SCI

VI Jornadas de Pavimentos y Mantenimiento Vial

BOGOTÁ D.C. COLOMBIA, 2, 3 y 4 de noviembre de 2011

MEZCLAS ASFÁLTICAS MODIFICADAS CON GRANO DE CAUCHO DE

LLANTA (Gcr): ESTADO DEL CONOCIMIENTO Y ANÁLISIS DE

UTILIZACIÓN EN COLOMBIA

Hugo Alexander Rondón Quintana

Doctor en Ingeniería. Facultad del Medio Ambiente y Recursos Naturales, Universidad Distrital Francisco José de

Caldas. Dirección: Vía Circunvalar Venado de Oro, Bogotá D.C. (Colombia). e-mail: harondonq@udistrital.edu.co

RESUMEN

Con base en una amplia revisión bibliográfica, el presente estudio sintetiza las ventajas y

desventajas técnicas, económicas y ambientales de utilizar el grano de llanta molido como

modificador de asfaltos y/o mezclas asfálticas, haciendo énfasis en su uso en la ciudad de Bogotá

D.C. Como conclusión general se reporta que la utilización de este material de desecho como

modificador de mezclas asfálticas en Bogotá D.C. es interesante, ya que la práctica mundial ha

demostrado que este tipo de mezclas son más durables, económicas a largo plazo, y disminuyen el

impacto ambiental negativo que generan las llantas cuando se entierran en rellenos sanitarios,

almacenan o incineran a cielo abierto. Adicionalmente se enumeran algunas razones por las cuales

se justifica la utilización de este desecho como modificador de asfaltos y mezclas asfálticas.

Palabras claves: asfalto-caucho, asfalto modificado, mezcla asfáltica modificada, grano de caucho

de llanta, elastómero.

ABSTRACT

Based on an extensive literature review, this study summarizes the technical, economic and

environmental advantages and disadvantages of use crumb rubber as a modifier of bitumen and/or

asphalt mixtures, emphasizing their use in the city of Bogotá D.C. As a general conclusion is

reported that the use of this waste material as a modifier of bitumen and/or asphalt mixtures in

Bogota is interesting, because the world practice has shown that such mixtures are more durable,

long-term economic and decrease the negative environmental impact generated by the tires when

these tires are discharged in open fields or burned generating pollutants resulting from the rubber

constitution. In addition, the paper shows some reasons which justify the use of this waste as a

modifier of bitumen and asphalt mixtures.

Keywords: asphalt-rubber, modified asphalt, modified asphalt mixture, crumb rubber, elastomer.

INTRODUCCIÓN

La llanta proveniente de neumáticos usados es tal vez uno de los elementos que más se desechan en

el mundo. Aproximadamente 300 millones de llantas de neumático son desechadas anualmente en

los Estados Unidos (Zhong et al., 2002; Putman, 2005; Shen et al., 2007). De acuerdo con Botero et

al. (2005), en Puerto Rico se produce un neumático de desecho por habitante por año (1

neu/hab/año). Según Neto et al. (2003), en Brasil se producen anualmente cerca de 45 millones de

llantas, de las cuales 30 millones son desechadas. Magalhães et al. (2003) menciona que en Brasil

existen aproximadamente 900 millones de neumáticos colocados de manera inapropiada en el

medio ambiente. Para el caso de México se estima que anualmente se desechan unos 25 millones de

llantas con un peso aproximado de 250000 toneladas. Este valor equivale a un cuarto de llanta por

habitante por año.

Estos desechos generan un alto impacto ambiental (negativo) al ambiente ya que por lo general son

almacenados, incinerados al aire libre o utilizados como fuente alterna de energía en hornos

artesanales que no cuentan con la tecnología y los sistemas de filtrado apropiados para disminuir los

gases y compuestos que contaminan el aire de la atmosfera. Múltiples estudios e investigaciones se

han desarrollado en el mundo con el fin de evaluar la forma como pueden ser reutilizados estos

materiales una vez han sido usados y desechados. Algunos de los usos que se reportan son los

siguientes:

Aprovechamiento energético.

