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MODIFICACION DE CEMENTO ASFALTICO EN CALIENTE CON EMULSION DE SBR Gerardo Botasso, Julián Rivera, Cecilia Soengas, Oscar Rebollo LEMaC Centro de Investigaciones.

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1 MODIFICACION DE CEMENTO ASFALTICO EN CALIENTE CON EMULSION DE SBR Gerardo Botasso, Julián Rivera, Cecilia Soengas, Oscar Rebollo LEMaC Centro de Investigaciones Viales Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional La Plata, Argentina Germán Spinelli Basf The Chemical Company

2 En los países de la región, se registra el uso difundido del Estireno- Butadieno-Estireno (SBS), como principal agente modificador de los cementos asfálticos en caliente. Demanda alto esfuerzo de corte y elevada temperatura para generar la microdispersión. Los proveedores de asfalto modificado buscan obtener: Procesos menos complejos de dispersión Dispersiones estables en el tiempo Posibilidad de dispersar en la obra y evitar el traslado y manipulación de asfalto modificado Menor temperatura del asfalto y del polímero

3 En el presente trabajo, se diseña una instalación que permite, a escala de laboratorio e industrial, adicionar polímeros de manera estable en un cemento asfáltico en caliente in situ, cumpliendo con las normativas vigentes de clasificación de los asfaltos modificados en Argentina y su reología, utilizando sistemas de dispersión de baja complejidad.

4 LOS PLASTOMEROS Derivados de poliolefinas (polietileno o polipropileno como cadena principal) que pertenecen a la familia de los PLASTICOS. Presentan temperatura de fusión, por su arreglo estructural algunos plásticos presentan cierto nivel de memoria elástica y por eso se usa el apelativo de PLASTÓMEROS, pero no dejan de tener temperatura de fusión. Cuando el material plástico o plastómero se pone en contacto con asfalto caliente, se rebasa su temperatura de fusión (normalmente por arriba de 150 °C), y ya en estado fundido se dispersa muy fácilmente en el asfalto, sin requerir mucho esfuerzo mecánico. LOS ELASTOMEROS Son polímeros de diferente naturaleza, los mas utilizados son copolímeros de estireno- butadieno y hay varios tipos: SBR, SB, SBS radial, SBS lineal, (SB)n y SEBS. Los más reportados en la literatura y los de mayor demanda a nivel mundial son los SBS (ya sean radiales o lineales). Estos materiales no funden, por lo tanto no tienen temperatura de fusión, pero si se reblandecen y pasan a un estado viscoelástico en el que pueden dispersarse para modificar el asfalto. de su deformación remanente.

5 Dependiendo de su forma física pueden requerir de equipos de alta cizalla para su incorporación al asfalto o no, ya que hay algunas formas de polvo que se dispersan con equipos convencionales. Estos materiales reducen la formación del ahuellamiento y funcionan bien en climas fríos a cálidos (arriba de -34°C), y son muy resistentes a la susceptibilidad por cracking térmico porque por debajo de 15°C no se rigidizan y su pérdida de memoria elástica es mínima, sobretodo cuando llevan mas polibutadieno por su Tg (Temperatura de transición vítrea que es de -90°C). Al igual que los plastómeros pueden o no requerir el uso de un aditivo de entrecruzamiento, dependiendo de la compatibilidad del elastómero con el asfalto y su concentración. El mecanismo de acción de estos elastómeros es formando redes usando los dominios de poliestireno y reticulando con el asfalto en los dominios de polibutadieno, de tal forma que estas redes funcionan como esponjas que embeben el asfalto y hace una matriz elástica.

6 Algo similar sucede con los SBR dependiendo su forma de presentación física. En el caso del SBR sólido se requerirá de la misma cizalla para distribuirlo en la masa de asfalto. En el caso de SBR líquido o emulsionado los esfuerzos requeridos serán menores.

