betún – El blog de Víctor Yepes

Plantas asfálticas con tambor secador-mezclador

En España, las centrales discontinuas fueron el método predominante para la producción de áridos mezclados con betún hasta los años 80. En ese momento, se introdujo la tecnología de la central continua de tambor secador-mezclador (drum-mixer), capaz de producir hasta 600 toneladas por hora. Esta innovadora planta cuenta con un tambor cilíndrico que se encarga de secar los áridos y mezclarlos con el betún. El tambor gira sobre su propio eje gracias a un motor reductor alimentado por un motor eléctrico.

Las plantas continuas de tambor secador-mezclador se dividen en dos secciones: la primera calienta los áridos, mientras que en la segunda se agregan el ligante y el filler para mezclar. Aunque la corriente de gases durante el proceso arrastra partículas de polvo mineral, el betún presente en la mezcla limita la extracción del filler al 20-25%. Los álabes del tambor se cierran en la zona del quemador para proteger los materiales de la llama, y se abren gradualmente para aumentar el contacto con los gases de la combustión sin oxidar excesivamente el ligante.

El proceso de producción de mezclas asfálticas con áridos fríos comienza en el extremo del quemador, donde los áridos se introducen en el tambor y se calientan para eliminar la humedad. En la sección inicial del tambor, los potentes ventiladores extraen el fíller y lo almacenan para su uso posterior. En la sección media, se pulveriza el betún y el polvo mineral de recuperación y aportación, logrando la mezcla final en la sección final con la ayuda de los álabes. Una variante del proceso utiliza dos tambores consecutivos para calentar los áridos y agregar el ligante. La emulsificación del betún mejora la trabajabilidad de la mezcla, que luego se vierte en camiones o se almacena en silos calorífugos, como en las plantas discontinuas.

Figura 2. Planta móvil de tambor secador-mezclador

La central de tambor secador-mezclador tiene como desventaja que se realiza una única dosificación de áridos en frío, lo que dificulta la obtención de una granulometría precisa, especialmente con arenas con exceso de finos. No obstante, esta planta presenta varias ventajas en comparación con las centrales tradicionales. Es más simple y consume menos energía, debido a que solo hay una dosificación, mientras que en las plantas discontinuas se efectúan varias dosificaciones en diferentes etapas. Además, es más pequeña y fácil de transportar y montar, y también más económica tanto en su adquisición como en su mantenimiento, lo que la hace más rentable económicamente. A pesar de estas ventajas, hay desventajas en que solo hay un proceso de dosificación, lo que puede resultar en dificultades para lograr la granulometría establecida si se utiliza arena con un exceso de polvo mineral. Sin embargo, es muy adecuada para procesos de reciclado en central, para los cuales se dispone en el tambor un anillo con una tolva para la introducción de los productos de reciclado.

Referencias:

KRAEMER, C.; PARDILLO, J.M.; ROCCI, S.; ROMANA, M.G.; SÁNCHEZ, V.; DEL VAL, M.A. (2010). Ingeniería de carreteras II. McGraw-Hill, Madrid.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para la fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 749.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Capas y bases tratadas: Gravaemulsión

La gravaemulsión es un tipo de mezcla bituminosa en frío que consiste en la mezcla íntima de áridos, emulsión asfáltica y agua, que convenientemente compactada, se utiliza para la construcción de capas de firmes de carreteras. La gravaemulsión se concibe como una técnica de estabilización de áridos marginales. Sin embargo, en España se identifica más con una mezcla de áridos de granulometría continua, relativamente duros y, en general, procedentes del machaqueo.

La mezcla se realiza con áridos húmedos y con una emulsión de rotura lenta. La emulsión puede ser catiónica o aniónica, pero siempre de betún puro. La emulsión aniónica se emplea con áridos calizos, mientras las catiónicas tienen mayor aplicabilidad, aunque de rotura más rápida. El artículo 213 del PG3 indica que se pueden emplear emulsiones de los tipos ECL-2 y EAL-2. Se puede adicionar agua y cemento, importantes para la fabricación, compactación y apertura al tráfico. Los porcentajes de ligante residual oscilan entre el 2 y 5 % sobre el peso seco de los áridos.

Figura 1. Extensión de una capa de gravaemulsión. https://www.ateb.es/index.php/blog/item/212-grava-emul-que

Los áridos utilizados serán de características similares a los empleados en la gravacemento. Los husos granulométricos deben ser estrictos (GEA-1 y GEA-2). El equivalente de arena debe ser superior a 45. El artículo 514 del PG3 que regulaba el uso de la gravaemulsión fue derogado de la normativa actual del Ministerio de Fomento, que solo considera la utilización del suelocemento y de la gravacemento. La normativa autonómica sí que recoge su empleo. En general, se restringe al aprovechamiento de capas granulares procedentes de antiguos firmes para su uso en firmes provisionales o deformables, o bien capas de base para tráficos medios y ligeros, T2 a T4.

