garantÍa de calidad y normas tÉcnicas europeas para … · · 2017-09-06garantizarse que los...
TRANSCRIPT
1 / 1
GARANTÍA DE CALIDAD Y NORMAS TÉCNICAS EUROPEAS
PARA LA EXTRACCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE LIGANTES
BETUMINOSOS EN MEZCLADORAS ASFÁLTICAS ADITIVADAS.
Dr.-Ing. Telma Keppler - Infratest Prüftechnik GmbH
Resumen
Los estándares para la pavimentación de carreteras en Europa se definen en las
"Directrices para la estandarización de la superestructura de áreas de tráfego"
siendo llevados muy a serio y seguidos a la raya por todos los participantes del ciclo
de construcción, desde el proveedor de materiales hasta el cliente final.
Una de las actividades más importantes es la determinación del contenido de
ligante en la mezcla de asfalto. En Europa, el método utilizado es conforme a la
norma EN 12697-1. En este método, se recuperan todos los componentes básicos
del asfalto pudiéndose determinar las características cualitativas del ligante.
El método de combustión prácticamente desapareció de Europa, especialmente
porque en las mezclas asfálticas modernas se utilizan ligantes modificados con
aglutinantes, ceras, nanopartículas, polímeros, agentes de rejuvenecimiento, etc., y
por eso la combustión no es una alternativa, ya que la determinación de las
propiedades del ligante se ha vuelto muy importante, especialmente en el estudio
del control de calidad del reciclado.
El trabajo presentado es una visión general de las reglas de control de calidad y
normas técnicas europeas, principalmente para la extracción y caracterización de
ligantes en mezclas asfálticas aditivadas utilizando solventes hidrocarburos
clorados en ambiente de ciclo cerrado.
Palabras clave: Contenido de ligante bituminoso, mezclas asfálticas, fatiga,
normativas europeas, obras de carreteras.
2 / 1
1. Introducción - Condiciones de las carreteras.
¿Por qué las carreteras están en tan malas condiciones? Agujeros en el asfalto,
cambios de temperatura, tránsito intenso. Todos se quejan de la falta de condiciones
de las carreteras y de la falta de dinero, tanto para la construcción de nuevas
carreteras, como para la reforma de las existentes.
Pero, para empezar, deberíamos hablar más en serio sobre las ideas y conceptos
que sobre el tamaño de la laguna presupuestaria en la construcción de carreteras.
Durante la 3ª reunión de Infraestructura en Berlín, el director del Instituto Alemán
de Asuntos Urbanos mencionó en su conferencia que todo el dinero invertido no
ayuda en la conservación, si el error se encuentra en la punta de la cadena. El
término "agujero en la pista" es una banalización, porque los agujeros son
inofensivos a primera vista y se pueden cerrar de forma rápida y con muy poco
dinero. Mucho más grande es la amenaza que se esconde detrás del "agujero": la
"fatiga". Esta sí desempeña un gran papel cuando se habla del verdadero estado
de una carretera. No resuelve "tapar los agujeros" de una carretera infectada por la
fatiga.
Pero la fatiga puede ser prevista y calculada. Así como otros tantos problemas
pueden ser evitados, previstos y calculados, utilizando tecnología disponible para
pruebas en betún, agregados y mezclas asfálticas, evitando así también
mantenimientos improductivos que tienen un costo elevado y fracaso garantizado.
3 / 1
2. Carreteras y Reglamentos.
Alemania tiene cerca de 13.000 kilómetros de carreteras y 39.500 Km de
carreteras federales y cerca de 67.000 puentes sobre la responsabilidad del
gobierno federal. Además, son 86.000 km de carreteras estatales y provinciales en
la jurisdicción de los estados (figura 1). Las
condiciones de tráfego pesado en las calles y
carreteras tienen una participación cada vez mayor
y requiere un cuidado especial en lo que se refiere
al dimensionamiento y la implementación de las
características teóricamente calculadas en la
construcción de las carreteras. El número de
vehículos en las carreteras, principalmente los
comerciales ha aumentado mucho en los últimos
años y, por lo tanto, tenemos un gran desarrollo de
tráfego que conduce a la disminución de velocidad
y, por lo tanto, las carreteras y las carreteras se
exponen a un significativo aumento de la frecuencia
de carga, del transporte y el estrés.
