Elaboración de mezcla asfáltica

Una mezcla asfáltica, también denominada aglomerado, en general es una combinación de un ligante hidrocarbonato y agregados minerales pétreos. Las proporciones relativas de estos minerales determinan las propiedades físicas de la mezcla así como el rendimiento de la misma como mezcla terminada para un determinado uso. Las mezclas asfálticas se emplean en la construcción de firmes, ya sea en capas de rodadura o en capas inferiores y su función es proporcionar una superficie de rodamiento cómoda, segura y económica a los usuarios de las vías de comunicación, facilitando la circulación de los vehículos, aparte de transmitir suficientemente las cargas  debidas al tráfico a la explanada para que sean soportadas por ésta. Las mezclas asfálticas se utilizan en la construcción de carreteras, aeropuertos, pavimentos industriales, entre otros. Sin olvidar que se utilizan en las capas inferiores de los firmes para tráficos pesados intensos.

Estas mezclas asfálticas pueden ser en caliente, lo más común, o en frío. Estas mezclas asfálticas pueden ser confeccionadas en plantas y con los equipos apropiados para esta labor. El proceso de fabricación de las mezclas asfálticas en caliente implican calentar el ligante y los agregados (excepto quizás el polvo mineral de aportación) y su puesta en obra se realizará a una temperatura muy superior a la ambiente (Pliego de Prescripciones Técnicas Generales PG-3, art. 542 y 543).

El tema da para mucho, pero el objeto de este post es introductorio. Os aconsejo que acudáis a la web de la Asociación Española de Fabricantes de Mezclas Asfálticas (ASEFMA). Os dejo a continuación un vídeo a este tema de la elaboración de mezclas asfálticas. Se trata de un vídeo meramente divulgativo, por lo que tiene alguna imprecisión técnica y de traducción. Así y todo, espero que os guste.

Asimismo os dejo un vídeo explicativo del profesor Miguel Ángel del Val, de la Universidad Politécnica de Madrid, sobre fabricación y puesta en obra de las mezclas asfálticas.

Referencias:

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

Tipos de mezclas bituminosas

Las mezclas bituminosas consisten en una combinación de áridos y un ligante hidrocarbonado de manera que todas las partículas quedan envueltas de forma continua y homogénea. También se denominan aglomerados asfálticos y actualmente se fabrican de forma mecánica en centrales fijas o móviles.

Las ventajas de las mezclas bituminosas para los firmes de carretera son la regularidad superficial que pueden dar los pavimentos de cierto espesor, la seguridad proporcionada por las resistencias al deslizamiento y su puesta en obra en espesores diversos. Los inconvenientes fundamentales son una durabilidad sensiblemente inferior a la vida útil del firme y que la rigidez de estas mezclas varían con la temperatura.

Para la fabricación de las mezclas bituminosas los áridos se clasifican en fracciones uniformes, a partir de los cuales se compone la granulometría elegida. Se considera por separado el filler o fracción que pasa por el tamiz 0.08 UNE.

El filler condiciona la proporción de ligante, ya que es el componente de mayor superficie específica. Ambos forman el mástico (o mastic) que da cohesión a la a la mezcla. El mástico influye en la adhesividad, y en el componente de huecos, por lo tanto en la impermeabilidad y en la resistencia.

Las mezclas bituminosas se pueden clasificar:

  • Según el modo de fabricación y puesta en obra:
    • En caliente, se emplean básicamente betunes que, como ya hemos dicho, necesitan un calentamiento para reducir su viscosidad y conseguir la envuelta con los áridos calientes y una adecuada puesta en obra. Son de uso más generalizado, utilizadas en todo tipo de carreteras donde la calidad exigida sea alta.
    • En frío, se emplean ligantes de baja viscosidad como las emulsiones bituminosas y los betunes fluidificados, que permiten fabricar y aplicar la mezcla a temperatura ambiente. Los betunes fluidificados prácticamente no se utilizan por motivos económicos y contaminantes. Si se aplican son en la construcción y conservación de carreteras secundarias.

 

  • En función del porcentaje de huecos en mezcla:

 

TIPO DE MEZCLA   % HUECOS
Cerradas o densas D Hasta el  5%
Semicerradas o gruesas G Del 5% al 12%
Abiertas A Del 12% al 20%
Drenantes o porosas P Mas del 20%

Las mezclas cerradas se emplean en capas de rodadura, donde el pequeño porcentaje de huecos las hace prácticamente impermeables, protegiendo así a las capas inferiores del firme y a la explanada. Las mezclas semicerradas son menos impermeables y no se usan en capas de rodadura al ser sensibles al envejecimiento. Las mezclas abiertas son muy flexibles, por lo que se usan en capas de rodadura de pequeño espesor en carreteras con tráfico ligero, o como capas de base. Las mezclas porosas o drenantes se utilizan en capas de rodadura de pequeño espesor, consiguiendo evacuar rápidamente el agua de lluvia.

