Hormigón asfáltico

El hormigón asfáltico (comúnmente llamado asfalto , ^[1] asfalto o pavimento en América del Norte, y asfalto o macadán bituminoso en el Reino Unido y la República de Irlanda) es un material compuesto comúnmente utilizado para pavimentar carreteras , estacionamientos , aeropuertos y el núcleo de diques de contención . ^[2] Las mezclas de asfalto se han utilizado en la construcción de pavimentos desde principios del siglo XX. ^[3] Consiste en agregado mineral unido con betún (una sustancia también conocida independientemente como asfalto), colocado en capas y compactado.

El proceso fue refinado y mejorado por el inventor belga-estadounidense Edward De Smedt . ^[4] Edgar Purnell Hooley mejoró aún más el proceso en el Reino Unido, donde se acuñó el término tar macadam, abreviado como tarmac, en honor al nombre de su empresa Tar Macadam (Purnell Hooley's Patent) Syndicate Limited, derivado de la combinación de mezclas compuestas de alquitrán y grava de macadán. ^[5]

Los términos hormigón asfáltico (o asfáltico ) , hormigón asfáltico bituminoso y mezcla bituminosa se utilizan normalmente solo en documentos de ingeniería y construcción, que definen el hormigón como cualquier material compuesto formado por agregados minerales adheridos con un aglutinante. La abreviatura AC se utiliza a veces para el hormigón asfáltico , pero también puede indicar contenido de asfalto o cemento asfáltico , haciendo referencia a la parte de asfalto líquido del material compuesto.

La mezcla de asfalto y agregado se logra de varias maneras: ^[6]

Hormigón asfáltico mezclado en caliente (comúnmente abreviado como HMA)

Esto se produce calentando el aglutinante asfáltico para disminuir su viscosidad y secando el agregado para eliminar la humedad antes de mezclarlo. La mezcla se realiza generalmente con el agregado a aproximadamente 150 °C (300 °F) para asfalto virgen y 170 °C (330 °F) para asfalto modificado con polímeros, y el cemento asfáltico a 93 °C (200 °F). La pavimentación y compactación deben realizarse mientras el asfalto esté suficientemente caliente. En muchos lugares, la pavimentación está restringida a los meses de verano porque en invierno la base enfriará el asfalto demasiado rápido antes de que pueda compactarse a la densidad requerida. HMA es la forma de hormigón asfáltico que se usa más comúnmente en pavimentos de alto tráfico, como los de las principales autopistas , pistas de carreras y aeródromos . También se usa como revestimiento ambiental para vertederos, embalses y estanques de criaderos de peces. ^[7]

Hormigón asfáltico mezclado en caliente (comúnmente abreviado como WMA)

Esto se produce añadiendo zeolitas , ceras , emulsiones asfálticas o, a veces, agua al aglutinante asfáltico antes de mezclarlo. Esto permite temperaturas de mezcla y colocación significativamente más bajas y da como resultado un menor consumo de combustibles fósiles , liberando así menos dióxido de carbono , aerosoles y vapores. Esto mejora las condiciones de trabajo y reduce la temperatura de colocación, lo que conduce a una disponibilidad más rápida de la superficie para su uso, lo que es importante para los sitios de construcción con cronogramas de tiempo críticos. El uso de estos aditivos en asfalto mezclado en caliente (arriba) puede permitir una compactación más fácil y permitir la pavimentación en climas fríos o transportes más largos. El uso de mezcla tibia se está expandiendo rápidamente. Una encuesta de productores de asfalto de EE. UU. encontró que casi el 25% del asfalto producido en 2012 era mezcla tibia, un aumento del 416% desde 2009. ^[8] Se pueden desarrollar pavimentos de carreteras más limpios combinando WMA y reciclaje de materiales. La tecnología de asfalto mezclado en caliente (WMA) tiene beneficios ambientales, de producción y económicos. ^[9]

Hormigón asfáltico mezclado en frío

Esto se produce emulsionando el asfalto en agua con un agente emulsionante antes de mezclarlo con el agregado. Mientras está en su estado emulsionado, el asfalto es menos viscoso y la mezcla es fácil de trabajar y compactar. La emulsión se romperá después de que se evapore suficiente agua y la mezcla fría, idealmente, adquirirá las propiedades de un pavimento HMA. La mezcla fría se usa comúnmente como material de parcheo y en caminos de servicio con menos tráfico.

