Modificación de la mezcla asfáltica con polímeros por el método «en seco»: la tecnología y los resultados de las investigaciones

Introducción

En los últimos años, la calidad de los materiales y de los trabajos de estructura del pavimento en los países de Europa, Asia, la CEI, América y África ha mejorado de forma significativa. Esto se debe en gran medida a la introducción de nuevas tecnologías y normas y al uso de materiales de construcción modernos que aseguran la durabilidad y la fiabilidad del pavimento. Sin embargo, considerando el cambio climático y la creciente intensidad de las cargas de tráfico, la cuestión de asegurar la estabilidad y la resistencia a la temperatura de los pavimentos asfálticos se vuelve cada vez más actual.

Los problemas relacionados con las propiedades físicas y químicas de los asfaltos utilizados como elemento ligante en las mezclas asfálticas requieren investigaciones más profundas y nuevos enfoques tecnológicos. La modificación del asfalto con polímeros y otros aditivos puede elevar de forma significativa la resistencia del pavimento asfáltico a las acciones externas, tales como las oscilaciones de temperatura, la acción de la humedad y las cargas mecánicas. Esta cuestión se ha planteado repetidamente en diversas publicaciones científicas, como «Bitumen and Bitumen Modification: A Review on Latest Advances» (Applied Sciences) e «Исследование особенностей взаимодействия битумов с полимерами» (D. A. Ayupov, L. I. Potapova) y muchas otras. Sin embargo, como muestran las investigaciones científicas, las particularidades de los asfaltos producidos por el método de destilación, o bien complican considerablemente su modificación, o bien la hacen prácticamente imposible. Asimismo, la inconstancia de los indicadores de los asfaltos y su desviación respecto de las características declaradas exigen la búsqueda de soluciones alternativas para obtener un pavimento asfáltico de calidad.

Objetivo del trabajo

El objetivo de este trabajo es atraer la atención de los expertos y especialistas del sector de la construcción vial hacia una tecnología alternativa de modificación de mezclas asfálticas, que permite alcanzar características de servicio estables del pavimento con independencia de la inestabilidad de las propiedades del asfalto de origen. Se presta particular atención al uso de aditivos poliméricos capaces de compensar las carencias de los asfaltos actuales, en especial los obtenidos por el método de destilación, y en particular su baja capacidad de modificarse con polímeros. Esta tecnología está destinada a asegurar la estabilidad y la duración de servicio de los pavimentos en condiciones de fuertes oscilaciones de temperatura y de cargas de tráfico elevadas.

Las investigaciones se orientan a encontrar un proceso óptimo de modificación con polímeros, que asegure las características físico-mecánicas necesarias de la mezcla asfáltica, la resistencia al desgaste y una larga vida útil de la estructura del pavimento. Más allá de eso, un objetivo de principio es la simplificación del proceso de modificación y la reducción de los costos de producción de pavimentos de calidad.

El desarrollo activo del sector de la construcción vial, tanto en los países en desarrollo como en los desarrollados, y el aumento de los volúmenes de construcción de carreteras, exigen una mejora significativa de la calidad de los materiales empleados en la colocación de pavimentos asfálticos. Entre los componentes principales que determinan la durabilidad del pavimento, la mezcla asfáltica desempeña un papel nada desdeñable. Debe no solo soportar las cargas dinámicas del tráfico, sino también mostrar resistencia a los cambios bruscos de temperatura, a la acción de las precipitaciones y a otros factores agresivos del medio exterior.

El elemento clave que determina las propiedades de las mezclas asfálticas es el asfalto, que cumple la función de material ligante y asegura la adherencia entre las partículas de los componentes minerales. Sin embargo, al profundizarse las investigaciones científicas en este campo se ha constatado que la calidad del asfalto de origen no siempre responde a las normas necesarias. Esto se debe no solo a las características de la propia materia prima, sino a las particularidades de su producción, en especial cuando se emplean asfaltos obtenidos por destilación en las refinerías de petróleo.

Como sistema coloidal, el asfalto se compone de compuestos químicos diversos que poseen propiedades determinadas y forman su estructura. Según la proporción cuantitativa de estos componentes, el asfalto puede tener una estructura física distinta. El modelo del asfalto más comúnmente aceptado lo describe como una solución coloidal en la que grandes estructuras moleculares (micelas) están enlazadas entre sí mediante débiles enlaces de hidrógeno. Las micelas se forman a partir de moléculas de asfaltenos, que son la parte más dura del asfalto, mientras que su superficie exterior se estabiliza con resinas. Esto asegura la estabilidad estructural del asfalto en la fase coloidal.

