Hormigón asfáltico

Hormigón asfáltico (comúnmente llamado asfalto, asfalto o pavimento en Norteamérica, y asfalto o macadán bituminoso en el Reino Unido y la República de Irlanda) es un material compuesto comúnmente utilizado para pavimentar carreteras, estacionamientos, aeropuertos y el núcleo de presas de terraplenes. Las mezclas asfálticas se utilizan en la construcción de pavimentos desde principios del siglo XX. Consiste en agregados minerales unidos con betún (también conocido como asfalto), colocados en capas y compactados. El proceso fue refinado y mejorado por el inventor belga-estadounidense Edward De Smedt.

Los términos asfalto (o asfáltico) hormigón, hormigón asfáltico bituminoso y mezcla bituminosa normalmente se utilizan únicamente en documentos de ingeniería y construcción, que definen al hormigón como cualquier material compuesto de agregado mineral adherido con un aglutinante. La abreviatura AC se utiliza a veces para hormigón asfáltico, pero también puede indicar contenido de asfalto o cemento asfáltico, en referencia a a la porción de asfalto líquido del material compuesto.

Formulaciones de mezclas

La mezcla de asfalto y agregado se logra de varias maneras:

Asfalto de mezcla caliente (comúnmente abreviado como HMA)

Esto se produce calentando el aglutinador de asfalto para disminuir su viscosidad y secar el agregado para eliminar la humedad de él antes de mezclar. La mezcla se realiza generalmente con el agregado a unos 150 °C (300 °F) para el asfalto virgen y 170 °C (330 °F) para el asfalto modificado polímero, y el cemento asfalto a 93 °C (200 °F). El pavimento y la compactación deben realizarse mientras el asfalto está suficientemente caliente. En muchos locales la pavimentación se restringe a los meses de verano porque en invierno la base enfriará el asfalto demasiado rápido antes de que pueda ser empaquetado a la densidad requerida. HMA es la forma de hormigón asfalto más comúnmente utilizado en pavimentos de tráfico alto como los de las principales carreteras, pistas de carreras y aeródromos. También se utiliza como revestimiento ambiental para vertederos, embalses y estanques de hatchery de peces.

hormigón asfalto-mezclado (comúnmente abreviado como AMM)

Esto se produce añadiendo zeolitas, ceras, emulsiones de asfalto o a veces agua a la carpeta de asfalto antes de mezclarse. Esto permite reducir significativamente las temperaturas de mezcla y colocación y produce un menor consumo de combustibles fósiles, lo que libera menos dióxido de carbono, aerosoles y vapores. Esto mejora las condiciones de trabajo y reduce la temperatura de colocación, lo que conduce a una disponibilidad más rápida de la superficie para su uso, lo que es importante para los sitios de construcción con horarios críticos. El uso de estos aditivos en asfalto mezclado en caliente (arriba) puede permitir una compactación más fácil y permitir la pavimentación de tejido frío o largos. El uso de la mezcla caliente se está expandiendo rápidamente. Una encuesta de productores de asfalto de Estados Unidos encontró que casi el 25% de asfalto producido en 2012 era mezcla caliente, un 416% aumento desde 2009. Los pavimentos de carretera más limpios pueden desarrollarse mediante la combinación de AMM y el reciclaje de materiales. La tecnología Warm Mix Asphalt (WMA) tiene beneficios ambientales, productivos y económicos.

Cold-mix asphalt concrete

Esto se produce emulsionando el asfalto en el agua con un agente emulsionante antes de mezclarse con el agregado. Mientras que en su estado emulsionado, el asfalto es menos viscoso y la mezcla es fácil de trabajar y compacto. La emulsión se romperá después de que se evapora suficiente agua y la mezcla fría, idealmente, tomar las propiedades de un pavimento HMA. La mezcla fría se utiliza comúnmente como un material de parche y en carreteras de servicio menos traficadas.

Colgante asfalto recortado

Es una forma de mezcla fría asfalto producido por disolver el aglutinador en queroseno u otra fracción más liviana de petróleo antes de mezclarse con el agregado. Mientras que en su estado disuelto, el asfalto es menos viscoso y la mezcla es fácil de trabajar y compacto. Después de la mezcla se establece la fracción más ligera se evapora. Debido a las preocupaciones por la contaminación de los compuestos orgánicos volátiles en la fracción más ligera, el asfalto recortado ha sido reemplazado en gran medida por la emulsión de asfalto.