  • Según el tamaño del árido:

 

TIPO DE MEZCLA TAMAÑO DEL ÁRIDO
Gruesas Inferior a 5 – 8 mm
Finas Tamaño max superior a 5-8 mm

Las mezclas finas o morteros se usan como tratamiento superficial en zonas urbanas. Presentan una macrotextura baja, por lo que no pueden usarse para carreteras con velocidades altas. En cambio, las mezclas gruesas son la mayoría de las tipificadas en España. Proporcionan macrotextura al pavimento, por tanto empleadas en capas de rodadura con altas velocidades de tráfico. También se usan como capas intermedias al ofrecer un esqueleto mineral adecuado.

  • Según el tipo de granulometría:
    • Mezclas continuas: Son las más usuales. La granulometría tiende a formar una estructura cerrada. Son sensibles al contenido de ligante (puede variar su comportamiento reológico).
    • Mezclas discontinuas: Típicas en la técnica británica, faltando los tamaños entre 2 y 8 mm. Son mezclas de gran calidad y muy impermeables, pero de elevado precio y susceptibles a las deformaciones plásticas.

  • Según la estructura del árido:
    • Con esqueleto mineral: hormigones y aglomerados asfálticos. Son las más utilizadas. Son las más económicas. Se adaptan a cualquier tipo de solicitación y de capa.
    • Sin esqueleto mineral: másticos y asfaltos fundidos. Son mezclas con elevadas proporciones de filler y de betún con un árido grueso disperso en el mástic. Son caras debido al elevado contenido de ligante. Presentan gran calidad, empleándose donde la impermeabilidad sea un factor decisivo.

 

La clasificación más adecuada es la que se hace atendiendo a la estructura interna de la mezcla, que está condicionada por las proporciones relativas de los distintos componentes (árido grueso, árido fino, filler y betún), ya que tienen una influencia decisiva en las características y propiedades de las mezclas:

  • Mástic bituminosos: mezcla de filler y betún
  • Mortero bituminoso: mezcla de árido fino y mástic
  • Macadam bituminoso: mezcla de árido grueso y betún
  • Hormigón bituminoso: mezcla de árido grueso y mortero (habitual en carreteras)

 

Árido grueso

Árido fino

Filler

Betún

Huecos mezcla

Filler

tipo

Betún

MACADAM ASFÁLTICO

80 – 85

8 – 15

2 – 3

» 3-4

10 – 20

» 1

(100/ 200 )

HORMIGÓN ASFÁLTICO

50 – 65

30 – 45

4 – 8

4-6

3 – 6

1 – 1.5

( 40 / 80 )

MORTERO ASFÁLTICO

30 – 45

40 – 55

8 – 13

6-8

2 – 5

1.5 – 2

( 30 / 60 )

GUSSASPHALT

40 – 50

25 – 30

20 – 30

8-12

1 – 2

2 – 2.5

( 25 / 50 )

MÁSTICO ASFÁLTICO

25 – 30

20 – 30

30 – 40

10-20

0

2 – 3

( 20 / 30 )

 

 

Evolución histórica de la fabricación de mezclas bituminosas

www.aecarretera.com

Los orígenes de las mezclas bituminosas empleadas en firmes asfálticos se remontan a 1830, cuando el alquitrán se utiliza en algunos riegos superficiales en la pavimentación de carreteras. Sin embargo, los primeros aglomerados realizados in situ con alquitrán se ejecutaron hacia 1850 en algunas carreteras y vías urbanas del Reino Unido. A partir de ese momento la técnica se desarrolla en paralelo con la iluminación con gas ciudad, en cuya fabricación se obtiene dicho ligante como subproducto.  En España se pavimentan con alquitrán las zonas peatonales de la Puerta del Sol de Madrid entre 1847 y 1854. En torno a 1870, en Estados Unidos, se empiezan a utilizar mezclas fabricadas a partir de rocas asfálticas y de asfaltos naturales, si bien estos materiales ya habían sido empleados en algunas pavimentaciones en Burdeos y Lyon en 1810. Más tarde como consecuencia del desarrollo de la industria del petróleo se comienza a emplear betunes de destilación.