Sobre la base de este modelo se distinguen tres tipos estructurales principales de asfalto: «sol», «sol-gel» y «gel». Cada uno de estos tipos tiene sus características físico-químicas particulares. Por ejemplo, los asfaltos del tipo «sol» se caracterizan por un alto contenido de asfaltenos, que hace la estructura del asfalto más rígida y quebradiza. En cambio, los asfaltos de estructura «gel» presentan una consistencia más fluida, ya que tienen un alto contenido de aceites y resinas. Los más adecuados para su empleo en la producción de asfalto modificado con polímeros (AMP) son los asfaltos del tipo «sol-gel», ya que reúnen las mejores propiedades de ambos tipos y poseen características físico-mecánicas equilibradas.

A pesar de ello, el proceso de modificación de los asfaltos con polímeros se enfrenta a menudo a una serie de dificultades. Uno de los problemas principales es la competencia entre los asfaltenos y los polímeros por la fracción maltena del asfalto, que es el medio de dispersión principal de la modificación. Durante este proceso, los polímeros introducidos en el asfalto deben adquirir una fase dispersa estable en un medio ya ocupado por moléculas de asfaltenos. Esto complica de forma significativa el hinchamiento del polímero y reduce la eficacia de la modificación. Se manifiesta en particular en el caso de los asfaltos obtenidos por el método de destilación, con un contenido de asfaltenos más bajo, lo que los hace menos aptos para la modificación.

Para que los asfaltos se modifiquen con éxito con polímeros es necesario que el asfalto de origen posea propiedades óptimas. Importa en particular, a modo de ejemplo, que la profundidad de penetración de la aguja a una temperatura de 25 °C esté entre 60 y 90 mm⁻¹ para el clima de Europa del Este. Sin embargo, la realidad de la industria de refinación obliga a los productores a extraer al máximo las fracciones ligeras del petróleo, dejando el asfalto como producto residual, lo que a menudo conduce al deterioro de su calidad.

Las tecnologías de refinación del petróleo se perfeccionan constantemente, permitiendo extraer al máximo de la materia prima los valiosos productos petrolíferos ligeros — gasolina, gasóleo, queroseno de aviación — mucho más costosos que el asfalto. Los métodos modernos, tales como la refinación profunda, el hidrocraqueo y el craqueo térmico, aumentan considerablemente el rendimiento de combustibles para motores. Sin embargo, un efecto secundario de este proceso es el deterioro de la calidad del asfalto, puesto que queda como producto residual con características estructurales alteradas.

Antes, el asfalto se obtenía predominantemente por destilación directa, lo que le aseguraba una composición equilibrada y propiedades de servicio estables. Hoy, en la producción predominan los procesos destructivos, en los que se retiran del petróleo los componentes más valiosos, y el asfalto restante se caracteriza por un bajo contenido de compuestos de alto peso molecular, una estructura inestable y una propensión acrecentada al envejecimiento. Además, cada vez con más frecuencia las refinerías emplean materia prima con alto contenido de parafina, lo que reduce todavía más la elasticidad del asfalto y empeora sus propiedades de adherencia. Son especialmente problemáticos los asfaltos obtenidos por el método de destilación sin oxidación posterior. Interactúan mal con polímeros como el SBS, ya que contienen una cantidad insuficiente de asfaltenos, necesarios para formar una estructura reticulada estable. Como resultado, la modificación con polímeros exige plastificantes y estabilizantes adicionales, un consumo elevado de polímeros o soluciones combinadas y costosas para alcanzar las características de servicio requeridas. En esencia, esto hace que la modificación del asfalto sea extremadamente compleja y económicamente injustificada, ya que los gastos financieros y los riesgos técnicos no se cubren con el resultado posible.

En estas condiciones, los servicios viales y los productores de mezclas asfálticas se ven obligados a buscar aditivos y tecnologías eficaces que compensen las carencias del asfalto actual y aseguren la durabilidad del pavimento.

El mercado y los resultados de las investigaciones

En los últimos años, la demanda de asfalto vial en los países de Europa, la CEI y Asia Central ha crecido de forma significativa, en especial en relación con la ejecución de proyectos de infraestructura de gran envergadura, tales como la construcción de carreteras nuevas y la reconstrucción de arterias de transporte existentes. Si en 2017 la necesidad total del sector vial de asfaltos en un solo país – Ucrania – era de unas 350-400 mil toneladas al año, ya en 2021 este indicador había crecido hasta 1,2-1,4 millones de toneladas. El crecimiento de la demanda de asfalto condujo a importaciones activas de asfaltos de destilación desde los países del sur de Europa y de Asia. Sin embargo, estos asfaltos poseen a menudo propiedades que se apartan de forma significativa de los requisitos de las normas, en especial durante la modificación con polímeros.