Hormigón asfáltico rebajado

Es una forma de asfalto mezclado en frío que se produce disolviendo el aglutinante en queroseno u otra fracción más ligera de petróleo antes de mezclarlo con el agregado. Mientras está en su estado disuelto, el asfalto es menos viscoso y la mezcla es fácil de trabajar y compactar. Una vez que se coloca la mezcla, la fracción más ligera se evapora. Debido a las preocupaciones por la contaminación de los compuestos orgánicos volátiles en la fracción más ligera, el asfalto diluido ha sido reemplazado en gran medida por la emulsión asfáltica. ^[10]

Hormigón asfáltico masilla o asfalto en láminas

Esto se produce calentando betún soplado de grado duro (es decir, parcialmente oxidado) en un horno verde (mezclador) hasta que se convierte en un líquido viscoso, después de lo cual se agrega la mezcla de agregados.

La mezcla de agregado de betún se cuece (madura) durante aproximadamente 6 a 8 horas y, una vez que está lista, la mezcladora de asfalto masilla se transporta al lugar de trabajo, donde los trabajadores experimentados vacían la mezcladora y, a máquina o a mano, colocan el contenido de asfalto masilla sobre la carretera. El hormigón asfáltico masilla generalmente se coloca con un espesor de alrededor de 20 a 30 milímetros ( 13 ⁄ 16 – 1+3 ⁄ 16  pulgadas) para aplicaciones en senderos y carreteras y alrededor de10 milímetros ( 3 ⁄ 8  pulgadas) para aplicaciones en pisos o techos.

Hormigón asfáltico de alto módulo, a veces denominado por el acrónimo francés EMÉ (enrobé à module élevé)

Se utiliza una formulación bituminosa muy dura (penetración 10/20), en ocasiones modificada, en proporciones cercanas al 6% en peso de los áridos, así como una elevada proporción de polvo mineral (entre el 8-10%) para crear una capa de hormigón asfáltico con un elevado módulo de elasticidad (del orden de 13000  MPa). Esto permite reducir el espesor de la capa base hasta un 25% (en función de la temperatura) con respecto al betún convencional, ^[11] ofreciendo al mismo tiempo unas resistencias a la fatiga muy elevadas. ^[12] Las capas asfálticas de alto módulo se utilizan tanto en operaciones de refuerzo como en la construcción de nuevas armaduras para tráfico medio y pesado. En las capas base, suelen presentar una mayor capacidad de absorción de tensiones y, en general, una mejor resistencia a la fatiga. ^[13]

Además del asfalto y el agregado, se pueden agregar aditivos, como polímeros y agentes antidesgaste ^{[ aclaración necesaria ]} , para mejorar las propiedades del producto final.

Las áreas pavimentadas con hormigón asfáltico, especialmente las plataformas de los aeropuertos , han sido llamadas en ocasiones "la pista", a pesar de no estar construidas utilizando el proceso tarmacadam . ^[14]

Se han desarrollado diversas mezclas especiales de concreto asfáltico para satisfacer necesidades específicas, como el asfalto de matriz de piedra , que está diseñado para garantizar una superficie de desgaste resistente, o pavimentos asfálticos porosos , que son permeables y permiten que el agua drene a través del pavimento para controlar las aguas pluviales.

Los distintos tipos de hormigón asfáltico tienen diferentes características de rendimiento en las carreteras en términos de durabilidad de la superficie, desgaste de los neumáticos, eficiencia de frenado y ruido de la calzada . En principio, la determinación de las características de rendimiento adecuadas del asfalto debe tener en cuenta el volumen de tráfico en cada categoría de vehículo y los requisitos de rendimiento de la capa de fricción. En general, la viscosidad del asfalto le permite formar cómodamente una superficie convexa y un vértice central en las calles y carreteras para drenar el agua hacia los bordes. Sin embargo, esto no es en sí mismo una ventaja sobre el hormigón, que tiene varios grados de viscosidad y se puede formar en una superficie de carretera convexa. Más bien, es la economía del hormigón asfáltico lo que hace que se utilice con más frecuencia. El hormigón se encuentra en las carreteras interestatales donde el mantenimiento es muy crucial.

El hormigón asfáltico genera menos ruido en la calzada que una superficie de hormigón de cemento Portland y, por lo general, es menos ruidoso que las superficies selladas con gravilla . ^{[15] [16]} Debido a que el ruido de los neumáticos se genera a través de la conversión de energía cinética en ondas sonoras , se produce más ruido a medida que aumenta la velocidad de un vehículo. La idea de que el diseño de carreteras podría tener en cuenta consideraciones de ingeniería acústica, incluida la selección del tipo de pavimento de la superficie, surgió a principios de la década de 1970. ^{[15] [16]}