7 Se utilizan dos modificadores: SBS en forma de pelets SBR en forma de emulsión Para producir un cemento asfaltico modificado tipo AM-3

8 CaracterísticasValor Clasificación por viscosidad (según IRAM 6835)CA-20 Nº de Lote2B2M404 Punto de Ablandamiento (IRAM 6841)48 °C Viscosidad a (IRAM 6837)2470 dPa.seg Índice de Penetración (IRAM 6604)-1,3 Características del cemento asfáltico base

9 Características del polímero utilizado CaracterísticaValor PH5,4 Contenido de coágulos0,0039 % en peso Densidad0,943 g/cm 3 Viscosidad Rotacional (60 °C)1200 cP Sólidos64,6 % en peso Emulsión de SBR

10 CaracterísticasValor Clasificación (según IRAM 6596)AM-3 Penetración (IRAM 6576)52 0,1 mm Punto de Ablandamiento (IRAM 6841)80 °C Viscosidad Rotacional a 135 °C (IRAM 6837)5,8 dPa.seg Recuperación Elástica Torsional (IRAM 6830)71 % Grado PG DSR s/m virgen a (G*, sen δ G*/sen δ)1,05 kPa, 66,5º, 1,15 kPa DSR s/m envejecida RTFOT a (G*, sen δ G*/sen δ2,56 kPa, 68,8º, 2,74 kPa Asfalto Comercial tipo AM-3 con SBS. Blanco comparativo

11 CaracterísticaValor Metodología de mezcladoAgitación mecánica con paletas a 300 RPM Recipiente de aditivaciónBaño de aceite termostatizado, diámetro 12 cm Cantidad de cemento asfáltico1000 gr Contenido de SBR residual5 % Acondicionamiento asfaltoEn vaso de precipitado en estufa hasta 170°C Acondicionamiento emulsión de SBREn recipiente cerrado a temperatura ambiente Tiempo aditivado emulsión de SBR13 minutos Tratamiento posteriorAgitación hasta cumplir 1 hora y se mantiene 1 hora más a 140 °C Procedimiento de aditivación en laboratorio

12 DeterminaciónUnidad AM-3 s/norma CA % SBR residual Penetración (IRAM 6576) Pto. De Ablandamiento (IRAM 6841)ºC> 6569 Rec. Elast. Torsional (IRAM 6830)%> 7071 Resultados luego de ensayo de Estabilidad al Almacenamiento Diferencia de Pto. de Abl. (IRAM 6841)°C< 5 0 Diferencia de Penetración (IRAM 6576)< 10 2 Resultados luego de ensayo de Residuo de Película Delgada (RTFOT) Variación de masa (IRAM 6839)%< 10,034 Penetración residual (IRAM 6576)%> 6586,3 Variación Pto. de Abl. (IRAM 6841)°C +100 Caracterización del asfalto modificado en laboratorio

13 Asfalto original Punto de Inflamación (AASHTO T-48)[°C]min Viscosidad a (IRAM 6837/11)[dPa.s]máx. 3031,0 Ensayo de corte dinámico (AASHTO T-315) Factor de ahuellamiento "G*/sin(δ)"[kPa]min. 1,001,32 Temperatura[°C] 76 Residuo RTFOT (AASHTO T-240) Ensayo de corte dinámico (AASHTO T-315) Factor de ahuellamiento "G*/sin(δ)"[kPa]min. 2,203,25 Temperatura[°C] 70 Residuo PAV (AASHTO R-28) Ensayo de corte dinámico (AASHTO T-315) Factor de fisuración por fatiga "G*.sin(δ)"[kPa]max Temperatura[°C] 28 Reómetro de flexión (AASHTO T-313) Módulo de Rigidez[MPa]max ,29 Valor – m min. 0,3000,325 Temperatura[°C] -12 Caracterización SUPERPAVE del asfalto modificado en laboratorio GRADO DE PERFORMANCE

