Asfaltos modificados SBS y su comportamiento en carreteras pavimentadas

Por: Ing. José Abel Chacón

En las carreteras de nuestro país una de las principales fallas en los pavimentos asfálticos, son las deformaciones permanentes resultado de los millones de repeticiones de carga que sufre el pavimento a lo largo de los años, también se debe considerar el agrietamiento por fatiga, agrietamiento de tipo térmico debido a las gradientes de temperatura en una determinada región; esto se vuelve todavía más relevante para aquellas vías donde se presentan volúmenes de tránsito vehicular muy altos. Es usual medir el desempeño en un pavimento a través de la evolución en el tiempo de las deformaciones que aparecen sobre la superficie de rodadura y de su efecto sobre la regularidad superficial. La evaluación del desempeño en carreteras es así de orden funcional.

Existe un sinnúmero de productos que modifican el asfalto convencional y con ello mejorar el desempeño de los pavimentos. Una de las alternativas utilizadas en nuestras carreteras es el polímero SBS (estireno-butadieno-estireno). El uso de asfaltos modificados se ha vuelto una práctica común dentro del campo de la ingeniería de carreteras, particularmente en los países vecinos. En efecto, la necesidad de construir pavimentos que sean capaces de ofrecer altos niveles de desempeño a lo largo de un período de tiempo se ha vuelto una obsesión dados los altos costos de mantenimiento y de operación.

Los asfaltos modificados son un aporte significativo en el logro de mejores desempeños en las mezclas asfálticas que se emplean en la construcción de carreteras. Sin embargo, las especificaciones vigentes para la caracterización de asfaltos convencionales han mostrado ser inadecuadas para el caso de los asfaltos modificados, en el sentido que no permiten inferir, con la confiabilidad necesaria, la mejora en las propiedades de desempeño de la mezcla; no es suficiente la sola caracterización del asfalto por avanzada que esta sea,  porque  primero se debe establecer ¿para qué queremos modificar el asfalto?, ¿qué comportamiento esperamos?, esta debería ser la base  antes de definir el producto (polímero) que más se acerque a nuestros  requerimientos. En principio se deberá evaluar el asfalto convencional, para luego volver a evaluar en nuestro caso con el SBS incluido con sus características reológicas, a nivel laboratorio.

¿Por qué modificar un asfalto?

La finalidad de modificar a los cementos asfálticos convencionales, es la de mejorar sus propiedades y demostrar a través de pruebas en laboratorio las ventajas del uso del polímero SBS, aplicados en las mezclas de cementos asfálticos y en la elaboración de mezclas de concreto asfáltico, diseñados para condiciones de climas cálidos – frígidos y tránsito pesado.

La modificación de los asfaltos con polímeros, es contar con ligantes más viscosos a temperaturas elevadas para reducir las deformaciones permanentes (ahuellamiento), de las mezclas que componen las capas de rodamiento, aumentando la rigidez. Por otro lado, disminuir el fisuramiento por efecto térmico a bajas temperaturas y por fatiga, aumentando su elasticidad. Finalmente contar con un ligante de mejores características adhesivas.

¿Qué es el SBS?

El SBS es un elastómero termoplástico sintético, obtenido mediante la polimerización de una mezcla de estireno y de butadieno. Su estructura química responde a un copolímero en bloque, cuya cadena está compuesta por el poliestireno – polibutadieno – poliestireno.

El poliestireno es un plástico duro y resistente y le da al SBS su durabilidad. El polibutadieno es un material parecido al caucho y le confiere al SBS sus características de capacidad de conservar su forma después de ser estirado.

Es importante que el polímero (SBS) y un asfalto convencional sean compatibles cuando puedan mezclarse sin que exista una separación de fases y no se llegue a una rotura del equilibrio coloidal del asfalto, la compatibilidad depende del polímero de que se trate, de la composición química del asfalto y del proceso utilizado para su preparación.

El SBS ofrece un excelente coeficiente de fricción superficial, poca deformación permanente, una gran resistencia a la tracción o la capacidad de conservar su forma después de ser estirado, excelente comportamiento a bajas temperaturas, proporciona al asfalto mayor flexibilidad y resistencia al envejecimiento, a los rayos ultravioleta, al contacto con el agua y procesabilidad.

La presencia de polímero SBS modifica las propiedades del cemento asfáltico convencional, porque incrementa el punto de ablandamiento, mejora la recuperación elástica, baja la penetración. Asimismo, mejora los módulos de resistencia a la carga de tráfico y la resistencia a la fatiga.

Cemento asfáltico convencional

Es obtenido del proceso de destilación del petróleo para eliminar solventes volátiles y parte de sus aceites. Su viscosidad varía con la temperatura y entre sus componentes, las resinas le producen adherencia con los materiales pétreos.

El cemento asfáltico convencional es aquel cuyo comportamiento en los pavimentos está definido por las temperaturas máxima y mínima que se esperan en el lugar de su aplicación, dentro de las cuales se asegura un desempeño adecuado para resistir deformaciones o agrietamientos por temperaturas bajas o por fatiga, en condiciones de trabajo que se han correlacionado con ensayos especiales y simulaciones de envejecimiento a corto y a largo plazo.