En el transcurso de los años 2021-2024, un grupo de expertos competentes realizó más de 90 ensayos de distintas muestras de asfalto producidas en Italia, España, Grecia, Polonia, Azerbaiyán, Irán y otros países. Los resultados generalizados de estas investigaciones pusieron de manifiesto serios problemas de correspondencia entre las características declaradas del asfalto y los indicadores reales, en particular en la temperatura de ablandamiento y la penetración. Más aún, no se estableció una dependencia clara entre las características iniciales del asfalto y los resultados de la modificación. Es importante señalar que algunas muestras no se modificaron en absoluto, incluso aumentando la cantidad de polímero y el tiempo del proceso de modificación. Además, la mezcla asfáltica terminada mostraba a veces propiedades físico-mecánicas imprevisibles, lo que exigía una corrección constante del proceso de modificación.

Otro problema que surge en la producción de asfalto modificado con polímeros es la separación del asfalto durante el almacenamiento y el transporte. Esto lleva a que, al emplear el asfalto para la colocación del pavimento, sus propiedades puedan apartarse de forma significativa de las iniciales, lo que repercute negativamente en la calidad de la mezcla asfáltica. Lo peor es que el personal de las plantas asfálticas y de los laboratorios muy a menudo debe tomar decisiones difíciles con rapidez, sin disponer de tiempo suficiente para pruebas y ensayos de laboratorio.

Una alternativa a la modificación del asfalto es la tecnología de modificación de la mezcla asfáltica, como producto final, por el método de incorporación «en seco», con la adición de un aditivo polimérico, por ejemplo «MPC» VELETON™, directamente en el mezclador asfáltico, conforme a los requisitos de ДСТУ 8959-2019, ГОСТ Р 58406.2-2020, СТ РК 2373-2019 y otras.

Esta tecnología está difundida desde hace tiempo y se emplea activamente en el sector de la construcción vial de los países avanzados de Europa y Asia, así como de los Estados Unidos, y tiene ciertas ventajas frente a la modificación tradicional del asfalto, a saber:

1. La calidad y las propiedades físico-mecánicas del producto final – la mezcla asfáltica – no dependen de forma significativa de la calidad del asfalto ni de su capacidad de modificarse con polímeros. La razón es que el aditivo polimérico de incorporación «en seco» actúa sobre los componentes de la mezcla, en particular sobre el agregado grueso, con lo que la mezcla asfáltica adquiere entre sus componentes enlaces poliméricos firmes, que pueden representarse como una malla polimérica en 3D.
2. Se simplifica de manera significativa el proceso de elaboración de la mezcla asfáltica, porque no se requieren equipos complejos y costosos para la modificación del asfalto con polímeros, como un molino coloidal y mezcladores de alta velocidad. El productor también ahorra un tiempo considerable, porque el asfalto puede usarse de inmediato, sin las 8-12 horas de modificación habituales (como con aditivos del tipo SBS).
3. No es necesario calentar de forma significativa el asfalto (por encima de temperaturas de 165-170 °C), lo que no conduce a su rápida oxidación y envejecimiento.
4. Los resultados del uso del aditivo MPC de incorporación «en seco» son siempre previsibles y calculados matemáticamente, según el tipo de mezcla asfáltica y la cantidad de polímero que contiene.

Tabla 1 — el análisis del uso del aditivo de incorporación «en seco» en el ejemplo de Ucrania en el período 2020-2024 muestra los siguientes resultados:

Tabla 2 — resultados de la comparación de los datos experimentales y teóricos, determinación del número de ciclos de carga hasta la rotura de las probetas de mezclas asfálticas estudiadas con el aditivo. Temperatura: T = +20 °C.

Los datos obtenidos (tabla 2) indican que los cálculos teóricos concuerdan con los datos experimentales. Esto muestra que estas dependencias pueden emplearse en cálculos prácticos para asegurar o pronosticar la durabilidad del pavimento asfáltico en carreteras y puentes bajo la acción de la temperatura y de la carga de los vehículos, así como para pronosticar sus cambios durante el servicio a lo largo de un período dado.

La experiencia de uso por parte de las principales empresas de construcción vial de los países de Europa, la CEI y Asia Central ha mostrado resultados altos y, sobre todo, repetibles, alta resistencia a las cargas, resistencia a las heladas y resistencia al corte de los pavimentos asfálticos. Los resultados de los ensayos muestran que la mezcla asfáltica responde en todos los indicadores a los requisitos de ДСТУ 8959-2019, ГОСТ Р 58406.2-2020, СТ РК 2373-2019 y otras.