14 Utilización en una mezcla asfáltica densa tipo CAC D20

15 Comparación en los valores de ahuellamiento

16 ANÁLISIS DE LA IMPLEMENTACIÓN A ESCALA INDUSTRIAL La modificación de asfalto mediante emulsión de SBR se basa en la dispersión de dos líquidos viscosos, siendo la mezcla de dos componentes inicialmente separados. Radial: actúa en dirección perpendicular al eje del agitador. Longitudinal: actúa en dirección paralela al eje del agitador. Tangencial: actúa en dirección tangencial a la trayectoria de rotación del agitador. En una operación de mezclado las componentes útiles y que dan el flujo necesario para una correcta mezcla, son las radiales y longitudinales. La componente a evitar es la tangencial, la cual sigue una trayectoria circular alrededor del eje creando un vórtice en la superficie. Las componentes de la velocidad del fluido son:

17 Partes del sistema propuesto Recepción y almacenamiento de materias primas Carga de materias primas en el tanque de mezcla Mezcla con calefacción de los componentes Descarga y almacenamiento del producto final

18 Adicionalmente se considera: Se trata de un fluido con una viscosidad promedio de 400 cps (a 140°C), una densidad de 1,000 gr/cm 3 y una velocidad de agitación máxima de 200 RPM. Una capacidad máxima de litros, superada la cual la potencia necesaria es excesiva. Esto permite una producción en Batch, que se relaciona con la forma habitual de presentación de la emulsión de SBR, su grado de dilución, el contenido de modificador necesario en función de las experiencias realizadas y la demanda de cemento asfáltico para el tipo de aplicaciones contemplado, materializable de dos maneras con un mismo equipo: Batch de kg con 1 tambor de 200 litros de emulsión de SBR. Batch de kg con 2 tambores de 200 litros de emulsión de SBR. Un tipo de rodete de turbina de disco con palas, la cual genera un buen flujo de mezclado.

19 Se ha estimado que para la producción de un Bacth de kg calefaccionado por serpentín, incorporando la emulsión de SBR sobre la superficie con un rociador tipo flauta, siendo el mezclado a 200 RPM con un motor con reducción de 7,5 HP con variador de potencia, se requiere para la evaporación del agua de emulsión, una energía de kcal, siendo la extracción de vapores conducida a un contenedor de 1 m 3 con solución alcalina. ESQUEMA DE PLANTA

20 CONCLUSIONES Es posible dispersar una emulsión de SBR en cemento asfáltico en caliente tanto a escala de laboratorio como a escala industrial. A escala de laboratorio se ha podido modificar el asfalto base CA- 20 con un contenido de SBR residual del 5 %, usando simplemente un mezclador con paleta a 300 RPM, en lugar de emplear un dispersor con rotor-estator a más de RPM, como sería necesario en el caso de querer realizar la modificación con pelets de SBS. Esta dispersión se realizó a °C gracias a un baño de aceite termostatizado, requiriéndose para producir 1 kg de asfalto modificado, 1 hora de mezclado. Se registró como máximo una duplicación del volumen respecto del asfalto original por formación de espuma al liberar el agua de la emulsión, habiendo sido incorporada ésta en un periodo de entre 10 y 15 minutos.

21 A escala industrial esta modificación es posible realizarla con paletas sumergidas en el asfalto replicando la experiencia de laboratorio, reemplazando esto el uso de un molino coloidal de gran tamaño, con tanques de reserva que permitan almacenar el flujo generado por el mismo, como los utilizados en la modificación con SBS. Con este proceso es posible obtener un asfalto modificado AM-3 según la Norma IRAM 6596 con un PG por la metodología Superpave. Con dicho asfalto modificado, se ha podido elaborar una mezcla asfáltica, tipo CAC-D20, con prestaciones de Módulo Dinámico, Resistencia al Ahuellamiento y Adherencia Árido-Ligante, similares a las de un asfalto modificado comercial.

22 Muchas gracias Gerardo Botasso, LEMaC German Spinelli, BASF


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