Desarrollo de una nueva tecnología a partir de un asfalto natural para su aplicación en infraestructura vial

Abstract

RESUMEN : En esta investigación se desarrolló una nueva tecnología para aplicaciones en infraestructura vial a partir de una gilsonita colombiana proveniente de una mina ubicada en el departamento de Santander que presentó un tamaño aproximado entre 2 a 12.5 cm. Su caracterización fisicoquímica de realizó empleando técnicas analíticas e instrumentales como punto de ablandamiento, punto de inflamación, penetración, análisis elemental (CHON-S) y Espectrometría de Fluorescencia de Rayos X - XRF; fraccionamiento SARA, Microscopía de Fuerza Atómica - AFM, Espectrometría Infrarroja por Transformada de Fourier - FTIR/ATR, Análisis Termogravimétrico - TGA y análisis de tamaño de partícula. La caracterización fisicoquímica de la gilsonita indicó un elevado contenido de asfaltenos alrededor de 69%, penetración cero, punto de ablandamiento de 214 ± 5 °C y punto de inflamación de 260 °C; lo cual demostró que la gilsonita per se no presenta propiedades adecuadas para su empleo como ligante. Sin embargo, estas características constituyeron el punto de partida para abordar un escenario de investigación consistente en mezclarla con otras sustancias afines químicamente y obtener nuevos productos. En este sentido se empleó un aceite vegetal, un aceite quemado de motor, un solvente derivado de petróleo y un aditivo comercial rejuvenecedor de asfaltos. Para determinar la contribución en masa de cada uno de los materiales involucrados en la formulación del lodo asfáltico, se realizó el análisis de estabilidad y flujo en mezclas asfálticas siguiendo la metodología Marshall. Se siguió un diseño de experimentos de mezclas en Statgraphics®, fijando los rangos mínimo y máximo de cada uno de los compuestos en la mezcla; la estabilidad (kN) y flujo (mm) se precisaron como variables de salida. La gilsonita fue sometida a un proceso de reducción de tamaño en molino de bolas. El polvo de gilsonita obtenido fue mezclado con cada uno de los materiales de acuerdo con el diseño de experimentos, obteniéndose los lodos asfálticos de consistencia líquida con una viscosidad rotacional alrededor de 3.000 cP en condiciones ambientales, color negro e inodoro. Posteriormente el lodo se sometió a una temperatura de 170 °C y una agitación de 1000 rpm durante 120 minutos para lograr ligantes asfálticos que al final del procedimiento presentaron una consistencia similar a la de asfaltos convencionales. Para la mezcla asfáltica se utilizó una distribución granulométrica para Mezcla Densa en Caliente 19 (MDC-19). Los resultados mostraron que la mayoría de las formulaciones cumplían con los requisitos de las especificaciones Invías respecto a estabilidad y flujo puesto que se obtuvieron valores superiores a los 7.500 N y a los 2 mm respectivamente. Luego, se modificó el ligante obtenido con polímero estireno-butadieno-estireno SBS y azufre como reticulante bajo condiciones similares de temperatura y agitación. Tanto el ligante y el ligante modificado tuvieron en PG 88-22, adicionalmente se realizó la curva de viscosidad para determinar la temperatura de mezclado y compactación en mezclas asfálticas; grado de penetración y punto de ablandamiento. Los productos obtenidos fueron evaluados en Mezclas Densas en Caliente MDC-19 y Mezclas Semidensas en Caliente MSC-19. Se empleó análisis de estabilidad y flujo; análisis volumétrico según la metodología Superpave y ensayo de tracción indirecta Tensile Strength Ratio, TSR. Los resultados indicaron que las algunas de las mezclas cumplieron con casi todos los parámetros del diseño preliminar. Para el análisis ambiental de las mezclas asfálticas formuladas se empleó una metodología de lixiviado tanto del lodo como del ligante. Los resultados mostraron que los productos desarrollados no representan un riesgo para los cuerpos de agua o suelos con los cuales puedan interaccionar; los valores de los parámetros fisicoquímicos DBO y DQO están por debajo de la normativa colombiana y su relación con un valor de 0.5 en todos los casos analizados indica que los lixiviados son biodegradables. Adicionalmente se hicieron ensayos de intemperismo acelerado empleando una cámara de envejecimiento QUV, para lo cual se elaboraron probetas MDC-19 con el lodo, MDC-19 y MSC-19 con el ligante 11 y se sometieron a condiciones aceleradas de humedad, temperatura e irradiación UV. De acuerdo con los resultados de los factores de aceleración calculados se simularon aproximadamente 9 meses de condiciones ambientales naturales; luego del tiempo de exposición, las probetas se fallaron para conocer su condición de estabilidad y flujo. Se obtuvo valores de estabilidad alrededor de 14.000 N y flujos a partir de 2,4 mm; lo que indica que las mezclas asfálticas elaboradas cumplen para un NT3. Se realizó un análisis económico mediante un cuadro comparativo de dos tecnologías similares desde el punto de vista económico para la intervención de 5,3 km de una vía terciaria ubicada en zona rural del municipio de Puerto Caicedo, departamento del Putumayo con una emulsión asfáltica en frío y con el lodo asfáltico desarrollado en esta investigación. Se estimó un costo global más bajo para el uso del lodo con una diferencia de aproximadamente USD 300.000. Los resultados de esta investigación conjugan tanto el desarrollo de nuevos materiales como la innovación en metodologías de síntesis y procesamiento de materiales. La gilsonita es un material natural disponible en el país, que posee una estructura química y una matriz asfalténica que ofrece una gran versatilidad para ser combinada con un amplio abanico de sustancias que presenten similitud con su naturaleza química. Bajo escenarios de sostenibilidad y economía circular, estas sustancias pueden encontrarse en residuos industriales, los cuales perderían su condición de residuo al adquirir el carácter de recurso para formar nuevos productos tecnológicos para el desarrollo de la infraestructura vial del país.