Asfalto Muy Modificado (HiMA, Highly Modified Asphalt)

Asfalto Muy Modificado
(HiMA, Highly Modified Asphalt)
La Siguiente Generación en el Diseño de
Pavimentos de Asfalto
Figura 1: E Cómo afecta el incremento del contenido de polímeros SBS en la morfología del betún/polímero.
Las cargas de polímeros SBS convencionales
mejoran las propiedades, sin embargo, como se
muestra en la figura 1, la fase dominante sigue
siendo el betún, por lo que las propiedades
son mayoritariamente como las de este
material. Por otro lado, si se incrementa el
contenido de polímeros, las fases se invierten
y en ese caso el «betún» pasa a comportarse
mucho más como la goma, lo cual afecta
profundamente a las propiedades físicas.
¿Qué es HiMA?
HiMA es, sencillamente, asfalto muy
modificado, una herramienta que se
puede emplear para solucionar algunos
de los problemas que aparecen en los
pavimentos de asfalto.
Betún
+SBS
Fase oleosa del polímero
hinchado
Fase discontinua del polímero
2.5%
Fase co-continua polímero-betún
5.0%
Esto afecta profundamente a las propiedades
físicas. Tal como se muestra, el punto de
ablandamiento aumenta espectacularmente, lo
mismo que la resistencia a la fatiga de la mezcla.
El incremento del contenido de polímeros, por 2 o
3, ofrece una mejora de 1-2 órdenes de magnitud
en la resistencia a la fatiga.
Fase continua del polímero
7.5%
Figura 2: Cómo afecta el incremento de polímeros SBS en el punto de ablandamiento
Punto de ablandamiento
100
¿Por qué es único HiMA?
Máximo
Beneficio
90
80
70
60
50
40
0
2
4
6
8
10
Contenido SBS(%)
Los polímeros SBS (estireno-butadieno-estireno)
convencionales se pueden mezclar con betún a un
porcentaje del 7 u 8 %, ahora bien, el asunto de la
compatibilidad plantea un problema en todos los betunes,
salvo en los más blandos, y es posible que el grado de
viscosidad sea excesivo como para que la mezcla se pueda
trabajar a temperaturas normales. El polímero D0243
Kraton™ ofrece una compatibilidad excepcional y un grado
de viscosidad bajo, lo que ayuda a erradicar este problema.
Figura 3: Cómo afecta el contenido de polímeros SBS en el rendimiento a la fatiga de las vigas.
Resistencia a la Fatiga Mejorada X100 frente a No Modificada
D 0243 7.5%
en aplicaciones sujetas a grandes tensiones, como las
plataformas de los puentes. .
Ciclos de Carga (N)
SBS 6%
HiMA es una herramienta que se puede emplear para
solucionar algunos de los problemas que aparecen en
los pavimentos de asfalto. Proporciona una combinación
entre la reducción de la deformación permanente y una
resistencia al agrietamiento por fatiga que se puede
aplicar a pavimentos estructurales más delgados, capas
superpuestas más delgadas y duraderas, productos de
emulsiones más fuertes y resistentes a las grietas, y
SBS 3%
Unmodified
Ensayo en la Universidad Técnica de Delft
40
80
Microtensión (-)
120
150
Betún de grado
de penetración
30/40 con 7,5 % de
D0243 Kraton en
una mezcla de 22
mm. Carga senoidal
completa, 8 Hz,
20 °C. 100 ciclos
de carga, misma
microtensión.
Asfalto Muy Modificado (HiMA)
La Solución para Conseguir un Pavimento Más Delgado y de Mayor Duración.
Pavimentos Estructurales
La reducción del coste inicial y a lo largo del
ciclo de vida, la duración del pavimento y
las repercusiones sobre el medio ambiente
seguirán siendo asuntos clave para el sector
de las carreteras. Kraton Performance
Polymers ha dado con una solución para
extender la duración y reducir costes y
recursos a la hora de construir y renovar las
carreteras.
0.0129
Asfalto Sin Modificar
(asfalto de 250 mm).
