Modification of a hot asphalt mix by dry process using special waste (slag) from car batteries

Modificación de una mezcla asfáltica en caliente mediante procedimiento en seco utilizando desechos especiales (Escoria) proveniente de baterías de automóviles

En la actualidad el impacto ambiental que ha generado los desechos de baterías de automóviles usados, se evidencia por los altos daños al medio ambiente y a la salud de seres vivos [1-3]. El reciclaje de baterías desechadas, es un hábito que están adquiriendo las empresas ecuatorianas productoras de este dispositivo indispensable para que un automóvil pueda funcionar. Según estadísticas [4] al menos 100 millones de baterías al año llegan a su vida útil, un 90% es utiliza para producir nuevas baterías y un 10% son depositadas en pozos considerados como botaderos o basurero de baterías y en otros casos en terrenos baldíos, acequias, caminos vecinales, causes de agua, etc. Los daños que pueden causar a las personas que están en contacto con este desecho, ha hecho que las empresas tomen opciones de reutilizarlo, mediante el análisis de tratamiento anual de desechos sólidos de acuerdo a las normas establecidas para su reutilización. Una de las opciones para aprovechar este material es incorporarlo a la construcción [5], por lo que la siguiente investigación se enfocó en estudiar la inclusión de este tipo de desecho en mezclas asfálticas convencionalmente utilizadas en Ecuador en la construcción de carreteras.

Una mezcla asfáltica está constituida por un material pétreo recubierto con una película de asfalto [6], uniformemente combinados en proporciones específicas. Las cantidades relativas de estos materiales, determinan las propiedades y características de la mezcla [7]. Específicamente se reporta la modificación de la mezcla asfáltica, reemplazando agregado por desechos especiales (Escoria) proveniente de baterías de automóviles en el tamaño de agregado equivalente a lo retenido en el tamiz número 8, que según la normativa ASTM es de 2,36 milímetros. Se utilizó el método de diseño Marshall (AASHTO T 245 o ASTM D 15559), comúnmente utilizado en Latinoamérica para determinar las proporciones apropiadas de asfalto y agregado en una mezcla asfáltica en caliente. El proceso se realizó por vía seca, donde el material modificador se mezcla con los agregados, antes de adicionar el cemento asfáltico. En este caso, los desechos de escoria se suman como un sustituto de una pequeña parte del agregado fino. Se determinó el mejor método de mezcla para la modificación del pavimento con el porcentaje óptimo de escoria. Como sustituto de material pétreo, la escoria es un material de diferentes características físicas a las de los agregados, por lo que se establecieron datos comparativos de las propiedades físicas de este material como agregado en el asfalto modificado, y así determinar si estos cumplen con los requerimientos establecidos por las normativas ASTM, INEN Y AASHTO.

Se pretende lograr pavimentos con mejor desempeño que los que se utilizan actualmente. La modificación de una mezcla asfáltica con desechos de este tipo es de vanguardia, aunque hay mezclas modificadas con residuos de “pet”, esta escoria resulto con beneficios tanto para la mezcla asfáltica como para el medio ambiente. Fue de gran importancia lograr en la mezcla modificada el aumento de la estabilidad, así como el módulo de rigidez, por lo que la durabilidad será mayor. Los resultados obtenidos indican que la mezcla modificada, resulta en una mezcla asfáltica cerrada con propiedades mejoradas.

Los agregados y asfalto utilizados, se obtuvieron de la planta Asfáltica Naranjo Ordoñez, Quito-Ecuador. Agregados gruesos ¾” (1,905 cm) y ½” (1,27 cm), agregado fino ¼” (0,635 cm), Mina Eduardo, ubicada en la rivera del Rio Pita en el cantón Rumiñahui, los desechos especiales fueron facilitados por la empresa Baterías Ecuador Fabribat CIA LTDA. Reactivos: TQ Orange clean 90 (Spartan), desmoldante (Talco + glicerina (Sigma-Aldrich), sulfato de magnesio (Sigma-Aldrich), ácido hidroclórico 37% (Sigma-Aldrich), óxido rojizo (Sigma-Aldrich) y propanol 99% (Sigma-Aldrich). Equipos: controlador RTF, modelo CS 325-B, James Cox & Sons INC, regulador de vacío digital modelo H-1, equipo Marshall H-1322, Humboldt MFG. CO. Schiller Park IL 60176, modelo No. H-1782, horno Despatch Industries, máquina de prueba de cribamiento de ajuste manual Gilson, modelo TS-2, Gilson Company INC., tamiz vibrador de cribado, modelo 14860, W. S. Tyler, Viscosímetro DV-II + Pro, tanque de prueba de ductilidad, Soiltest INC, máquina universal HYD 25, Cooper Technology, compactador Marshall, modelo H- 1336, Humbolt MFG. CO, estufa Universal 32lt, modelo UNB-200, Memmert, máquina de abrasión los Ángeles, modelo 42-5305, Soiltest INC.