Figura 1: Mapa de las carreteras en Alemania (2017). Fuente: Patrick Scholl 2007-
2017
Por esta razón, Alemania es muy exigente en lo que se refiere a la elección de
socios para la construcción de carreteras. Es necesario atestar una excelente
calidad de construcción y calidad de materiales para conseguir siquiera participar
en un concurso público de una obra de carreteras.
La construcción en general está determinada por los reglamentos existentes que
se siguen rígidamente. Los estándares para la pavimentación de carreteras dentro
y fuera de las zonas edificadas están definidas en las "Directrices para la
estandarización de la superestructura de áreas de tráfego" (RstO) y en las
"Directrices para la estandarización de la superestructura en la renovación de áreas
de tráfego" (RstO- E).
En la presentación de presupuestos para obras de carreteras, es imprescindible
atestar la calidad y adoptar una clasificación adecuada de las etapas de la obra.
El dimensionamiento correcto tiene por objeto crear pavimentos de carretera
apropiados a las cargas de tráfego lo que significa larga vida y costos mínimos de
mantenimiento.
4 / 1
¿Pero cómo atestar la calidad? ¿Cómo asegurarse de que el material utilizado
es realmente el adecuado? ¿Cómo saber si la mezcla asfáltica atenderá
verdaderamente la demanda presupuesta de tráfego, las variaciones climáticas y
cómo saber cómo será el comportamiento de la mezcla en 5 o 10 años?
Todos los elementos y etapas pueden y deben ser estudiados y evaluados a
través de pruebas realizadas de acuerdo con las normativas vigentes en el país.
Las dependencias funcionales de construcción, propiedad de los materiales,
tráfego, carga y clima deben ser conocidas y evaluadas en profundidad para
satisfacer las especificaciones de la demanda.
En Alemania las normas vigentes son las normativas nacionales TP: "Technische
Prüfvorschriften für Asphalt im Straßenbau" (pruebas técnicas para asfalto en
carreteras), realizada por la Sociedad de Investigación para el transporte por
carretera y el transporte (FGSV), que es una asociación técnica y científica sin fines
de lucro formada por ingenieros, profesores, autoridades gubernamentales,
corporaciones, asociaciones, empresas, oficinas de ingeniería y laboratorios y son
responsables por el desarrollo del conocimiento y por la definición y mantenimiento
de los reglamentos técnicos en las áreas de construcción de carreteras, ingeniería
de tráfego y planificación del transporte.
La sociedad FGSV actúa en cooperación con el Instituto Alemán de
Normalización (DIN) y como comités de los órganos competentes en el Comité
Europeo de Normalización (CEN) y contribuye también a la creación de las normas
europeas (EN).
Los reglamentos técnicos publicados por la FGSV son seguidos por todos los
miembros que forman parte de la cadena de calidad para la construcción de
carreteras, desde las refinerías, plantas de asfalto, constructoras, laboratorios
independientes de ingeniería hasta las autoridades tributarias o las alianzas público-
privadas que son los propietarios de las carreteras y por lo tanto también
interesados en carreteras de calidad a largo plazo lo que significa larga vida con
costos mínimos de mantenimiento.
3. Ensayos técnicos.
La preparación de una mezcla asfáltica normalizada es fundamental para la
calidad de la vía pavimentada. Los métodos de ensayo para asfalto se describen en
la EN 12697 - "Métodos de ensayo para mezclas asfálticas". Siguen los métodos de
ensayo para clasificar los materiales (agregados y ligantes bituminosos).
5 / 1
Para las operaciones en el marco de los estudios de diseño asfalto debe
garantizarse que los agregados y el ligante que se utilice para la producción de
asfalto tengan el marcado CE *.