Asfalto Mastico, o asfalto de hoja

Esto se produce por calentar betún de grado duro (es decir, parcialmente oxidado) en una cocina verde (mixer) hasta que se ha convertido en un líquido viscoso después de lo cual se añade la mezcla agregada.

La mezcla agregada de betún se cocina (maturo) durante alrededor de 6-8 horas y una vez que está listo, el mezclador de asfalto mastico se transporta al sitio de trabajo donde capas experimentadas vacían el mezclador y ya sea máquina o mano ponen el contenido de asfalto mastico en la carretera. El hormigón de asfalto mastico se coloca generalmente a un espesor de alrededor de 20-30 milímetros (13.16–1+3.16en) para las aplicaciones de pie y carretera y alrededor de 10 milímetros (3.8en) para suelos o aplicaciones de techo.

hormigón asfaltado de alto modulo, a veces referido por el acrónimo francés EMÉ (enrobé à module élevé)

Esto utiliza una formulación bituminosa muy dura (penetración 10/20), a veces modificada, en proporciones cercanas al 6% por peso de los agregados, así como una alta proporción de polvo mineral (entre 8 y 10%) para crear una capa de hormigón asfalto con un alto módulo de elasticidad (del orden de 13000)MPa). Esto hace posible reducir el grosor de la capa base hasta un 25% (dependiendo de la temperatura) en relación con betún convencional, ofreciendo al mismo tiempo la fuerza de fatiga muy alta. Las capas de asfalto de alto modulo se utilizan tanto en operaciones de refuerzo como en la construcción de nuevos refuerzos para tráfico medio y pesado. En capas base, tienden a exhibir una mayor capacidad de absorción de tensiones y, en general, una mejor resistencia a la fatiga.

Además del asfalto y el agregado, se pueden agregar aditivos, como polímeros y agentes antidecapado, para mejorar las propiedades del producto final.

Areas paved with asphalt concrete—especially airport aprons—have been called "the tarmac#34; at times, despite not being constructed using the tarmacadam process.

Se ha desarrollado una variedad de mezclas especiales de concreto asfáltico para satisfacer necesidades específicas, como asfalto con matriz de piedra, que está diseñado para garantizar una superficie resistente al desgaste, o pavimentos asfálticos porosos, que son permeables y permiten que el agua drene a través del Pavimento para el control de aguas pluviales.

Características de rendimiento

Los diferentes tipos de hormigón asfáltico tienen diferentes características de rendimiento en términos de durabilidad de la superficie, desgaste de los neumáticos, eficiencia de frenado y ruido de la carretera. En principio, la determinación de las características de desempeño apropiadas del asfalto debe tener en cuenta el volumen de tránsito en cada categoría de vehículos y los requisitos de desempeño de la pista de fricción. En general, la viscosidad del asfalto permite que se aplique directamente para formar una superficie convexa, lo que aumenta el drenaje de calles y caminos. Esta es una ventaja sobre el hormigón. El hormigón se puede alisar para formar muchos tipos de formas y curvas, pero no es práctico utilizar ese método en un área tan larga como una calle o una carretera. Sin embargo, la desventaja del asfalto es que el hormigón es más duradero y, según la situación, se contrapone la preferencia por la superficie.

El hormigón asfáltico genera menos ruido en la carretera que una superficie de hormigón de cemento Portland y, por lo general, es menos ruidoso que las superficies con sellado de virutas. Debido a que el ruido de los neumáticos se genera mediante la conversión de energía cinética en ondas sonoras, se produce más ruido a medida que aumenta la velocidad de un vehículo. La idea de que el diseño de carreteras podría tener en cuenta consideraciones de ingeniería acústica, incluida la selección del tipo de superficie de pavimentación, surgió a principios de los años setenta.