Caracterización de agregados pétreos

En la Tabla 1, se muestra los ensayos realizados a los materiales con su respectiva Normas y comprobación de las especificaciones establecidas. La verificación del cumplimiento de las especificaciones establecidas en las normas para el material bituminoso AC-20 obtenida en el laboratorio, se muestran en la Tabla 2.

Caracterización de los desechos especiales (Escoria) proveniente de baterías de automóviles

La escoria utilizada proviene del proceso de fundición del plomo obtenido de las baterías usadas en mezcla con aditivos como carbón, viruta de hierro y sosa cáustica. El proceso de reciclaje utilizado fue el siguiente. Trituración y separación: apertura de cajas, rotura y separación de componentes; para aislar los diferentes materiales que componen las baterías. Extracción de electrolito: se extrajeron los tapones de la batería y el electrolito por decantación; este último se almacenó en un tanque colector resistente al ataque del ácido y se neutralizó mediante el uso de carbonato de calcio (CaCO.). Rotura de Baterías: una vez separado el ácido de las baterías, estas se cortaron, separando la tapa y carcasa y así sacar los insertos y placas de plomo (Scrap). Separación de insertos y pasta de plomo: cuando las baterías estuvieron fragmentadas, se separaron los componentes acumulando el plomo en contenedores,para su posterior gestión.

Tabla 1
Caracterización de agregados pétreos

N/A: No aplica

Tabla 2
Caracterización de cemento asfáltico AC20

N/A: No aplica

Separación del polipropileno:

se aisló el polipropileno de la batería, acumulándose para su comercialización a gestores de residuos. Fundición: el plomo obtenido de las baterías (Scrap) se fundió al horno rotativo con aditivos como carbón, viruta de hierro y sosa cáustica para ayudar al proceso reductor del plomo en el horno (sedimentación parcial las de partículas pesadas). Al finalizar el proceso se produce el vaciado del horno, para obtener el plomo que luego será refinado. Refinación: se realizó la limpieza del plomo metálico libre de óxidos y escorias residuales. El material separado después de extraer el plomo, es el residuo denominado Escoria.

Método Marshall [8-9]

Para el diseño de las mezclas asfálticas en caliente se utilizó el método Marshall a través del análisis de estabilidad como fluencia, densidad y vacíos. La metodología Marshall, aunque es una metodología antigua . se determina mediante S = 0,17G + 0,33g + 2,3A + 12a + 135f. Dónde: G = 100 - Porcentaje de mezcla tamiz Nº 3/8, g = Porcentaje de mezcla tamiz Nº 3/8 - Porcentaje de mezcla el tamiz Nº 4, A = Porcentaje de mezcla tamiz Nº 4 - Porcentaje de mezcla tamiz Nº 50, a = Porcentaje de mezcla tamiz Nº 50 - Porcentaje de mezcla tamiz Nº 200, f = Porcentaje de mezcla tamiz Nº 200 y M= Varía 3,75 – 4,25. El valor obtenido fue de 5,39 %. Para realizar la mezcla no modificada se partió con un valor de 6%. El Instituto del Asfalto indica que se deben tomar dos porcentajes por encima y dos por debajo de cada 0,5.

El ensayo Marshall se realizó utilizando porcentajes de asfalto de 5 %, 5,5 %, 6 %, 6,5 % y 7 %. Se conformaron 3 briquetas para cada porcentaje, con un total de 15 especímenes. Para realizar la mezcla, los materiales se mantuvieron a una temperatura de 153º C a 158º C; mientras que la temperatura de compactación fue de 142 oC a 147 ºC, obtenida de la carta de viscosidad, calculada a partir de la viscosidad del asfalto. Se realizó el ensayo de Gravedad de las mismas. Posteriormente se disgregaron y se realizó el ensayo Rice (Norma: AASHTO T-209, ASTM D-2041). Una vez efectuado el ensayo Marshall, se realizaron los cálculos para obtener las propiedades mecánicas; Estabilidad y Flujo; y las propiedades volumétricas; Va, VAM y VAF. Finalmente, mediante la curva Porcentaje de Asfalto vs. Estabilidad se obtuvo un porcentaje óptimo de asfalto de 6,5%.