* Marcación o Certificado de conformidad CE es un indicativo de cumplimiento
obligatorio para diversos productos comercializados en Europa e indica que un
producto atiende las legislaciones de la Unión Europea. El marcado CE es colocado
por el propio fabricante, el cual asume íntegramente toda la responsabilidad por la
conformidad del producto en cumplir con las directivas legales vigentes en Europa.
Además, son necesarios los ensayos de rendimiento que determinan la influencia
del tráfego, carga y clima en las construcciones viales.
4. Inspección inicial y certificado de aprobación.
El Parlamento Europeo, teniendo en cuenta el tratado de la Unión Europea,
considera las aprobaciones, especificaciones y disposiciones técnicas relacionadas
con la construcción, fundamentales y necesarias para garantizar la vida larga y sana
de las carreteras.
El fabricante de mezclas asfálticas es responsable de la inspección inicial y de
las pruebas en muestras tomadas en fábrica y por el control en la producción.
Los Laboratorios de Ensayos autorizados por el Gobierno Nacional y la Comisión
Europea o los Organismos de Certificación también son responsables por la
inspección inicial y por pruebas de muestras tomadas aleatoriamente en la fábrica,
en el mercado o en el sitio de obras y por el monitoreo continuo de la producción de
la fábrica.
La inspección inicial se compone de una serie de pruebas iniciales obligatorias,
de conformidad con los requisitos pertinentes de las normas europeas armonizadas
y debe realizarse antes de la primera utilización del producto. Estas pruebas son de
responsabilidad del fabricante de la mezcla asfáltica y éste debe contratar un
laboratorio (propio o de otra autoridad) para proceder a las pruebas.
Los resultados de las pruebas iniciales sirven como base para la evaluación de
muestras realizadas en la producción de la fábrica y como requerimiento para la
determinación de los niveles de satisfacción operativa.
Forma parte de la inspección inicial, de conformidad con la normativa EN 13108
y TL Asfalto-STB:
6 / 1
Agregados
• Tipo y origen
• Porcentaje de categoría de granos (gruesos, fillers, menores que 0,063 mm y
menores de 0,125 mm)
• Densidad
Ligante bituminoso
• Tipo y origen
• Punto de ablandamiento Anillo y Bola inicial del ligante
• Penetración
• Recuperación elástica.
Aditivos
• Tipo de aditivo
• Cantidad de aditivos.
Mezcla Asfáltica
• Contenido de ligante
• Ensayos en el ligante recuperado
• Tipo y origen de los agregados
• Análisis granulométrico
• Densidad de la mezcla
• Grado de compactación de la mezcla
• Resistencia a la deformación permanente
Reciclado o Fresado
• Tipo y cantidad de reciclado
• Porcentaje y categoría de granos
• Contenido de Ligante
• Punto de ablandamiento del ligante recuperado del asfalto reciclado
• Punto de ablandamiento en la mezcla ligante resultante
• Densidad
Como ya se ha mencionado, la evaluación inicial es un requisito previo para el
marcado CE del asfalto. Los reglamentos para las pruebas también están escritos
en una norma EN.
7 / 1
Los certificados de calidad emitidos sobre la base de los resultados de las
pruebas realizadas forman parte de los fundamentos contractuales para la
construcción en un proyecto.
La evaluación (inspección) inicial de los materiales y de la mezcla asfáltica se
considera la prueba del cumplimiento de la calidad requerida.
El contratista prueba entonces que los materiales que se suministran son
adecuados para la obra específica.
5. Determinación del contenido de ligante en la mezcla asfáltica.
La primera parte de la normativa de ensayo para mezclas asfalticas EN 12697-1
- es una de las atribuciones más importantes y fundamentales de la norma EN
12697 que trata de la determinación del contenido de ligante en la mezcla asfaltica.
En los Estados Unidos la norma ASTM D 2172 está siendo actualmente
desarrollada y deberá acabar de vez con el método estándar de combustión
utilizado en el pasado que prácticamente ya desapareció de Europa.
Especialmente hablando de mezcla asfáltica moderna en la que los aditivos como
aglutinantes, ceras modificadas, nanopartículas, polímeros, caucho, agentes de
rejuvenecimiento, etc., se pueden mezclar al ligante, el método de combustión no
es una alternativa.