A finales del siglo XIX el norteamericano C. Richardson sentó las bases de la tecnología de las mezclas bituminosas para pavimentación. Después de la I Guerra Mundial surge la industria de la fabricación en central de las mezclas bituminosas, aunque es después de la II Guerra Mundial cuando se produce un gran desarrollo tecnológico de estos materiales, debido principalmente a las grandes necesidades de construcción acelerada de pistas de aterrizaje militares.

En España empiezan a ejecutarse de forma significativa pavimentos con mezclas bituminosas a partir de 1926, año en el que se programó la pavimentación con mezclas bituminosas de 223 km de carreteras dentro del Circuito Nacional de Firmes Especiales. Os recomiendo a este respecto un excelente artículo sobre los pavimentos de las carreteras españolas en el siglo XX, del profesor Miguel Ángel del Val.

 

Mapa de carreteras dentro del Circuito Nacional de Firmes Especiales (1926). Wikipedia

Obras de rectificación de trazado, con la supresión de una curva peligrosa, en la Carretera Nacional IV. Años cincuenta. http://carreterashistoricas.blogspot.com.es/

El primer paso para mejorar las infraestructuras viarias se da en 1950 con la aprobación del Plan de Modernización de las Carreteras. Esta época se caracteriza por el crecimiento del parque de vehículos y por una discreta mejora de las carreteras. Las plantas que se empezaron a construir en estos años eran muy rudimentarias. Se alimentaban con carretillas con las que se hacía una predosificación de los áridos en frío, se clasificaba con trómeles, el asfalto se medía en una cubeta con un índice que marcaba el volumen, que se vertía a continuación por volteo a mano. En esta época el dominio absoluto es de las plantas discontinuas tanto para los contratistas como para las administraciones. Las plantas continuas, en las que la mayor parte de sus elementos son similares a las plantas discontinuas, (alimentación en frío, tambor secador, clasificación en caliente) sólo se diferencian en la alimentación en caliente continua y en el mezclador en continuo de los áridos, asfalto y filler, a pesar de esto, este tipo de plantas se emplearon con ciertas reservas, injustificadas ya que producían un aglomerado de excelente calidad.

Entre los años 1960 y 1970 se producen algunos hechos que suponen un avance tecnológico de gran calado de las plantas asfálticas:

  • Se produce la liberalización de la importanción de maquinaria de construcción, lo que permite el uso de máquinas modernas, de gran producción.
  • El arranque, en 1967, del Plan de Mejora de la Red de Itinerarios Asfáticos (plan REDIA) y la construcción de las primeras autopistas en España. Se empiezan a modernizar las carreteras -la mayoría en muy malas condiciones-, en su mayoría constituidas con firmes con tratamiento superficial, pocas con aglomerado y algunas de adoquín. Este hecho provoca la adquisición de maquinas modernas y eficientes por parte de las constructoras.
  • El inicio de la fabricación mixta en España de las plantas asfálticas. Se empieza por construir elementos sencillos (tolvas, silos, etc.), estructuras y alguna marca acaba construyendo las plantas con una fabricación total.

 

Fresadora de asfalto

Hacia los años 70 se alcanza en España la madurez en la técnica de las mezclas bituminosas en caliente en España. Atrás quedan los firmes de macadam, revestidos o no con riegos con gravilla. Entre 1970 y 1980 se completa el plan REDIA. Este período se ve marcado por la crisis del petróleo que provoca una conmoción mundial. La crisis alcanza a nuestro país con una subida sin precedentes hasta entonces de los precios del crudo que modifica todos los planes sobre infraestructuras para el transporte. Una de las formas de ahorrar energía es el reciclaje de parte de los materiales existentes, áridos y asfalto, en las capas asfálticas deterioradas. Las máquinas fresadoras arrancan el material calentándolo con rayos infrarrojos, aunque produciendo una oxidación adicional del asfalto. La técnica se perfecciona con fresadoras en frío. Al terminar la fresadora su labor, la superficie queda en muy buenas condiciones para recibir las capas siguientes y se obtiene un producto aprovechable, por su tamaño, directamente en las plantas asfálticas. Cuando se fresan pavimentos muy deteriorados, es frecuente utilizar una machacadora para reducir el tamaño del material e introducirlo en las plantas asfálticas.