El proceso de ejecución será el que se indica a continuación:

Preparación de la superficie
Fabricación de la mezcla
Transporte de la mezcla
Extensión y compactación
Juntas de trabajo
Curado

Lo habitual es fabricar la gravaemulsión en centrales continuas, de forma similar a la fabricación de mezclas bituminosas en frío o de otras gravas tratadas. Estas centrales tendrán dispositivos adecuados para dosificar por separado la emulsión, el agua y los áridos. La mezcla se debe transportar en camiones de caja basculante, lisa y completamente limpia. Antes de extender la gravaemulsión, se debe comprobar que la capa subyacente tiene la densidad y geometría correctas. La extensión con calidad la realiza una extendedora, pero una motoniveladora tiene la ventaja de poder reperfilar (Figura 2). El espesor de la capa es de 6 a 15 cm, que se compacta con rodillos vibratorios o compactadores de neumáticos con alta carga por rueda. La compactación puede esperar sin problemas varias horas después del extendido. En caso de abrir al tráfico antes de extender la capa de rodadura, debe aplicarse un riego de sellado, con una dotación de betún residual de 200 a 500 g/m2 y arena.

Figura 2. Extensión de gravaemulsión con motoniveladora. https://www.eadic.com/mezclas-en-frio-con-emulsion-bituminosa-para-mantenimiento-de-carreteras/

La gravaemulsión se pondrá en obra si la temperatura ambiente, a la sombra, es superior a 2ºC en emulsiones catiónicas y 10ºC en las aniónicas. Pero si la temperatura ambiente tiende a aumentar, podrá fijarse en 5ºC la temperatura límite inferior para fabricar y extender la gravaemulsión en el caso de emulsiones aniónicas.

Tras la compactación y el curado, la capa de gravaemulsión presenta una elevada resistencia a compresión y a deformación bajo cargas lentas. Ello se debe a su granulometría continua, de elevado rozamiento interno. La presencia del mortero bituminoso le confiere una buena resistencia a tracción y flexión, así como una buena impermeabilidad. El módulo de elasticidad varía entre 2500 y 4000 MPa. Entre sus ventajas destaca su flexibilidad, buena compatibilidad con las capas granulares o bituminosas y su sencillez de fabricación y puesta en obra.

Dejo a continuación una publicación de la Asociación Técnica de Emulsiones Bituminosas (ATEB) sobre la gravaemulsión.

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Si bien está derogado el artículo 514 del PG3, os lo dejo a continuación por su interés.

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Referencias:

KRAEMER, C.; MORILLA, I.; DEL VAL, M.A. (1999). Carreteras II. Explanaciones, firmes, drenaje, pavimentos. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.

MARTÍ, J.V.; GONZÁLEZ, F.; YEPES, V. (2004). Temas de procedimientos de construcción. Mejora de terrenos. Editorial de la Universidad Politécnica de Valencia. Ref. 2004.844.

YEPES, V. (2014). Maquinaria para la fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 749.

YEPES, V. (2020). Procedimientos de construcción de cimentaciones y estructuras de contención. Colección Manual de Referencia, 2ª edición. Editorial Universitat Politècnica de València, 480 pp. Ref. 328. ISBN: 978-84-9048-903-1.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Sistema de almacenamiento y calentamiento del ligante

Figura 1. Transporte calefactado del betún. Imagen: V. Yepes

El ligante se almacena en tanques provistos de serpentines de aceite para su calefacción. Suelen ser depósitos cilíndricos metálicos con aislante térmico de fibra de vidrio, con una capacidad que depende de la producción de la planta. Es habitual el uso de dos calderas para mantener en ellas el ligante a la temperatura requerida, o bien utilizar una para la recepción del ligante y otra para su calefacción. En ausencia de tanques, se pueden construir fosas de hormigón impermeabilizadas para evitar fugas; equipadas con serpentines para mantener a la temperatura. Además, la planta debería prever el uso de betún envasado en bidones como reserva para evitar el desabastecimiento.

El sistema de calentamiento está compuesto por una caldera, una bomba centrífuga que hace recircular el aceite caliente, tuberías encamisadas, serpentines sumergidos en los depósitos del ligante, así como termómetros para el control. Todos los elementos disponen de aislamientos que evitan pérdidas de calor y ahorran energía. En algunos sistemas también se utilizan los gases de combustión como fluido caliente. En caso de usar los sistemas de calefacción por gases calientes de quemadores de combustible líquidos, la cámara de combustión, debe estar fuera del tanque o protegida con material refractario; siendo necesario un mejor control de la temperatura.

Figura 3.- Almacenamiento en silos del betún. Imagen: V. Yepes

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para la fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 749.