0.0121
0.0113
Daño total con 9.000 cargas del eje.
0.0105
0.0097
HiMA Kraton
(asfalto de 150 mm).
TM
Daño total con 9.000 cargas del eje.
Sección muy agrietada de la autopista PR-092 en
el estado de Panará, Brasil, antes de los trabajos
de rehabilitación.
Autopista PR-092 después de haber sustituido el viejo
pavimento asfáltico de 30,5 cm por un asfalto muy modificado
de 16,5 cm, esto es, se redujo el espesor en un 45 %.
Antes de la reconstrucción: grandes surcos en el pavimento
en la zona de carga de contenedores del puerto de Napier,
Nueva Zelanda.
Nueva capa de base de asfalto muy
modificado pavimentada en el puerto de
Napier, Nueva Zelanda.
0.0089
0.0081
0.0073
0.0065
0.0057
0.0049
0.0041
Nuestra tecnología de asfalto muy
modificado que se aplica en las capas de
base de asfalto permite reducir el espesor
del pavimento entre un 30 y un 40 %60%,
lo cual puede suponer un ahorro de costes
iniciales. Los ensayos de laboratorio y el
modelaje de elementos finitos realizados por
la Universidad Técnica de Delft, Holanda,
han demostrado que se podría reducir el
espesor del pavimento en un 40 %, sin que
ello suponga un incremento de los daños.
0.0033
0.0025
0.0017
0.0009
0.0001
de Reducción del Espesor
Capa de rodadura
Este concepto está siendo validado en el
Centro Nacional de la Tecnología del Asfalto
(National Center for Asphalt Technology,
NCAT) de la Auburn University de Opelika,
Alabama, con resultados excepcionalmente
buenos hasta la fecha.
Los cálculos que se realizan en el diseño
del pavimento utilizando software, que
incluye tanto los valores de rigidez como
los resultados a la fatiga de una mezcla
determinada, demuestran que lo hallado en
la Universidad Técnica de Delft y en el NCAT
se puede predecir con los parámetros de los
materiales de una mezcla de asfalto muy
modificada.
Capa de Base
250 mm
150 mm
Pavimento
de 250 mm
pavimentado en
agosto de 2006.
Rehabilitación
125 mm en
agosto 2209.
Diez meses.
Pavimento de 250
mm pavimentado
en agosto de 2006.
Rehabilitación
125 mm en
agosto 2009.
Rehabilitación
HiMA de 140 mm
en agosto de 2010.
Trece meses.
Subbase E = 300 MPa (43,500 psi)
Subgrado E = 100 MPa (14,500 psi)
Junio 2010: rehabilitación convencional sección N8 NCAT después
de 10 meses, 4 MM ESAL (ejes equivalentes). La primera grieta
apareció a 2,7 MM ESAL
Septiembre de 2011: Rehabilitación con HiMA sección N8 NCAT
después de 13 meses, 5,3 MM ESAL (ejes equivalentes). Oklahoma
patrocinará esta sección durante el ciclo de pista de ensayo de 2012
para hacer un seguimiento del deterioro y evaluar las estrategias de
conservación.
Para conseguir la rigidez adecuada
se utiliza betún de base dura.
La modificación SBS fomenta la
resistencia a la fatiga.
El betún de base dura, en combinación con un elevado
contenido SBS, por lo general puede dar pie a problemas
de compatibilidad y maniobrabilidad. En tales casos se
puede utilizar D0243 Kraton™ en altas concentraciones
sin ningún problema durante los trabajos de mezclado,
pavimentado y compactado. Asimismo, esta tecnología
permite utilizar en los trabajos de rehabilitación betún
de base más blanda para mitigar el agrietamiento
reflectante.