Con respecto al desempeño estructural, el comportamiento del asfalto depende de una variedad de factores que incluyen el material, la carga y las condiciones ambientales. Además, el comportamiento del pavimento varía con el tiempo. Por lo tanto, el comportamiento a largo plazo del pavimento asfáltico es diferente de su desempeño a corto plazo. El LTPP es un programa de investigación de la FHWA, que se centra específicamente en el comportamiento de los pavimentos a largo plazo.

Degradación y restauración

El deterioro del asfalto puede incluir crujidos de cocodrilo, baches, agitación, desmoronamiento, sangrado, surcos, empujones, desmontaje y depresiones. En climas fríos, las heladas pueden agrietar el asfalto incluso en un solo invierno. Rellenar las grietas con betún es una solución temporal, pero sólo una compactación y un drenaje adecuados pueden ralentizar este proceso.

Los factores que causan el deterioro del hormigón asfáltico con el tiempo se clasifican principalmente en una de tres categorías: calidad de la construcción, consideraciones ambientales y cargas de tráfico. A menudo, los daños son el resultado de combinaciones de factores de las tres categorías.

La calidad de la construcción es fundamental para el rendimiento del pavimento. Esto incluye la construcción de zanjas de servicios públicos y accesorios que se colocan en el pavimento después de la construcción. La falta de compactación en la superficie del asfalto, especialmente en la junta longitudinal, puede reducir la vida útil de un pavimento entre un 30 y un 40%. Se ha dicho que las zanjas de servicio en los pavimentos después de la construcción reducen la vida útil del pavimento en un 50%, principalmente debido a la falta de compactación en la zanja y también a la intrusión de agua a través de juntas mal selladas.

Los factores ambientales incluyen el calor y el frío, la presencia de agua en la subbase o el suelo subyacente debajo del pavimento y las heladas.

Las altas temperaturas ablandan el aglomerante asfáltico, lo que permite que cargas pesadas de neumáticos deformen el pavimento formando surcos. Paradójicamente, las altas temperaturas y la intensa luz solar también hacen que el asfalto se oxide, volviéndose más rígido y menos resistente, lo que lleva a la formación de grietas. Las temperaturas frías pueden provocar grietas a medida que el asfalto se contrae. El asfalto frío también es menos resistente y más vulnerable al agrietamiento.

El agua atrapada bajo el pavimento ablanda la subbase y la subrasante, haciendo que la carretera sea más vulnerable a las cargas de tráfico. El agua debajo de la carretera se congela y se expande en climas fríos, provocando y agrandando grietas. En el deshielo primaveral, el suelo se descongela de arriba hacia abajo, por lo que el agua queda atrapada entre el pavimento de arriba y el suelo aún congelado de abajo. Esta capa de suelo saturado proporciona poco soporte para el camino de arriba, lo que lleva a la formación de baches. Esto es más un problema para los suelos limosos o arcillosos que para los arenosos o con grava. Algunas jurisdicciones aprueban leyes contra heladas para reducir el peso permitido de los camiones durante la temporada de deshielo de primavera y proteger sus carreteras.

El daño que causa un vehículo es aproximadamente proporcional a la carga del eje elevada a la cuarta potencia, por lo que duplicar el peso que transporta un eje en realidad causa 16 veces más daño. Las ruedas hacen que la carretera se doble ligeramente, lo que provoca grietas por fatiga, que a menudo provocan grietas de cocodrilo. La velocidad del vehículo también influye. Los vehículos que se mueven lentamente estresan la carretera durante un período de tiempo más largo, aumentando los surcos, grietas y corrugaciones en el pavimento asfáltico.

Otras causas de daños incluyen daños por calor provocados por incendios de vehículos o la acción de disolventes provocados por derrames químicos.

Prevención y reparación de la degradación

La vida útil de una carretera se puede prolongar mediante buenas prácticas de diseño, construcción y mantenimiento. Durante el diseño, los ingenieros miden el tráfico en una carretera, prestando especial atención al número y tipo de camiones. También evalúan el subsuelo para ver cuánta carga puede soportar. Los espesores del pavimento y de la subbase están diseñados para soportar las cargas de las ruedas. En ocasiones, se utilizan geomallas para reforzar la subbase y fortalecer aún más las carreteras. El drenaje, que incluye zanjas, desagües pluviales y sumideros inferiores, se utiliza para eliminar el agua de la calzada, evitando que debilite la subbase y el subsuelo.