Secador de áridos en una planta asfáltica en caliente

Figura 1. Tambor secador. Imagen: V. Yepes

Las plantas asfálticas en caliente disponen de un tambor secador que seca los áridos y eleva su temperatura, hasta los 150 a 200ºC, para que en el mezclador queden perfectamente envueltos en el ligante. La elevación de la temperatura permite el secado (humedad < 1% en peso) y la eliminación del polvo de los áridos. El secador debe regularse para que la combustión sea completa y garantice la ausencia de humo negro en la chimenea. La eficacia de un secador depende del tipo de quemador, del sistema de alimentación, de la circulación y evacuación de áridos, del grado de humedad de los áridos, del diámetro y longitud del tambor, entre otros factores. Los rendimientos dependen en gran medida de la humedad de los áridos, donde el árido fino es el que más humedad retiene.

Figura 2. Secador y ciclón extractor de una instalación de fabricación de mezclas bituminosas

En las plantas discontinuas y en las continuas convencionales, el tambor secador consiste habitualmente en un cilindro metálico de gran diámetro y una longitud de 3 o 4 diámetros (hasta 2 m de diámetro y 15 m de longitud). Este tubo gira sobre su eje a una velocidad de 5 a 15 revoluciones por minuto. Los áridos entran a contracorriente: unas paletas arrastran los áridos hacia la llama y los gases calientes del quemador de fuel, que se encuentra en el extremo opuesto del cilindro (Figura 2). Un sistema de ciclones fuerza el aire para permitir la salida de vapor de agua. En las plantas de tambor secador-mezclador, el secado de los áridos se realiza junto con la mezcla. El diseño de tambores secadores mezcladores largos, con longitudes mayores a 5 diámetros, permite la extracción del calor de los gases de combustión hasta temperaturas de 12ºC por encima de la temperatura de la mezcla, evitando el deterioro del ligante.

Se aconseja que la temperatura de los áridos a la llegada del quemador no supere en más de 10ºC a la del ligante, y que el conjunto no sobrepase 15ºC de la máxima de envuelta del ligante, calculada de la viscosidad óptima de fabricación de la mezcla. Si no fuera así, existirá un deterioro en las características del betún debido a una brusca oxidación por choque térmico y una merma de las prestaciones de la mezcla.

Os dejo a continuación algún vídeo al respecto de este elemento.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para la fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 749.

Los ligantes hidrocarbonados

Los ligantes hidrocarbonados son productos bituminosos viscosos, preparados a partir de hidrocarburos naturales que poseen propiedades aglomerantes. Son de un color oscuro (casi negro), carácter termoplástico (variación de la consistencia con la temperatura) y buena adhesividad con los áridos. Dentro de este grupo genérico, se pueden dividir dos subcategorías:

Ligantes básicos: betunes y alquitranes
Ligantes derivados: betunes fluidificados, betunes fluxados, emulsiones de betún, ligantes mixtos (compuestos y modificados) y ligantes fillerizados

El betún y el alquitrán son productos básicos. El betún es una mezcla de hidrocarburos naturales completamente solubles en sulfuro de carbono, mientras que el alquitrán se obtiene por destilación destructiva de materias orgánicas y no son solubles en sulfuro de carbono. Sin embargo, el alquitrán presenta un mayor envejecimiento que el betún y se han eliminado en la regulación española como productos regulados por el Pliego de Prescripciones Técnicas Generales para obras de carreteras y puentes (PG-3) debido a que son productos cancerígenos.

Es importante señalar que los ligantes bituminosos requieren obligatoriamente del marcado CE para la libre circulación de productor por la Unión Europea, siendo responsabilidad del fabricante. En la figura que sigue podemos ver las normas que rigen los requisitos de estos ligantes.

Los betunes asfálticos o de destilación son ligantes obtenidos como producto final en las refinerías de crudo asfáltico o como residuo en todas las refinerías de petróleo. Son productos bituminosos sólidos o viscosos, naturales o preparados a partir de los hidrocarburos naturales por destilación, oxidación o cracking, que contienen un pequeño porcentaje de productos volátiles, poseen características aglomerantes y son esencialmente solubles en sulfuro de carbono. Se clasifican por su mayor o menor consistencia en el ensayo de penetración (por lo que reciben el nombre de betunes de penetración). Los asfaltos propiamente dichos serían una mezcla de betunes con impurezas insolubles en sulfuro de carbono (sílice, arena, arcilla), en una proporción superior al 5%, y por tanto, a diferencia de los betunes, no son solubles en su totalidad en tolueno. Los betunes asfálticos se caracterizan mediante el ensayo de penetración y el de anillo y bola para medir el punto de reblandecimiento del betún en unas determinadas condiciones. El betún, con el tiempo, experimenta un envejecimiento, sin duda debido a una oxidación. Los rayos ultravioletas del sol también le atacan, así como el prolongado contacto con el agua estancada y sobre todo, la saturada de cal a 50ºC. Los betunes para pavimentación siguen la norma armonizada UNE-EN 12591 y el artículo 211 de la norma española PG-3.