Arrecifes artificiales.

Para control de erosión o estabilización de taludes.

Plantación de árboles.

Señalizaciones.

Protección de equipos.

Paredón en polígonos de tiro.

En áreas deportivas.

Muros de contención.

Barreras en pistas de karts.

Para delimitación de casas.

Modificador de concretos hidráulicos.

Modificador de asfaltos y/o mezclas asfálticas.

En la figura 1 se presenta la forma como se distribuye el aprovechamiento de llantas usadas en la

cadena de gestíon y uso para el caso Bogotá D.C. (DAMA, 2000).

Figura 1. Distribución aprovechamiento de las llantas usadas en la cadena de gestión (% en Ton).

De todas las anteriormente mencionada, una de la más utilizadas en el mundo es la de usar el grano

de llanta de neumático molido o triturado (Gcr) para modificar las propiedades del cemento

asfáltico y/o mezclas asfálticas. La tecnología de los asfaltos y las mezclas asfálticas modificadas ha

sido una técnica ampliamente estudiada y utilizada en el mundo. Con la adición de polímeros al

asfalto se modifican las propiedades mecánicas, físicas, químicas y reológicas de las mezclas

asfálticas. Cuando se utiliza esta tecnología se pretende mejorar el comportamiento que

experimentan las mezclas tradicionales cuando son sometidas a diferentes condiciones de carga y

del medio ambiente. Por lo general las propiedades que se intentan mejorar son la rigidez, la

resistencia bajo carga monotónica, al ahuellamiento, a fatiga, al envejecimiento, y disminuir la

susceptibilidad térmica. El uso de esta tecnología es también frecuente cuando es necesario que la

superficie de la carretera posea una vida útil más larga de lo normal, o aplicaciones especializadas

mediante el cual el uso de asfaltos modificados permiten espesores más delgados de capas asfálticas

de lo que normalmente se requiere.

Cuando se utiliza esta tecnología, la mayor parte de los ligantes asfálticos que se modifican utilizan

polímeros elastoméricos. Dentro de la gama de los elastómeros, los más utilizados son el caucho

natural o látex obtenido de la Hevea (más conocida como arbol de caucho), los cauchos naturales

(SBS), cauchos sintéticos derivados del petróleo (SBR) y el caucho triturado de llanta de neumático

que en el presente documento se denominará Gcr. De todos los anteriormente mencionados aquel

que ofrece los mayores beneficios ambientales, técnicos y económicos para modificar las

propiedades de mezclas asfálticas es el Gcr. Una amplia literatura de referencia confirma la anterior

afirmación y es presentada y sintetisada en el presente artículo.

GENERALIDADES

El tamaño de las partículas de caucho proveniente de llantas usadas de neumáticos para ser utilizado

como modificador de asfalto debe ser menor a 6.3 mm. Existen en el mundo dos técnicas de

utilización del grano de llanta triturado (Gcr) para modificar las propiedades de mezclas asfálticas.

A estas técnicas de modificación se les denomina vía húmeda y seca. Por vía húmeda, el Gcr es

adicionado al asfalto a alta temperatura y luego este ligante ya modificado, es adicionado al

agregado pétreo para conformar la mezcla asfáltica (ver proceso de fabricación en la figura 2). Por

vía seca, el Gcr reemplaza parte del agregado pétreo (por lo general las fracciones más finas) y se

adiciona al mismo a alta temperatura para luego recibir el asfalto y formar la mezcla asfáltica. En

general, la literatura de referencia reporta que por vía húmeda las desventajas, entre otras, son el

mayor costo inicial de la mezcla (se requiere nuevos equipos en planta como la unidad de mezclado

y almacenamiento del asfalto-caucho, cambio de bombas y tuberías) y el aumento de la temperatura

de mezclado (se requiere energía adicional en planta durante el proceso de fabricación de la

mezcla). Por vía seca el tiempo de compactación de la mezcla es mayor y demanda mayor cantidad

de ligante asfáltico. Sin embargo, el proceso seco es más económico que el húmedo (Velar, 1997)

ya que el proceso húmedo, como ya se mencionó, requiere la instalación un tanque de

almacenamiento adicional para el aglutinante (o bitumen), una bomba que pueda manejar esta

mezcla que resulta ser más viscosa y abrasiva, e instalar además el equipo necesario para hacer la

mezcla.