En lo que respecta al rendimiento estructural, el comportamiento del asfalto depende de diversos factores, entre ellos el material, la carga y las condiciones ambientales. Además, el rendimiento del pavimento varía con el tiempo. Por lo tanto, el comportamiento a largo plazo del pavimento asfáltico es diferente de su rendimiento a corto plazo. El LTPP es un programa de investigación de la FHWA , que se centra específicamente en el comportamiento del pavimento a largo plazo. ^{[17] [18]}

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El deterioro del asfalto puede incluir grietas de cocodrilo , baches , desprendimientos, desmoronamientos ^{[ aclaración necesaria ]} , sangrado , formación de surcos , empujones, desprendimientos ^{[ aclaración necesaria ]} y depresiones en la pendiente. En climas fríos, las heladas pueden agrietar el asfalto incluso en un invierno. Rellenar las grietas con betún es una solución temporal, pero solo una compactación y un drenaje adecuados pueden ralentizar este proceso.

Los factores que provocan el deterioro del hormigón asfáltico con el tiempo se dividen principalmente en tres categorías: calidad de la construcción, consideraciones ambientales y cargas de tráfico. A menudo, los daños son resultado de combinaciones de factores de las tres categorías.

La calidad de la construcción es fundamental para el rendimiento del pavimento. Esto incluye la construcción de zanjas de servicios y accesorios que se colocan en el pavimento después de la construcción. La falta de compactación en la superficie del asfalto, especialmente en la junta longitudinal, puede reducir la vida útil de un pavimento entre un 30 y un 40 %. Se ha dicho que las zanjas de servicio en los pavimentos después de la construcción reducen la vida útil del pavimento en un 50 %, ^[19] principalmente debido a la falta de compactación en la zanja y también a la intrusión de agua a través de juntas selladas incorrectamente.

Los factores ambientales incluyen el calor y el frío, la presencia de agua en la subbase o el suelo del subsuelo debajo del pavimento y los levantamientos por congelación.

Las altas temperaturas ablandan el asfalto, lo que permite que las cargas pesadas de los neumáticos deformen el pavimento y formen surcos. Paradójicamente, el calor elevado y la luz solar intensa también provocan que el asfalto se oxide, volviéndose más rígido y menos resistente, lo que conduce a la formación de grietas. Las temperaturas frías pueden provocar grietas a medida que el asfalto se contrae. El asfalto frío también es menos resistente y más vulnerable al agrietamiento.

El agua atrapada debajo del pavimento ablanda la subbase y el subsuelo, lo que hace que la carretera sea más vulnerable a las cargas del tráfico. El agua debajo de la carretera se congela y se expande cuando hace frío, lo que provoca grietas y las agranda. En el deshielo primaveral, el suelo se descongela de arriba hacia abajo, por lo que el agua queda atrapada entre el pavimento de arriba y el suelo aún congelado de abajo. Esta capa de suelo saturado proporciona poco soporte a la carretera de arriba, lo que conduce a la formación de baches. Esto es más problemático para los suelos limosos o arcillosos que para los suelos arenosos o con grava. Algunas jurisdicciones aprueban leyes contra las heladas para reducir el peso permitido de los camiones durante la temporada de deshielo primaveral y proteger sus carreteras.

El daño que causa un vehículo es aproximadamente proporcional a la carga del eje elevada a la cuarta potencia, por lo que duplicar el peso que soporta un eje en realidad causa 16 veces más daño. ^[20] Las ruedas hacen que la carretera se flexione ligeramente, lo que resulta en grietas por fatiga , que a menudo conducen a grietas de cocodrilo. La velocidad del vehículo también juega un papel. Los vehículos que se mueven lentamente estresan la carretera durante un período de tiempo más largo, lo que aumenta los surcos, las grietas y las ondulaciones en el pavimento de asfalto.

Otras causas de daños incluyen daños por calor debido a incendios de vehículos o acción de solventes por derrames de productos químicos.

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La vida de una carretera se puede prolongar mediante buenas prácticas de diseño, construcción y mantenimiento. Durante el diseño, los ingenieros miden el tráfico en una carretera, prestando especial atención a la cantidad y tipos de camiones. También evalúan el subsuelo para ver cuánta carga puede soportar. Los espesores del pavimento y la subbase están diseñados para soportar las cargas de las ruedas. A veces, se utilizan geomallas para reforzar la subbase y fortalecer aún más las carreteras. El drenaje, incluidas las zanjas , los desagües pluviales y los desagües subterráneos, se utilizan para eliminar el agua de la plataforma de la carretera, evitando que debilite la subbase y el subsuelo. ^[21]

El sellado del asfalto es una medida de mantenimiento que ayuda a mantener el agua y los productos derivados del petróleo fuera del pavimento.