Además, la determinación de las propiedades del ligante bituminoso recuperado
se ha vuelto muchísimo importante en los últimos tiempos, especialmente en el
estudio y en el control de asfalto reciclado, ayudando a minimizar la falla en la
construcción de carreteras que utilizan mezcla de asfalto con asfalto reciclado en
su composición.
5.1 Defectos por error en la cantidad de ligante.
Un fallo en la determinación de la cantidad de ligante bituminoso, puede llevar a
errores considerables en una obra de carreteras, tanto el exceso como la falta de
ligante presente en la mezcla asfáltica, pueden causar grandes defectos de la
carretera.
Los defectos por error en el contenido de ligante como exudación y trincas por
fatiga se producen por mezclas con mayor porcentaje de ligante y por un porcentaje
menor, respectivamente.
8 / 1
Otras fallas como baja estabilidad, baja resistencia al trinquete por fatiga,
corrugación, deformaciones plásticas, desgarramientos, bajo fricción neumático /
pavimento, oxidación acelerada y permeabilidad excesiva afectan directamente la
comodidad del usuario, la seguridad en la vía y durabilidad del revestimiento.
Las figuras 2, 3 e 4 muestran ejemplos de defectos por error en la cantidad de
ligante.
Figura 2: Hundimiento plástico Wheel tracking. Fuente: Bernucci (2006)
Figura 3: Deslizamiento de la mezcla asfáltica. Fuente: Bernucci (2006)
Figura 4: Exudación. Fuente: Bernucci (2006)
9 / 1
La determinación del contenido de ligante en las mezclas asfálticas es
generalmente un proceso de trabajo intensivo, con el uso de solventes,
predominantemente los hidrocarburos clorados, lo que puede ser muy perjudicial
para la salud y el medio ambiente.
Sin embargo, equipos modernos y de alta tecnología consiguen extraer y
recuperar todo el ligante contenido en una mezcla asfáltica usando un sistema de
extracción automático, haciendo este trabajo en un ambiente cerrado, seguro y
respetuoso con el medio ambiente, con foco en la sustentabilidad.
El ejemplo práctico que se presenta a continuación se refiere a la extracción
automática de una muestra de asfalto, fabricada por una planta de asfalto que utiliza
reciclado en su composición. El ensayo se basa en una comparación de las masas
iniciales y finales de la muestra.
Una comparación de los datos cualitativos (reológicos, penetración, anillo y bola,
ductilidad, etc.) del ligante virgen y el ligante envejecido es fundamental para hacer
la receta de mezcla de asfalto a ser utilizada en la nueva construcción.
Para esto necesitamos para recuperar el aglutinante contenido en el asfalto
reciclado con el fin de analizarlo.
El resultado del ensayo es extremadamente exacto y sin discrepancias,
demostrando que la extracción es altamente confiable y por lo tanto utilizada en
todas las etapas del ciclo de calidad.
5.2. Ejemplo práctico de aplicación de recuperación de ligante
5.2.1 Método de extracción:
La recuperación del ligante de la mezcla asfáltica se realiza utilizando la máquina de extracción de asfalto a ciclo cerrado (figura 5) donde una muestra de asfalto es "lavada" con solvente recuperando totalmente los agregados, filler y ligante contenido en la muestra.
10 / 1
Figura 5: Equipamiento: Infratest Asphalt Analysator PC
Observaciones:
Todos los pesos están en g (gramos) Solvente utilizado: PER - Percloroetileno
Se pesa la muestra de mezcla de asfalto reciclado (figura 6) inicial a ser colocada
en la cámara de lavado se debiendo tarar la balanza con el plato antes de colocar
la muestra que fue dividida en dos (tabla 1) para que se tenga una comparación.