El asfalto sellador es una medida de mantenimiento que ayuda a mantener el agua y los productos derivados del petróleo fuera del pavimento.

El mantenimiento y la limpieza de zanjas y desagües pluviales prolongarán la vida útil de la carretera a bajo costo. Sellar pequeñas grietas con sellador de grietas bituminoso evita que el agua agrande las grietas debido a la intemperie por heladas o se filtre hasta la subbase y la ablande.

Para caminos algo más deteriorados, se puede aplicar un sellador de virutas o un tratamiento superficial similar. A medida que aumenta el número, ancho y largo de las grietas, se necesitan reparaciones más intensivas. En orden de gastos generalmente crecientes, estos incluyen capas delgadas de asfalto, capas múltiples, pulido de la capa superior y capas superiores, reciclaje in situ o reconstrucción total de la carretera.

Es mucho menos costoso mantener una carretera en buenas condiciones que repararla una vez que se ha deteriorado. Esta es la razón por la que algunas agencias dan prioridad al mantenimiento preventivo de las carreteras en buen estado, en lugar de reconstruir las carreteras en mal estado. Las carreteras en mal estado se mejoran según lo permiten los recursos y el presupuesto. En términos de costo de vida útil y condiciones del pavimento a largo plazo, esto resultará en un mejor desempeño del sistema. Las agencias que se concentran en restaurar sus caminos en mal estado a menudo descubren que cuando los han reparado todos, los caminos que estaban en buenas condiciones se han deteriorado.

Algunas agencias utilizan un sistema de gestión de pavimentos para ayudar a priorizar el mantenimiento y las reparaciones.

Reciclaje

El hormigón asfáltico es un material reciclable que se puede recuperar y reutilizar tanto en obra como en plantas asfálticas. El componente reciclado más común en el hormigón asfáltico es el pavimento asfáltico recuperado (RAP). El RAP se recicla a un ritmo mayor que cualquier otro material en los Estados Unidos. Muchas tejas para techos también contienen asfalto y las mezclas de concreto asfáltico pueden contener tejas asfálticas recuperadas (RAS). Las investigaciones han demostrado que RAP y RAS pueden reemplazar la necesidad de hasta el 100 % del agregado virgen y el aglutinante asfáltico en una mezcla, pero este porcentaje suele ser menor debido a requisitos reglamentarios y preocupaciones de rendimiento. En 2019, las nuevas mezclas de pavimento asfáltico producidas en los Estados Unidos contenían, en promedio, 21,1% de RAP y 0,2% de RAS.

Métodos de reciclaje

Los componentes de asfalto reciclados pueden recuperarse y transportarse a una planta de asfalto para su procesamiento y uso en pavimentos nuevos, o todo el proceso de reciclaje puede realizarse in situ. Si bien el reciclaje in situ suele ocurrir en las carreteras y es específico de RAP, el reciclaje en plantas de asfalto puede utilizar RAP, RAS o ambos. En 2019, las plantas de asfalto de Estados Unidos aceptaron aproximadamente 97,0 millones de toneladas de RAP y 1,1 millones de toneladas de RAS.

Las plantas generalmente reciben el RAP después de ser fresado en el sitio, pero los pavimentos también pueden arrancarse en secciones más grandes y triturarse en la planta. Las moliendas de RAP generalmente se almacenan en las plantas antes de incorporarlas a nuevas mezclas asfálticas. Antes de mezclar, las moliendas almacenadas pueden secarse y las que se hayan aglomerado durante el almacenamiento pueden tener que triturarse.

Las plantas de asfalto pueden recibir los RAS como desechos posfabricados directamente de las fábricas de tejas, o pueden recibirlos como desechos posconsumo al final de su vida útil. El procesamiento de RAS incluye moler las tejas y tamizar las moliendas para eliminar partículas de gran tamaño. Los molidos también se pueden filtrar con un tamiz magnético para eliminar clavos y otros restos metálicos. Luego se seca el RAS molido y se puede extraer el aglutinante de cemento asfáltico. Para obtener más información sobre el procesamiento, el rendimiento y los problemas de salud y seguridad asociados de RAS, consulte Tejas de asfalto.