El grado de desempeño es el rango de temperaturas, máxima a mínima, entre las que un cemento asfáltico se desempeña satisfactoriamente, tanto en los cementos asfálticos convencionales y modificados, la misma permite seleccionar el cemento asfáltico más adecuado para una determinada obra, en función del clima y tráfico durante su vida útil.

En nuestro país tenemos tres zonas definidas por las condiciones climáticas como son los valles, trópico y altiplano, y se considera el tipo de cemento asfáltico por su grado de penetración y grado de viscosidad, que definen un grado de desempeño.

Cemento asfáltico modificado

Si bien los cementos asfálticos convencionales no son capaces de resistir la acción conjunta del tránsito y del clima; por lo que resulta necesaria la utilización de ligantes modificados que presenten mejores propiedades reológicas, un mayor grado de adherencia, mayor resistencia al envejecimiento y menor susceptibilidad térmica.

Siendo que la reología es la variación de las propiedades del flujo a través del tiempo de aplicación de una carga, ésta incluye una propiedad muy importante que es la viscosidad. La viscosidad del asfalto varía con la temperatura en mayor o menor grado (susceptibilidad térmica) y su estudio es importante y de interés práctico, pues a temperaturas altas el asfalto se considera un fluido viscoso, mientras que a temperaturas bajas de servicio se considera un material sólido con propiedades elásticas. por tanto resulta ser el cambio de consistencia, medida por la penetración o la viscosidad que sufre el asfalto por efecto de la temperatura.

Evaluación del cemento asfáltico convencional y modificado

La falta de cumplimiento de la ley de cargas en nuestro país, ha dejado que las obras viales en su conjunto, presenten problemas recurrentes y críticas generalizadas de los usuarios por las dificultades que ocasiona el tráfico vehicular particularmente pesado, desembocando en frecuentes reparaciones, daños prematuros de las calzadas y el uso de altos presupuestos para el mantenimiento y conservación vial. Si bien son  muchos los factores y causas que intervienen en los problemas de los pavimentos asfálticos y su buen funcionamiento, pero no se puede desconocer que los porcentajes más altos están relacionados con la calidad de los materiales componentes, la preparación de los mismos y los procedimientos constructivos, contrariamente a esta realidad en nuestro país, no se registran estudios serios relacionados con algunas de estas causas, es más no se conoce acerca de la existencia de un estudio pormenorizado sobre la modificación de los asfaltos con algún polímero en el comportamiento y resistencia real de los pavimentos asfálticos de nuestras carreteras,  que en un futuro permitan mejorar las vías y prolongar su vida útil.

Cómo predecir el envejecimiento del asfalto

La durabilidad de un cemento asfáltico se explica como su capacidad para mantener sus propiedades ligantes y cohesivas en la mezcla antes y después de envejecido.

La característica del cemento asfáltico es un factor importante en la durabilidad de las capas de rodadura asfálticas, si los diseños de la estructura del pavimento y de la mezcla han sido los correctos y se ha realizado un buen control de calidad sobre el proceso constructivo. Existen seis factores que contribuyen al envejecimiento de un cemento asfaltico durante el proceso de mezclado o servicio. La oxidación, la volatilización, polimerización, tixotropía, sinéresis y separación.

El asfalto puede alterar sus propiedades durante la fabricación, colocación de la mezcla y servicio, el mismo sigue envejeciéndose pero de una manera lenta. Para simular el envejecimiento del asfalto se realiza el ensayo de la película delgada rotatoria RTFOT, previo todos los ensayos en el asfalto original y del residuo del ensayo se debe determinar la penetración, la viscosidad, la ductilidad y el punto de inflamación.

Ventajas y desventajas del asfalto modificado

Las ventajas del uso de asfaltos modificados dependen del tipo de polímero utilizado. No todos los polímeros son apropiados para todas las aplicaciones. En general, el asfalto se modifica para obtener los siguientes beneficios: Menor viscosidad a temperaturas altas asociadas con el proceso constructivo (mayor trabajabilidad). Mayor rigidez a temperaturas de servicio altas. Menor rigidez y propiedades de relajación más rápidas a temperaturas de servicio bajas. Mayor adhesión entre el asfalto y los agregados en la presencia de humedad.

La desventaja y única es el mayor costo inicial. Este costo puede compensarse por el aumento en la vida útil del pavimento.

Conclusiones

Todas las deformaciones observadas en nuestras carreteras pavimentadas donde se utilizó el cemento asfáltico convencional, se producen antes de la vida final del pavimento.

Los asfaltos modificados brindan características mecánicas y reológicas que prolongan la vida útil del pavimento en servicio, que no se pueden realizar con los cementos asfálticos convencionales.

Si bien en nuestro país el empleo de cementos asfálticos modificados ha sido muy reducido en comparación al asfalto convencional, se observa que los primeros no han presentado ningún tipo de fallas, mientras que los segundos en ese mismo período presentan grandes deformaciones, por lo que sus costos de mantenimiento han sido muy elevados

Los asfaltos modificados son una alternativa viable porque ofrece un avance notable en la tecnología de los ligantes asfálticos.