Figura 6: Muestra de asfalto a ser analizada
11 / 1
Muestra I Muestra II
Peso del cilindro de la cámara de lavado 2.618,50 2.619,30
Peso total de la Muestra 1.196,50 1.201,80
Peso total bruto 3.815,00 3.821,10
Tabla 1: Peso total de la muestra
Se prepara el equipo Asphalt Analysator para la extracción utilizando solvente
PER (Percloroetileno). El depósito de disolvente del equipo debe llenarse con 25l
de disolvente (figura 7). Se coloca la muestra de asfalto en la cámara de lavado
(Figura 8) e se prepara la centrífuga para recibir el filler (figura 9).
Figura 7: Llenado de disolvente
Figura 8: Cámara de lavado
12 / 1
Figura 9: Centrífuga
Se trabaja con 4 ciclos de lavado y 6 de secado para aprox. 1,2Kg de mezcla
asfáltica (estos datos se basan en experiencias anteriores).
Se recomiendan 4 ciclos de lavado y 6 de secado 6 para materiales recubiertos
fácilmente separables, 6 ciclos de lavado y 8 de secado para materiales difíciles de
separación (recubiertos) y 7-10 ciclos de lavado y 8 de secado 8 asfalto mastique.
Una vez finalizada la extracción (aprox. 45 minutos) se realizan los pesajes
del agregado y del filler de la centrifuga (tabla 2). El filler que quedaba en la camara
de lavado fue rescatado y sumado al filler de la centrifuga y todo fue nuevamente
pesado (figura 10).
Figura 10: pesajes del agregado y filler
13 / 1
Muestra I Muestra II
Peso Agregado extraido 1.049,30 1.070,00
Peso Vaso da centrifuga vacio 537,60 537,70
Peso do vaso com filler extraido 628,30 618,30
Peso del Filler retenido en la cámara de lavado 1,50 2,20
Peso Filler + Vaso centrifuga 629,80 620,50
Peso Filler - Vaso centrifuga 92,20 82,80
Tabla 2: Peso del agregado y filler extraido
Se puede calcular la cantidad de ligante (tabla 3) a ser extraído haciéndose una
substracción común para luego ser comprada al resultado final:
Muestra I Muestra II
Peso muestra I - peso agregado - peso filler
1.196,50-1.049,30-92,20 55g
1.201,80 - 1.070,00 - 82,80 49g
Total de ligante en la mezcla 4,60% 4,60%
Tabla 3: peso del ligante extraido
Se retira la mezcla Betún /Solvente de la cámara de recuperación (figura 11)
hasta que esté limpia (figura 11). Obtuvimos un valor mucho más elevado al pesar
la mezcla (tabla 4):
14 / 1
Figura 11: mezcla betún/ disolvente es retirada de la cámara de recuperación
Figura 12: mezcla betún/ disolvente es pesada
Muestra I Muestra II
Peso del Vaso 277,50 265,30
Peso del Vaso + Mezcla de Betún y PER 1.055,00 1.052,00
Peso Mezcla de betún y PER 777,50 786,70
Tabla 4: Peso de la mezcla Betún/ Dissolvente
Al destilarse, una parte de disolvente permanece mezclada con el ligante. Esto
sucede porque como el Betún naturalmente es un material duro y de otro modo no
podríamos más sacarlo de la cámara de recuperación.
Para retirar el disolvente restante de la mezcla y obtener los calculados 55g (49g)
de ligante como muestra el cálculo matemático, se debe llevar la mezcla a un
evaporador rotativo (figura 13) según lo previsto en la norma EN 12697-3
15 / 1
Figura 13: evaporador rotativo
Se pesa el vaso de destilación del evaporador vacio, donde el PER será
recuperado (figura 14) e se coloca el vaso en el evaporador rotativo (figura 15).
Figura 14: Pesaje del vaso del destilación del evaporador rotativo
Muestra I
Muestra II
Peso vaso del evaporador 271,30 271,30
Tabla 5: Pesaje del vaso del evaporador
16 / 1
Figura 15: Colocación del vaso del destilación del evaporador rotativo
Se pesa la mezcla e se lleva la misma al evaporador rotativo (figura 16).
Figura 16: mezcla es llevada al evaporador rotativo
Pasados 10 minutos ya hay una buena parte del PER recuperado en el vaso de
destilación y pasados los 20 minutos se pasa a la 2. Fase de la destilación, según
la norma.