El mantenimiento y la limpieza de las cunetas y los desagües pluviales prolongará la vida útil de la carretera a bajo costo. Sellar pequeñas grietas con sellador bituminoso para grietas evita que el agua agrande las grietas debido a la erosión por las heladas o que se filtre hasta la subbase y la ablande.

En el caso de carreteras con un estado algo más deteriorado, se puede aplicar un sellador de grietas o un tratamiento superficial similar. A medida que aumenta la cantidad, el ancho y la longitud de las grietas, se necesitan reparaciones más intensivas. En orden de aumento general del costo, estas incluyen capas de asfalto delgadas, capas de asfalto de varias capas, pulido de la capa superior y capas de asfalto superpuestas, reciclado en el lugar o reconstrucción total de la calzada.

Es mucho menos costoso mantener una carretera en buenas condiciones que repararla una vez que se ha deteriorado. Por eso, algunos organismos dan prioridad al mantenimiento preventivo de las carreteras en buenas condiciones, en lugar de reconstruir las carreteras en mal estado. Las carreteras en mal estado se mejoran en la medida en que lo permiten los recursos y el presupuesto. En términos de costo de vida útil y condiciones del pavimento a largo plazo, esto dará como resultado un mejor rendimiento del sistema. Los organismos que se concentran en restaurar sus carreteras en mal estado a menudo descubren que, cuando las han reparado todas, las carreteras que estaban en buenas condiciones se han deteriorado. ^[22]

Algunas agencias utilizan un sistema de gestión de pavimento para ayudar a priorizar el mantenimiento y las reparaciones.

El hormigón asfáltico es un material reciclable que se puede recuperar y reutilizar tanto en el lugar como en las plantas de asfalto . ^[23] El componente reciclado más común en el hormigón asfáltico es el pavimento asfáltico recuperado (RAP). El RAP se recicla a un ritmo mayor que cualquier otro material en los Estados Unidos. ^[24] Muchas tejas para techos también contienen asfalto, y las mezclas de hormigón asfáltico pueden contener tejas asfálticas recuperadas (RAS). Las investigaciones han demostrado que el RAP y el RAS pueden reemplazar la necesidad de hasta el 100% del agregado virgen y el aglutinante asfáltico en una mezcla, ^[25] pero este porcentaje suele ser menor debido a los requisitos reglamentarios y las preocupaciones sobre el rendimiento. En 2019, las nuevas mezclas de pavimento asfáltico producidas en los Estados Unidos contenían, en promedio, un 21,1% de RAP y un 0,2% de RAS. ^[24]

Los componentes de asfalto reciclado pueden recuperarse y transportarse a una planta de asfalto para su procesamiento y uso en nuevos pavimentos, o bien todo el proceso de reciclaje puede realizarse en el lugar. ^[23] Si bien el reciclaje en el lugar generalmente ocurre en las carreteras y es específico del RAP, el reciclaje en plantas de asfalto puede utilizar RAP, RAS o ambos. En 2019, se estima que las plantas de asfalto de los Estados Unidos aceptaron 97,0 millones de toneladas de RAP y 1,1 millones de toneladas de RAS. ^[24]

Las plantas suelen recibir el RAP después de fresarlo en el lugar, pero los pavimentos también pueden arrancarse en secciones más grandes y triturarse en la planta. Los residuos de molienda de RAP suelen almacenarse en las plantas antes de incorporarlos a las nuevas mezclas de asfalto. Antes de mezclarlos, los residuos de molienda almacenados pueden secarse y los que se hayan aglomerado durante el almacenamiento pueden tener que triturarse. ^[23]

Las plantas de asfalto pueden recibir el RAS como residuo posfabricación directamente de las fábricas de tejas, o pueden recibirlo como residuo posconsumo al final de su vida útil. ^[24] El procesamiento del RAS incluye la molienda de las tejas y el tamizado de los residuos para eliminar las partículas de gran tamaño. Los residuos también pueden tamizarse con un tamiz magnético para eliminar los clavos y otros residuos metálicos. Luego, el RAS molido se seca y se puede extraer el aglutinante de cemento asfáltico. ^[26] Para obtener más información sobre el procesamiento, el rendimiento y las preocupaciones de salud y seguridad asociadas con el RAS, consulte Tejas asfálticas .

Los métodos de reciclaje in situ permiten rehabilitar las carreteras recuperando el pavimento existente, mezclándolo y repavimentándolo en el lugar. Las técnicas de reciclaje in situ incluyen la trituración , el reciclaje in situ en caliente, el reciclaje in situ en frío y la recuperación en profundidad total . ^{[23] [27]} Para obtener más información sobre los métodos in situ, consulte Superficie de la carretera .