Uno de los problemas que surgen al aprovechar el material reciclado frío es su incompatibilidad con las plantas discontinuas. Ello obliga a sobrecalentar los áridos vírgenes añadidos, aunque ello oxida el asfalto y le hace perder volátiles. Además el calentamiento del material reciclado produce otros problemas, lo que obliga al uso de otro tipo de instalaciones: las plantas tambor secador-mezclador. Estas plantas permiten, mediante la alimentación central, el aporte del material reciclado en una zona protegida del contacto directo de la llama por la cortina del material virgen. Este hecho favorece que el material recuperado pueda reciclarse en proporciones importantes. Este tipo de plantas ofrecen aún más ventajas, entre ellas la sencillez, ya que sólo hay una dosificación, mientras que en las plantas de tipo discontinuo hay una dosificación en frío, luego una clasificación y posteriormente otra dosificación en caliente. Otra ventaja es el menor tamaño, por lo tanto el transporte es más fácil y económico. Son más fáciles de montar, de conservar y tienen un menor consumo energético, que en estos momentos, no debemos olvidar, es una de las grandes preocupaciones. Y por último son más baratas a la hora de adquirirlas que las discontinuas, por lo tanto presentan una mayor rentabilidad económica.

Posteriormente en España se llega a un descenso de la construcción que empieza a remontar en 1984, donde aumenta la construcción en un 10 – 12 %. A principios de los 80 se venden en España, no sin cierta dificultad, las primeras plantas de tambor secador-mezclador. Los fabricantes de plantas discontinuas alertan sobre los problemas que pueden producirse en las plantas tambor secador-mezclador, uno de los cuales es que, debido al escaso tiempo de permanencia de los áridos en el tambor dedicado al secado, éstos quedan con cierta humedad. Esto es respondido por los defensores de las plantas tambor secador-mezclador con la emulsión inversa, diciendo que, al emulsionarse la humedad residual con el asfalto, se facilita la adherencia y se producen mezclas de gran calidad, lo que implica que este tipo de plantas sean aceptadas. Los inconvenientes que presentan es la deficiente clasificación de los áridos, el exceso de filler sobrante que hay que eliminar y la pérdida de volátiles del betún, entre otros. El primer inconveniente es debido a que las canteras no están preparadas, lo que provoca que las plantas de áridos sean incapaces de abastecer al ritmo necesario.

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En estos años el medio ambiente empieza a ser un tema central. Para evitar la contaminación atmosférica se procede a la instalación de filtros de mangas; hasta este momento se utilizan los sistemas de depuración por vía húmeda, pero no son capaces de solucionar la contaminación por polvo sobrante y volátiles. Estos filtros cumplen la normativa y se empiezan a utilizar, pero los volátiles y las pequeñas partículas de asfalto arrastradas por el tiro, impregnan las mangas, lo que obliga a costosos lavados y sustituciones. En las plantas tambor secador-mezclador es necesario utilizar un silo de producto terminado, para enlazar el proceso continuo de producción con el proceso discontinuo de carga de camiones. Estos silos pueden ser de aislamiento simplemente o pueden tener calentamiento, lo cual permite el almacenamiento de hasta dos días o más. Para almacenamientos prolongados se proveen atmósferas inertes para evitar la oxidación del aglomerado. Si los silos tienen gran altura se disponen de sistemas para evitar la segregación.

Por otro lado, los fabricantes de plantas discontinuas siguen mejorando para adaptarse al mercado. Además de mejorar en muchos aspectos como ser más fáciles de montar, de transportar, etc., ofrecen sobre todo la posibilidad de añadir aditivos en la mezcladora, algo que no es posible en las plantas tambor secador-mezclador por las altas temperaturas en la zona de mezclado. Frente a esta mejora, las plantas tambor secador-mezclador incorporan una mezcladora continua adicional a la sólida del tambor, para permitir la incorporación de aditivos. Otras trabajan en independizar la zona de secado y la zona de mezclado.

Los años 90 suponen un aumento muy fuerte en la licitación de carreteras en España, con el objetivo de alcanzar un nivel similar al resto de los países de la Unión Europea. La competencia entre plantas discontinuas y plantas tambor secador-mezclador sirvieron para mejorar de forma notable las mezclas asfálticas, aumentando las exigencias de fabricación, tanto técnicas como económicas, ecológicas y de seguridad. Hay que resolver problemas de contaminación atmosférica por polvo, por óxido de nitrógeno, contaminación acústica en los tambores, quemadores y ventiladores, y el aprovechamiento de productos reciclados con alimentación de aditivos. En cuanto a la seguridad: protección en las instalaciones eléctricas, en las partes en movimiento y en las zonas calientes susceptibles de producir quemaduras; atención a los depósitos de ligante y de combustible, y a los quemadores.

Referencias:

Kraemer, C.; Del Val, M.A.; Pardillo, J.M.; Rocci, S.; Romana, M.G.; Sánchez, V. (2004). Ingeniería de Carreteras. Vol II. Mc Graw Hill, Madrid.