Los métodos de reciclaje in situ permiten rehabilitar las carreteras recuperando el pavimento existente, remezclándolo y repavimentándolo in situ. Las técnicas de reciclaje in situ incluyen trituración de escombros, reciclaje in situ en caliente, reciclaje in situ en frío y recuperación total. Para obtener más información sobre los métodos in situ, consulte Superficie de la carretera.

Rendimiento

Durante su vida útil, el aglutinante de cemento asfáltico, que constituye aproximadamente del 5 al 6 % de una mezcla típica de hormigón asfáltico, se endurece naturalmente y se vuelve más rígido. Este proceso de envejecimiento ocurre principalmente debido a la oxidación, evaporación, exudación y endurecimiento físico. Por esta razón, las mezclas asfálticas que contienen RAP y RAS son propensas a presentar una menor trabajabilidad y una mayor susceptibilidad al agrietamiento por fatiga. Estos problemas se pueden evitar si los componentes reciclados se distribuyen correctamente en la mezcla. También es importante practicar un almacenamiento y manipulación adecuados, como mantener las reservas de RAP fuera de áreas húmedas o de la luz solar directa, para evitar problemas de calidad. El proceso de envejecimiento del aglutinante también puede producir algunos atributos beneficiosos, como contribuir a niveles más altos de resistencia al ahuellamiento en asfaltos que contienen RAP y RAS.

Un enfoque para equilibrar los aspectos de rendimiento de RAP y RAS es combinar los componentes reciclados con agregado virgen y aglutinante asfáltico virgen. Este enfoque puede ser efectivo cuando el contenido reciclado en la mezcla es relativamente bajo y tiende a funcionar más efectivamente con aglutinantes vírgenes blandos. Un estudio de 2020 encontró que la adición de 5 % de RAS a una mezcla con un aglutinante virgen suave y de baja calidad aumentaba significativamente la resistencia a la formación de rodaduras de la mezcla y al mismo tiempo mantenía una resistencia adecuada al agrietamiento por fatiga.

En mezclas con mayor contenido reciclado, la adición de aglutinante virgen se vuelve menos efectiva y se pueden usar rejuvenecedores. Los rejuvenecedores son aditivos que restauran las propiedades físicas y químicas del aglutinante envejecido. Cuando se utilizan métodos de mezcla convencionales en plantas de asfalto, el límite superior para el contenido de RAP antes de que sean necesarios rejuvenecedores se ha estimado en 50%. Las investigaciones han demostrado que el uso de rejuvenecedores en dosis óptimas puede permitir que mezclas con componentes 100% reciclados cumplan con los requisitos de rendimiento del concreto asfáltico convencional.

Otros materiales reciclados en hormigón asfáltico

Más allá de RAP y RAS, se puede reutilizar una variedad de materiales de desecho en lugar de agregados vírgenes o como rejuvenecedores. Se ha demostrado que el caucho granulado, generado a partir de neumáticos reciclados, mejora la resistencia a la fatiga y la resistencia a la flexión de las mezclas asfálticas que contienen RAP. En California, los mandatos legislativos exigen que el Departamento de Transporte incorpore caucho granulado en los materiales de pavimentación asfáltica. Otros materiales reciclados que se incluyen activamente en las mezclas de hormigón asfáltico en los Estados Unidos incluyen escoria de acero, escoria de alto horno y fibras de celulosa.

Se han realizado más investigaciones para descubrir nuevas formas de residuos que puedan reciclarse en mezclas asfálticas. Un estudio de 2020 realizado en Melbourne, Australia, presentó una variedad de estrategias para incorporar materiales de desecho al hormigón asfáltico. Las estrategias presentadas en el estudio incluyen el uso de plásticos, particularmente polietileno de alta densidad, en ligantes asfálticos, y el uso de desechos de canteras de vidrio, ladrillo, cerámica y mármol en lugar de agregados tradicionales.

Los rejuvenecedores también se pueden producir a partir de materiales reciclados, incluido el aceite de motor usado, el aceite vegetal usado y la grasa vegetal usado.