un proceso de laboratorio) y comprobar si en un ligante sin modificar el envejecimiento compensa el reblandecimiento por el solvente; en el caso del ligante modificado, probar si es más importante el efecto del solvente que el envejecimiento en el RTFO.

Por otro lado, se encontró que el proceso de mezclado y compactación en laboratorio produce un envejecimiento inferior al que genera el equipo RTFO, el cual está más asociado al envejecimiento en planta.