Después se retira el vaso conteniendo y betún del baño de aceite para pesarlos.
El vaso que contiene el betún, vacío, había mostrado un peso de 277,50 g para
la muestra I y 265,30 en la muestra II. El vaso con betún después de la destilación
presentó un peso de 332,50 para muestra I y 313,30g para la muestra II.
Por lo tanto el total de ligante retirado de la muestra I fue de (332,5-277,5) 55g y
el total de betún retirado de la muestra II fue de (314,3-265,3) 49g.
¡Esto prueba que el ligante ha sido totalmente separado del disolvente! Así se
muestra la exactitud del ensayo de extracción a través del Asphaltanalysator PC
InfraTest (figura 5), utilizados tanto por las empresas de pavimentación, como por
todos los demás involucrados en el ciclo de calidad.
Se retira inmediatamente el Betún del vaso del evaporador rotativo (figura 17)
pues éste debe ser retirado mientras aún caliente pues cuando se enfría, se
endurece.
17 / 1
Figura 17: El betún es retirado del evaporador rotativo
Se pesa el vaso de evaporación, anteriormente todavía vacío (figura 14) y
después de la destilación.
Aprox. 650ml de PER que se ha recuperado en la destilación puede ser devuelto
al Analizador de Asfaltos ya que es de buena calidad.
Por lo tanto, la pérdida total de disolvente por extracción es de aproximadamente
70 ml.
Terminada la extracción del ligante, pasamos à los análisis cualitativos del mismo
(figura 18) tales como: Penetración, Punto de ablandamiento Anillo y Bola,
Recuperación elástica, etc.
Figura 18: dispositivos para análisis cualitativo de bitumen
6- Conclusión
Este trabajo tuvo como objetivo presentar una visión general de las reglas de
control de calidad y normas técnicas europeas, principalmente para la extracción y
caracterización de ligantes bituminosos en mezclas asfálticas aditivadas utilizando
18 / 1
dissolventes hidrocarburos clorados en ambiente de ciclo cerrado y principalmente
evidenciar y reforzar la importancia y la confiabilidad de los resultados obtenidos en
las pruebas de extracción de betún utilizando el Asphalt Analyser.
Los datos obtenidos demuestran la eficiencia del extractor de betún "Asphalt
Analysator" y la confiabilidad de lo ensayo aumenta la confiabilidad de los resultados
finales.
Un de los objetivos de la extracción de betún es determinar la cantidad de ligante
en la mezcla asfáltica. Una extracción correcta proporciona un control tecnológico
adecuado de la mezcla a ser utilizada en la obra de las carreteras.
La recuperación del ligante también proporciona la posibilidad de realizar los
análisis cualitativos del mismo que son de extrema importancia para el cálculo
exacto de la mezcla asfáltica, factor esencial para el éxito de las obras viales,
evitando así errores causados tanto por el exceso como por la falta de ligantes en
las mezclas asfálticas.
7- Referencias
J. HUTSCHENREUTHER, T. WORNER, 2010, Kirschbaum Verlag - Aspahlt in Strassenbau. FGSV - Forschungsgesellschaft für Strassen- und Verkehrswesen, 2012 - Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrsflächen RStO 12 K. SCHINDLER - NordLabor GmbH, 2008 – Die neue TP – Asphalt DIN EN 13108 -1 Bituminous mixtures, Material specifications Part 1, 2008 DIN EN 12697 -1 – Bituminous mixtures, Test methods for hot mix asphalt Part1 – Soluble binder content, 2012 ASTM D 2172 – Quantitative determination of asphalt in asphalt mixtures and pavement samples using automated solvent extraction method, draft, 2017 V. ROOT, 2008 - Einführung der Europäischen Normen BERNUCCI, L. B., DA MOTTA, L. M. G., CERATTI, J. A. P., SOARES, J. B. , 2006, Petrobras:Adeda - Pavimentação Asfáltica: Formação Básica para Engenheiros. Rio de Janeiro, RJ: INFRATEST, 2012 - Asfalto - Betume. Catálogo e manual http://www.infratest.net