Características de D0243 Kraton™:
Permite utilizar aglutinantes de baja viscosidad
Excelente compatibilidad con una amplia
gama de betunes
Autorreticulación, no es necesario utilizar
azufre, es decir, sin emisiones de H2S
Registro de Empleo probado en
aplicaciones de pavimentado desde 2006
Capacidad de suministro mundial
Innovación en el diseño de
pavimentos
Reducción del espesor entre un 30 y un 60%, lo
que supone un ahorro de costes iniciales
Excelente resistencia a la fatiga y durabilidad
Apto para aplicaciones de altura limitada, como
los pasos a desnivel
La clave del concepto del asfalto muy modificado para
pavimentos delgados es conseguir una excelente resistencia
a la fatiga, sin dejar de mantener una alta rigidez.
El aglutinante de baja viscosidad ofrece a los
contratistas mejor maniobrabilidad
La solución respetuosa con el medio ambiente
consume menos materias primas y energía
Ofrece una mayor durabilidad y vida útil incluso
con niveles de espesor estándares
Emulsiones
En base a los datos obtenidos en las secciones de ensayos de
mezclas de HiMA estructural en el NCAT, así como durante el
programa TSP2 de la AASHTO para tratamientos superficiales
con mezclas finas de polímero muy modificado, se tradujo
esta plataforma tecnológica para su posible utilización
en los tratamientos superficiales con emulsiones para
microaglomerados muy premodificadas.
Capas Superpuestas Delgadas
En 2011, los estados de Minnesota, New Hampshire y Vermont
llevaron a cabo proyectos de demostración, como parte del
programa de pavimentado de superficies delgadas HiMA TSP2 de
la Asociación Americana de Funcionarios de Carreteras Estatales
y Transporte (American Association of State Highway and
Trasport, AASHTO) patrocinado por el Centro Nacional para la
Conservación de Pavimentos (Center for Pavement Preservation)
de la Universidad de Michigan. Se tomaron muestras de las
mezclas producidas en fábrica durante la instalación en campo y
se probaron en el Centro de Investigación para la Sostenibilidad
de Autopistas (Highway Sustainability Research Center, HSRC),
sito en la Universidad de Massachusetts Dartmouth. Todas las
mezclas utilizaron un aglutinante asfáltico muy modificado con
polímeros, que consistió en un aglutinante (PG -34acredito que
este valor esta errado) blando con un 7,5 % de polímero HiMA.
Se determinaron las características de rendimiento de las mezclas
HiMA en términos de resistencia al agrietamiento reflectante
y térmico, y al daño provocado por la humedad. Se midió lo
siguiente: la resistencia al agrietamiento reflectante utilizando
un probador de capas superpuestas Texas (OT, por sus siglas
en inglés); las características del agrietamiento térmico de las
mezclas con una prueba de retracción térmica impedida (TSRST,
por sus siglas en inglés); las características de los surcos con
un analizador de pavimentos de asfalto (APA, por sus siglas en
inglés); y el daño producido por la humedad con la máquina de
Hamburgo o dispositivos de ruedas cargadas (HWTD, por sus
siglas en inglés).
Según los resultados TSP2 de la AASHTO publicados, se prevé
que las mezclas de HiMA retarden el agrietamiento reflectante,
resistan el agrietamiento por baja temperatura hasta un nivel
estimado de aproximadamente -28 °C y muestren una formación
de surcos mínima y un daño debido a la humedad también mínimo
en el campo.
Mezcla
Ciclos OT Medios
con una Reducción
de Carga del 93 %
Figure 5: Resultados de control + WTAT (Ensayo a la Abrasión en Pista
Mojada) y SP para Emulsión de Microgranulado HiMA
Las fórmulas HiMA de Kraton
Temperatura
Media de Fallo
TSRST
ISSA TB 100
Pérdida WTAT (g/m2)
SP (°C) / SP (°F)
1 Hora
6 Días
Control
62 / 144
293 / 27.2
410 / 38.1
HiMA
83 / 181
95 / 8.8
171 / 15.9
Polymers ofrecen un pavimento
permite plantearse trabajos de mayor
envergadura con presupuestos
fijos. La tecnología HiMA posibilita
Figure 6: Distribución del tamaño de partículas para emulsión de
microgranulado HiMA + control
10
9
la construcción de carreteras que se
Mezcla HiMA MN
434
-31.8 °C
5.92 mm
16,700
conservan mejor y requieren menos
Control MN (Sin Polímero)
133
-32.2 °C
6.20 mm
14,600
mantenimiento. Nuestra meta es
Mezcla HiMA NH
2,000*
-33.1 °C
5.16 mm
10,000
hacer que los pavimentos sean más
Mezcla HiMA VT + RAP 24 %
2,000*
-30.1 °C
2.03 mm
10,000
VT HiMA Mixture +
24% RAP
1,144
-27.8 °C
2.87 mm
NONE
* La mezcla no alcanzó un criterio de fallo a la conclusión de 2.000 ciclos en el dispositivo OT.
