Reología y procesado de ligantes bituminosos modificados con caucho para aplicación en carreteras

Resumen

Esta tesis doctoral se centra en el estudio de la estabilización de los betunes modificados con polvo de neumáticos con diferentes aditivos reactivos y no reactivos para el desarrollo de nuevos productos bituminosos con propiedades mejoradas. En general, los betunes modificados con polvo de neumáticos presentan una inherente inestabilidad cuando se almacenan en caliente durante largos periodos de tiempo. Esta inestabilidad se debe al desequilibrio de fuerzas dada la mayor densidad de las partículas sólidas de goma dispersas en la fase bituminosa, que conducen a la separación de fases y, consecuentemente, al deterioro de las propiedades mecánicas del ligante. El principal objetivo de esta Tesis es el estudio del efecto que ejercen la formulación y las condiciones del procesado sobre el comportamiento reológico y la estabilidad al almacenamiento en caliente del betún modificado con polvo de neumáticos (betún-caucho) para, sobre esta base, diseñar ligantes con propiedades mecánicas y tecnologías adecuadas para la industria de pavimentación. Con este objetivo, las muestras de betún-caucho preparado con distintas bases bituminosas (parafínicas, asfálticas, desalfaltadas, etc) y modificadas con diferentes aditivos (ceras, polioctenameros, y copolímeros tribloque) han sido estudiadas en función de la concentración y las condiciones de procesado. Esta tesis comienza con el estudio de la influencia que ejercen los aditivos sobre las propiedades reológicas y tecnológicas del betún caucho, con objeto de mejorar la estabilidad al almacenamiento en caliente mediante interacciones físicas. Se ha estudiado el grado de modificación, medido como mejora de las propiedades mecánicas, y la estabilidad al almacenamiento producido por los aditivos usados. Los aditivos seleccionados y las condiciones de procesado impuestas no eliminan completamente los problemas asociados a la inestabilidad al almacenamiento en caliente del betún-caucho. Sin embargo, el uso de aditivos que contienen polioctenamer, ceras y SBS mejoran la estabilidad. La influencia que las variables de procesado (tales como distancia entre rotor y estator del mezclador, tiempo y temperatura) ejercen sobre las propiedades mecánicas y la estabilidad al almacenamiento del betún caucho se ha estudiado para optimizar la formulación. Todos los aditivos utilizados mejoran las propiedades del ligante. El tiempo de procesado aumenta los procesos de envejecimiento primario pero el efecto sobre la digestión del caucho prevalece durante las primeras 2-3 horas. La temperatura del procesado favorece la digestión y mejora la elasticidad del ligante. La mejora de las propiedades mecánicas y de la estabilidad al almacenamiento usando la estrategia de la modificación química ha sido estudiada por medio de la vulcanización in situ con azufre. Primeramente, se ha analizado el efecto de la vulcanización sobre las propiedades mecánicas y la estructura de diferentes betunes vírgenes modificados con bajo contenido en SBS. La vulcanización conduce a materiales más estructurados que pueden impedir o mitigar la sedimentación de las partículas de caucho. El proceso de vulcanización desarrolla estructuras y propiedades que dependen tanto de la base bituminosa como del contenido de azufre. Sobre la base de estos resultados preliminares, se ha realizado un estudio sistemático del proceso de vulcanización del betún-caucho con SBS y azufre. El betún caucho estabilizado por vulcanización muestra mejores propiedades reológicas y tecnológicas antes y después del almacenamiento en caliente. El grado de mejora depende del contenido en SBS y azufre, resultando productos betún-caucho de alto valor añadido. Finalmente, se ha evaluado la estabilización estérica de betún-caucho mediante procesos de vulcanización in situ de polímeros octenámeros en función de la concentración de reactivos. Los ligantes modificados con polímeros tipo octenámeros y curados con azufre desarrollan una estructura tridimensional, y consecuentemente, mejoran las propiedades del ligante.