Diseño de mezcla asfáltica modificada

Se tamizaron los desechos especiales con el fin de excluir los pedazos sobrantes del proceso de trituración de la escoria, se realizó el proceso de tamizado utilizando el tamiz # 4. Con el material tamizado se realizó el reemplazo en la mezcla original correspondiente al peso acumulado en el tamiz #8, en porcentajes de escoria de 5%, 15%, 25% y 35%, en relación al agregado fino. Los desechos especiales (Escoria) proveniente de baterías desechadas de vehículos presentó un porcentaje de absorción de agua de 13%, este resultado dificulta la caracterización de la escoria debido a que tiende a reaccionar con el agua y en casos de precipitación se presentarán problemas de reacción, lixiviación, infiltración, favorables a la formación de grumos de material. De igual manera en la mezcla con los agregados y el ligante asfáltico mientras mayor porcentaje de escoria se añada se absorbe el asfalto y dificulta que la mezcla homogénea sea compactada. Por lo antes expuesto, la escoria debe añadir en el momento de la mezcla y no mezclarla con los agregados sin someter al horno, para evitar pérdidas por evaporación y formación de grumos indeseables.

Módulo de rigidez

Para determinar el comportamiento del pavimento ante la carga vehicular se determinó el Módulo de rigidez [10], el cual es un método no destructivo de tracción indirecta. En este ensayo se utilizó una Máquina Universal marca Cooper HYD25. Se proporcionaron pulsos de cargas con períodos de descanso en forma repetitiva, se ensayaron dos briquetas para mezcla no modificada y dos briquetas para mezcla modificada. Las muestras ensayadas se llevaron a una temperatura de 25 ±1 °C y se centraron dentro del bastidor de montaje. Se ajustaron los deformímetros y la posición de la célula de carga hasta llegar a la posición de ensayo.

La mezcla modificada por vía seca, con desechos especiales (Escoria) proveniente de baterías desechadas de automóviles (6,5% de asfalto óptimo), fue analizada con especificaciones de la norma MOP 001 2002, correspondiente a tráfico muy pesado. En comparación con su respectiva mezcla convencional, el aglomerante óptimo en la mezcla modificada tiende a aumentar, lo cual se atribuyó al área de superficie lisa de partículas finas de escoria. El aumento del porcentaje de escoria en la mezcla, produjo que la densidad Bulk en la briqueta disminuya (Figura 1a). Para la mezcla asfáltica con el 5% de escoria se obtuvo una densidad Bulk de 2,276 (gr/cm.) y para ese mismo porcentaje se una estabilidad de 4311 (lbf), Figura 1b; este último valor mayor al requerido por el MTOP para tráfico muy pesado (2200 (lbf)).

De acuerdo a los estudios realizados, el 5% de escoria en la mezcla es el más adecuado, y a pesar de ser el porcentaje de escoria más bajo representa una mejora en las características mecánicas de la mezcla y un ahorro ambiental. El valor del flujo obtenido disminuye con el aumento de la proporción de escoria en la mezcla (Figura 1c). Para la mezcla asfáltica con el 5% de escoria se obtuvo un flujo de 14 centésimas de pulgada, valor dentro de los parámetros permitidos por la norma. Los vacíos (Va) dentro la mezcla asfáltica modificada tienden a aumentar con el porcentaje de escoria (Figura 2a). Incorporando un porcentaje de 5% de escoria, los Va pueden mantenerse en un valor aceptable por la norma. Los VAM en las mezclas modificadas se mantienen contaste entre un 5 % y 15 % de escoria (Figura 2b), aumentaron a partir de 15 % y posterior a este valor se obtuvo valores superiores a los sugeridos en la norma. Para la mezcla asfáltica con el 5% de escoria se tiene un valor de 15 %, valor aceptable dentro del requerido por la norma. Los VAF disminuyen con el aumento en el porcentaje de escoria en la mezcla (Figura 2c). Para la mezcla asfáltica con el 5% de escoria se tiene un VAF equivalente a 75,04%, valor que se encuentra dentro de los límites permitidos (65 % a 75 %). Mediante los resultados obtenidos se sugiere que el porcentaje óptimo de escoria que se debe considerar para la mezcla es del 5%.

Figura 1

a) % Escoria vs. Densidad Blk, b) %Escoria vs. Estabilidad, c) %Escoria vs. Flujo