Los betunes modificados con polímeros son ligantes hidrocarbonados cuyas propiedades reológicas han sido modificadas durante la fabricación por el empleo de uno o más polímeros orgánicos. Las fibras orgánicas no se consideran modificadores del betún. Se denominan en el artículo 212 del PG-3 con las letras PMB seguidas de tres números; los dos primeros representativos de su penetración mínima y máxima, y el tercero representativo del punto de reblandecimiento. Las especificaciones de estos betunes siguen la norma UNE-EN 14023.

Los betunes fluidificados o “cut-backs” son ligantes obtenidos por adición a un betún de fracciones más o menos volátiles, procedentes de la destilación del petróleo. Aparecieron para facilitar el empleo de betunes de penetración en situaciones cuando las temperaturas o el tipo de tratamiento exigen unas viscosidades de aplicación menores que las que se obtienen calentando fuertemente el material. El betún fluxado se obtienen de mezclar betún asfáltico con aceites derivados de la hulla. Su empleo produce el mismo efecto que el de los fluidificados (mejora de la viscosidad a temperaturas menores que las habituales), sólo que con la ventaja de que no tiene problemas de inflamabilidad. Ambos son ligantes de mucha menos consistencia a temperatura ambiente (incluso líquidos). Tras su aplicación, el aceite se evapora a una velocidad característica de cada producto: es el proceso de curado, que permite distinguir los betunes fluidificantes de curado rápido de los de curado medio. Los betunes fluxados solo se clasifican por su viscosidad a determinada temperatura. Para caracterizar tanto las emulsiones fluidificadas y fluxantes, como las bituminosas se realizan los ensayos de viscosidad relativa y de destilación para ver las proporciones en las que se encuentran los diferentes componentes. Sin embargo, estos betunes no aparecen en el PG-3.

Las emulsiones bituminosas son ligantes hidrocarbonados obtenidos de la adición de agua al betún asfáltico. Se emplean para facilitar la puesta en obra del betún disminuyendo su viscosidad y son ideales para aplicarlas en tiempo lluvioso, con áridos húmedos e incluso con temperaturas bajas sin los inconvenientes que presentan habitualmente los betunes fluidificados. Para que la dispersión del betún en el agua sea estable se añaden sustancias que dotan a la emulsión de carácter polar, habiendo así emulsiones aniónicas y catiónicas. Según la polaridad de los áridos, puede ser necesario el uso de un polarizante para poder mejorar la adherencia de la emulsión con el árido. Para que el ligante cumpla el objetivo de aglomerante, debe producirse la separación del agua y el betún; este proceso se denomina rotura y dependiendo de su velocidad se habla de emulsiones de rotura rápida, media y lenta. Las emulsiones aniónicas presentan una buena adhesividad con áridos calizos, pero no aparecen en el PG-3. Las catiónicas presentan una buena adhesividad con áridos silíceos y con la mayoría de los calizos (más usadas).

A continuación os dejo un vídeo explicativo del profesor Miguel Ángel del Val, de la Universidad Politécnica de Madrid, sobre los ligantes modificados.

Referencias:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para la fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 749.

Los betunes fluidificados o “cut-backs”

Los betunes fluidificados o “cut-backs” son ligantes obtenidos por adición a un betún de fracciones más o menos volátiles, procedentes de la destilación del petróleo. Facilitan el empleo de betunes cuando se exigen unas viscosidades de aplicación menores que las que se obtienen calentando fuertemente el material. El betún fluxado se obtiene al mezclar betún asfáltico con aceites derivados de la hulla. Su empleo produce el mismo efecto que el de los fluidificados con la ventaja de que no tiene problemas de inflamabilidad. Ambos son ligantes de mucha menos consistencia a temperatura ambiente, llegando incluso a ser líquidos. Tras su aplicación, el aceite se evapora a una velocidad característica de cada producto: es el proceso de curado, que permite distinguir los betunes fluidificantes de curado rápido de los de curado medio. Para caracterizar tanto las emulsiones fluidificadas y fluxantes, como las bituminosas se realizan los ensayos de viscosidad relativa y de destilación para ver las proporciones en las que se encuentran los diferentes componentes.

Os dejo a continuación un vídeo explicativo del profesor Miguel Ángel del Val, de la Universidad Politécnica de Madrid. Espero que os sea de utilidad.

Referencia:

YEPES, V. (2014). Maquinaria para la fabricación y puesta en obra de mezclas bituminosas. Apuntes de la Universitat Politècnica de València. Ref. 749.