Efecto de las condiciones de fabricación en las propiedades de las mezclas bituminosas recicladas

Abstract

The use of bituminous material milled from the pavement (known as Reclaimed Asphalt Pavement, or RAP) in the manufacture of recycled bituminous mixtures is growing day by day due to the economic and environmental benefits that this technique of road maintenance entails. However, there is some concern about the resulting properties of the recycled mixture considering the manufacturing conditions. One concern is the blending of the asphalt binder from the RAP (the aged asphalt binder) with the virgin asphalt binder.

The main factors that could affect the degree of mixing between the aged and virgin asphalt binders are: the production temperature, mixing time, final temperature of the mixture, origin of the RAP, the properties of the RAP, and the use of additives as rejuvenators to enhance the degree of mixing.

Therefore, this thesis aims to analyze the effect of manufacturing conditions on the volumetric and mechanical properties of recycled bituminous mixtures. This objective was pursued by establishing two stages of research. In the first stage, the conditions for manufacturing test samples consisted in varying the temperature of the aggregate and RAP, as well as varying the mixing time. The effect of the rejuvenating agent on recycled bituminous mixtures with 60% RAP was also analyzed. The second stage consisted of changing specific characteristics from the first stage, for example, changing the origin of the RAP, extending the mixing time, as well as using different materials and laboratory equipment. The first stage was carried out at the Polytechnic University of Catalonia (UPC) and the second stage was held at the University of Nottingham. An experimental program was developed that includes tests to evaluate the properties in recycled mixtures, such as: void content, tensile strength, stiffness modulus, and Fenix test. Emphasis was placed on the use of the Fenix test developed at UPC, since it has proven to be a practical and efficient method to characterize the cracking behavior of bituminous mixtures at different temperatures.

A test method has also been included to analyze the influence of the RAP mastic, the UCL (Universal Binder Characterization Method) developed at UPC and that has confirmed in different studies that it can give complementary information about the effect of the content and the temperature of the mastic on the mechanical properties of a recycled bituminous mixture.

It has been possible to conclude that recycled mixtures can achieve a performance similar to that of conventional mixtures, provided that the appropriate treatment is taken into account in the design and manufacturing process. By preheating the RAP, it is possible to more effectively spread the rejuvenating agent which will mobilize a greater quantity of the RAP asphalt binder. Extending mixing time causes the RAP agglomerations to begin to separate and, therefore, a greater amount of bitumen is mobilized. The incorporation of a rejuvenating additive produces a positive effect on the properties of the recycled mixtures since it manages to restore the properties of the aged bitumen. However, in most cases, it is sufficient to apply any condition (preheating of RAP, increasing the mixing time, overheating aggregates or the use of the rejuvenators) to improve the properties, but in some cases to apply all the conditions simultaneously a synergistic effect is produced in the properties of the mixtures, inducing a positive effect on the behavior of the recycled mixtures.

La utilización del material bituminoso fresado del pavimento (conocido como RAP) en la fabricación de mezclas bituminosas recicladas va creciendo día a día debido a los beneficios económicos y ambientales que conlleva esta técnica de conservación de carreteras. Sin embargo, existe cierta preocupación sobre las propiedades resultantes de la mezcla reciclada debido al efecto de las condiciones de fabricación de las mismas. Los principales factores que podrían afectar el grado de mezclado entre los ligantes asfálticos envejecidos y vírgenes son: la temperatura de producción, el tiempo de mezclado, la temperatura final de la mezcla, el origen del RAP, las propiedades del RAP y el uso de aditivos como rejuvenecedores para mejorar el grado de mezclado. Por ello, esta tesis pretende analizar el efecto de las condiciones de fabricación sobre las propiedades volumétricas y mecánicas de las mezclas bituminosas con RAP. Este objetivo se persiguió estableciendo dos etapas de investigación. En la primera etapa las condiciones de fabricación de probetas han consistido en variar la temperatura del árido de aportación y del RAP, así como variar el tiempo de mezclado. También se ha analizado en el efecto del agente rejuvenecedor sobre las mezclas bituminosas recicladas con 60% de RAP. La segunda etapa consistió básicamente en cambiar las características de la primera etapa, por ejemplo, cambiar el origen del RAP, extender el tiempo de mezclado, así como utilizar distintos materiales de aportación y equipos de laboratorio. La primera etapa fue llevada a cabo en la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) y la segunda etapa (estancia corta) se desarrolló en la Universidad de Nottingham. Se ha desarrollado un programa experimental que incluye ensayos para evaluar las propiedades en mezclas recicladas tales como: contenido de huecos, módulo de rigidez, tracción indirecta y el ensayo Fénix. Se hace hincapié en el uso del ensayo Fénix desarrollado en la UPC, puesto que ha demostrado ser un método práctico y eficiente para caracterizar el comportamiento a fisuración de las mezclas bituminosas a diferentes temperaturas. También se ha incluido un método de ensayo para analizar la influencia del mástico del RAP, el UCL (método Universal de Caracterización de Ligantes) desarrollado también en la UPC y que ha confirmado en diferentes estudios que puede dar información complementaria del efecto del contenido y la temperatura del mástico sobre las propiedades mecánicas de una mezcla bituminosa reciclada. Se ha podido concluir que las mezclas recicladas pueden alcanzar un desempeño similar al de las mezclas convencionales, siempre y cuando se tenga el tratamiento adecuado en el diseño y en el proceso de fabricación. Al precalentar el RAP se consigue difundir de mejor manera el ligante de aportación y también se logra movilizar una mayor cantidad del betún del RAP. Extender el tiempo de mezclado provoca que las aglomeraciones del RAP comiencen a separarse y por ende se logra movilizar una mayor cantidad de betún. La incorporación de un aditivo rejuvenecedor produce un efecto positivo en las propiedades de las mezclas recicladas puesto que éste consigue restaurar las propiedades del betún envejecido. No obstante, en la mayoría de los casos, es suficiente aplicar una u otra condición para mejorar las propiedades, pero en algunos casos aplicar todas las condiciones simultáneamente se produce un efecto sinérgico en las propiedades de las mezclas induciendo un efecto positivo en el comportamiento de las mezclas recicladas.