Figura 2
a) % Escoria vs. Va , b) % Escoria vs. VAM y c) % Escoria vs. VAF

En la Tabla 3, se resume y comparan los resultados obtenido en el ensayo Marshall utilizando la mezcla no modificada y la modificada. La densidad Bulk, permite verificar la efectividad del proceso de compactación que se lleva acabo para conformar la mezcla, cuando se compararan los resultados entre las mezclas ensayadas se obtuvo que la compatibilidad se mantiene. En comparación con la mezcla sin modificar, la muestra modificada presenta un aumento de un 30% en estabilidad y un 8% en flujo. La estabilidad, es la resistencia que puede tener la mezcla a la deformación frente a una carga externa, mientras que el flujo es la deformación que presenta la briqueta. Mediante varios ensayos de laboratorio y diferentes muestras ensayadas, se puede definir que una mezcla con valores bajos de fluencia y altos de estabilidad son mezclas frágiles y rígidas, por otra parte, se considera mezclas plásticas y tienden a deformarse con facilidad bajo cargas externas a mezclas con altos valores de fluencia. Los resultados obtenidos, predicen una mejora en las propiedades mecánicas de la mezcla modificada en cuanto a aumento en resistencia a medida que se aumentó el porcentaje de escoria en la mezcla. Por otro lado, la relación entre la estabilidad de Marshall y el valor de flujo, es un indicador de la resistencia del material a la deformación [11], según las especificaciones de MoRT & H 2013, este valor debe estar entre 2 y 5. La mezcla modificada cumplió con este criterio requerido, lo que sugiere una mejor resistencia contra las grietas bajo una fuerte rigidez en el movimiento del tráfico.

Obtener el porcentaje de huecos vacíos y rellenos de las briquetas, permite llevar un control base de compactación en la construcción del pavimento asfáltico. Las bolsas de aire formadas en una mezcla asfáltica compactada entre el agregado y el asfalto son los vacíos que definen la calidad de la mezcla y su utilización en la estructura del pavimento. Dentro de estos vacíos están un porcentaje de huecos formados por las partículas del agregado pétreo, el VAM, el resto de los vacíos están llenos de asfalto y se lo define como VFA. En general, en la presente investigación cuando se modificó la mezcla todos los tipos de porcentaje de vacíos disminuyeron, lo que se asocia al incremento de la cantidad de material fino dado que la fracción de material escoria utilizada corresponde al material pasante el tamiz No.8, definido como un elemento de partículas finas. Del análisis de la granulometría realizada a los agregados pétreos y porcentaje de vacíos de la mezcla asfáltica modificada, resulta una mezcla asfáltica modificada cerrada.

De acuerdo a este resultado, se recomienda la mezcla útil como capa de rodadura en la estructura del pavimento flexible, la cual se diseña para resistir la abrasión y desintegración por efectos ambientales. Por los ensayos realizados a las briquetas se pudo observar la reacción que tenía la mezcla asfáltica modificada por vía seca con el agua, por lo cual se sugiere que la capa de rodadura se diseñe para lugares que no tengan grandes intensidades de lluvia, conjuntamente con un análisis químico del agua que está en contacto con la capa de rodadura.

. Tabla 3.
Resume y comparación de los resultados obtenidos en el ensayo Marshall. Según la norma MOP 001-T 405.5.4.

Ensayo de módulo de rigidez

Los ensayos para el módulo de rigidez efectivo a la tracción indirecta, resultaron en un aumentó de 825,7 Mpa en la mezcla sin modificar a 1667,8 Mpa en la mezcla modificada, y la deformación horizontal se redujo de 6,26 µm a 4,67 µm. Estos valores son indicadores potenciales del agrietamiento que puede sufrir el pavimento, una deformación alta a la falla, orientan si la mezcla asfáltica puede tolerar deformaciones altas antes de fallar, lo que significa que probablemente resista más el agrietamiento que una mezcla con una deformación baja a la falla [12]. La mezcla modificada presenta mayor rigidez y menor deformación en comparación con la mezcla sin modificar.

El diseño de la mezcla asfáltica modificada mediante el método Marshall, y el posterior control de calidad realizado conforme las especificaciones técnicas correspondientes del MTOP, determinó que la calidad de ésta es satisfactoria. Los parámetros de granulometría del agregado mineral, porcentaje de vacíos, vacíos en el agregado mineral (VAM) y vacíos rellenos de asfalto (VFA) se mantienen en los rangos requeridos en las especificaciones técnicas del MTOP, por tanto, los ensayos pueden ser considerados adecuados como criterio de aceptación de la mezcla asfáltica modificada. La estabilidad y el flujo obtenido para las mezclas modificadas con escoria, presentan un incremento con relación a los valores obtenidos en briquetas sin modificar, por lo que los ensayos realizados a la mezcla sin modificar pueden considerarse como adecuados para definir la aceptación de una mezcla asfáltica. De acuerdo a este resultado, se considera la mezcla útil como capa de rodadura en la estructura del pavimento flexible, la cual se diseña para resistir la abrasión y desintegración por efectos ambientales. Este tipo de mezcla se recomienda para ser utilizada en lugares de poca precipitación, ya que solo el análisis fue por vía seca; en un futuro se pretende realizar ensayos por vía húmeda para evaluar cuál es su comportamiento.

Los autores agradecen al Ing. Jorge Bucheli del Laboratorio de Materiales de Construcción (PUCE-Quito, Ecuador) por su invaluable asistencia técnica. A planta Asfáltica Naranjo Ordoñez, Quito-Ecuador por haber proporcionado el material.