ASTM
D36
Emulsion ID
menor, lo que reduce costes y
Profundidades
HWTD - Punto
Medias de Rodadas
de Inflexión de la
desde APA Después
Separación
de 8.000 ciclos
El tamaño de las partículas y su distribución son los que
normalmente se ven en una emulsión de microaglomerado
modificada con látex que utiliza un betún más duro y no
modificado. Asimismo, las propiedades de la mezcla de
microaglomerado ISSA A143, como es la abrasión en pista
mojada, son equivalentes o mejores que las de los sistemas
con emulsiones de microaglomerados modificadas con látex
tomadas como referencia.
Asimismo, la baja viscosidad de la gota de partículas de HiMA
facilita la coalescencia del residuo de HiMA cuando se aplica con
una reformulación concurrente de la red de polímeros.
asfáltico duradero con un espesor
Figura 4: Resultados de los ensayos de las mezclas HiMA llevados a cabo en Minnesota (MN), New Hampshire (NH) y Vermont (VT).
Para maximizar la durabilidad y la resistencia a la fatiga de la
capa de microgranulado, también se incorpora un aglutinante
un grado más blando con el polímero HiMA en estas fórmulas
de emulsiones muy premodificadas. Dado que el punto de
ablandamiento del residuo de la emulsión HiMA puede ser de
hasta 15 - 20 °C más elevado que el del residuo de una emulsión
de microgranulado modificado con látex, se mejora la resistencia
a los problemas de drenaje.
En el caso de las emulsiones para microaglomerados muy
premodificadas se debe mantener un equilibrio entre la facilidad
de la emulsificación y el nivel de carga del polímero. En el caso
de la opción con polímero HiMA se determinó que un nivel de
carga de porcentaje en peso de 6 (6w%) en el asfalto de base de
la microemulsión ofrecía dicho equilibrio. La red de polímeros
se vuelve continua en la mayoría de los betunes en la gama de
porcentaje en peso de 6 – 8. Se puede obtener fácilmente la
emulsificación en contenidos normales residuales de emulsión
para microaglomerados principalmente gracias a la baja
viscosidad del polímero D0243 KratonTM.
rentables. Las fórmulas HiMA permiten
una carga de polímeros mayor en la
mezcla para alcanzar una reducción del
50 % en el espesor del asfalto.
Control – 3,5 % peso, SBR modificado con látex
8
Volumen (%)
El éxito del trabajo de laboratorio y modelaje de la Universidad
Técnica de Delft, combinado con los datos de pruebas obtenidos
en la pista de ensayos de pavimento del NCAT, sugieren que la
tecnología HiMA bien podría aplicarse en trabajos de conservación
de pavimentos, como en el caso del pavimentado con asfalto
de superficies delgadas y los tratamientos superficiales con
emulsión de betún.
Cabe esperar que en la obra se logre mejorar la resistencia a
la propagación de las grietas reflectantes y al agrietamiento
térmico, así como la resistencia a la rodada que provocan los
vehículos muy cargados, especialmente cuando giran en las
intersecciones o en las calles residenciales.
HiMA - 6 wt% D0243-Modificado
7
6
5
4
3
2
1
0
0.1
1.0
10.0
Tamaño de Partículas (mm)
100.0
1000.0
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diverso de más de 800 clientes repartidos por más de 60 países en todo el mundo. Dedicados a «Dar ventaja a los innovadores», también colaboramos
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