Durante su vida útil, el aglutinante de cemento asfáltico, que constituye alrededor del 5-6% de una mezcla típica de hormigón asfáltico, ^[28] se endurece naturalmente y se vuelve más rígido. ^{[29] [30] [23]} Este proceso de envejecimiento ocurre principalmente debido a la oxidación, evaporación, exudación y endurecimiento físico. ^[23] Por esta razón, las mezclas de asfalto que contienen RAP y RAS son propensas a exhibir menor trabajabilidad y mayor susceptibilidad al agrietamiento por fatiga. ^{[25] [26]} Estos problemas se pueden evitar si los componentes reciclados se dosifican correctamente en la mezcla. ^{[29] [25]} Practicar un almacenamiento y manipulación adecuados, como mantener las reservas de RAP fuera de áreas húmedas o de la luz solar directa, también es importante para evitar problemas de calidad. ^{[25] [23]} El proceso de envejecimiento del aglutinante también puede producir algunos atributos beneficiosos, como contribuir a niveles más altos de resistencia a la formación de surcos en asfaltos que contienen RAP y RAS. ^{[30] [31]}

Un enfoque para equilibrar los aspectos de rendimiento del RAP y el RAS es combinar los componentes reciclados con agregado virgen y ligante asfáltico virgen. Este enfoque puede ser eficaz cuando el contenido reciclado en la mezcla es relativamente bajo, ^[29] y tiene una tendencia a funcionar de manera más eficaz con ligantes vírgenes blandos. ^[30] Un estudio de 2020 encontró que la adición de un 5% de RAS a una mezcla con un ligante virgen blando de baja calidad aumentó significativamente la resistencia a la formación de surcos de la mezcla al tiempo que mantenía una resistencia adecuada al agrietamiento por fatiga. ^[31]

En mezclas con mayor contenido reciclado, la adición de ligante virgen se vuelve menos efectiva y se pueden utilizar rejuvenecedores. ^[29] Los rejuvenecedores son aditivos que restauran las propiedades físicas y químicas del ligante envejecido. ^[30] Cuando se utilizan métodos de mezcla convencionales en plantas de asfalto, el límite superior para el contenido de RAP antes de que se vuelvan necesarios los rejuvenecedores se ha estimado en 50%. ^[25] La investigación ha demostrado que el uso de rejuvenecedores en dosis óptimas puede permitir que las mezclas con componentes 100% reciclados cumplan con los requisitos de rendimiento del hormigón asfáltico convencional. ^{[25] [29]}

Además de RAP y RAS, se puede reutilizar una variedad de materiales de desecho en lugar de agregado virgen o como rejuvenecedores. Se ha demostrado que el caucho granulado, generado a partir de neumáticos reciclados, mejora la resistencia a la fatiga y la resistencia a la flexión de las mezclas de asfalto que contienen RAP. ^{[32] [33]} En California, los mandatos legislativos requieren que el Departamento de Transporte incorpore caucho granulado en los materiales de pavimentación asfáltica. ^[34] Otros materiales reciclados que se incluyen activamente en las mezclas de hormigón asfáltico en los Estados Unidos incluyen escoria de acero, escoria de alto horno y fibras de celulosa. ^[24]

Se han llevado a cabo más investigaciones para descubrir nuevas formas de desechos que se puedan reciclar en mezclas de asfalto. Un estudio de 2020 realizado en Melbourne, Australia, presentó una variedad de estrategias para incorporar materiales de desecho en el hormigón asfáltico. Las estrategias presentadas en el estudio incluyen el uso de plásticos, en particular polietileno de alta densidad, en aglutinantes asfálticos, y el uso de desechos de canteras de vidrio, ladrillo, cerámica y mármol en lugar de agregados tradicionales. ^[35]

Los rejuvenecedores también pueden producirse a partir de materiales reciclados, incluidos aceite de motor usado, aceite vegetal usado y grasa vegetal usada. ^[29]

Recientemente, las máscaras faciales desechadas se han incorporado a la masilla de piedra. ^[36]

• Solera flotante libre  : parte de una pavimentadora que extiende y alisa el material de pavimentación.
• Ingeniería de pavimentos
• Método de estabilidad de Marshall
• Pavimentadora  : equipo de construcción utilizado para colocar asfalto.
• Armadura de plástico  : armadura de barco de agregado de piedra de la Segunda Guerra Mundial británica
• Superficie de la carretera  : Carretera cubierta con material de superficie duradero.
• Capa de sellado
• Asfalto estampado  – Acabado decorativo sobre hormigón asfáltico

^[1]