De acuerdo con Lougheed y Papagiannakis (1998), el mejor comportamiento de las mezclas

asfálticas modificadas se obtiene cuando el proceso de modificación se realiza por vía húmeda. Por

medio del proceso en seco el comportamiento de las modificadas varía entre aceptable a desastroso.

La capacidad del Gcr para mejorar las propiedades de las mezclas asfálticas depende del tipo de

modificación (húmedo o seco), naturaleza, porcentaje y tamaño máximo de las partículas de caucho

y del tiempo y temperatura de mezclado entre el ligante y el Gcr (Oliver, 1981; Takallou et al.,

1986; Kaya, 1992; Neto et al., 2003).

Figura 2. Proceso de fabricación del asfalto-caucho (vía húmeda). Tomado de

http://www.rubberizedasphalt.org/how.htm.

La tecnología de modificar materiales bituminosos con caucho no es reciente. En 1840’s aparece en

Inglaterra la primera patente de un ligante asfáltico modificado con caucho natural (Allison, 1967).

Estudios sobre modificación de asfaltos con grano de llanta triturada (Gcr) han sido desarrollados

desde la década de los 50´s (Hanson et al., 1994). Sin embargo fue solo hasta la década de los 60´s

que Charles H. MacDonald descubrió con éxito una forma de incorporar el Gcr al asfalto, y a dicha

mezcla la denominó ―asfalto-caucho‖. Una descripción histórica detallada sobre el tema de asfaltos

y mezclas modificadas con Gcr puede ser consultada en Carlson y Zhu (1999). Por vía seca, el

primer desarrollo data de la década de los 60’s en Suecia y fue inicialmente denominado ―Rabit‖.

De acuerdo con IDU y Universidad de Los Andes (2002), algunos de los métodos utilizados en la

actualidad para recuperar algunos de los componentes de las llantas y destruir aquellos que son

peligrosos son:

Trituración mecánica. También denominado método de granulación a temperatura ambiente, es

un proceso puramente mecánico sin emisión alguna al medio ambiente cuya tecnología incluye

trituradoras que reducen los neumáticos a partículas muy finas que alcanzan a pasar el tamiz

No. 30 en un ensayo de granulometría por cribado. Cuenta con sistemas de separación y

clasificación que remueven los pedazos de metal y otros residuos.

Trituración criogénica. En este proceso se emplea nitrógeno líquido, por lo general para

congelar trozos de llanta con el fin de cristalizarlos y poder romperlos más fácilmente. Este

método requiere de instalaciones complejas y costosas que lo hacen poco rentable.

Adicionalmente la obtención del caucho de las llantas es complejo lo que lo hace un sistema

poco recomendable. De acuerdo con Glover et al. (2000) el proceso de trituración criogénico de

llantas es mucho menos efectivo que el caucho triturado mecánicamente.

Termólisis. Es un método que tiene como objetivo descomponer un material en distintos

componentes mediante su calentamiento.

Pirolisis. Método cuyo objetivo consisten en obtener los compuestos originales de las llantas a

través de la aplicación a las mismas, de altas temperaturas en un espacio con ausencia de

oxigeno, destruyendo los enlaces químicos de los neumáticos.

Caucho es

mezclado con el

asfalto

Camiones

distribuidores Mezcla asfáltica modificada

es almacenada en silos

Asfalto-caucho es

mezclado con agregado

Agregado es calentado en

horno

Contenedores de

agregado pétreo

Bolsas de grano de caucho Neumáticos desechados

A pesar de que se ha intentado desprestigiar la producción de asfalto-caucho afirmando que durante

su proceso de fabricación se contamina el ambiente, son diversos los estudios que confirman que las

emisiones contaminantes que se obtienen durante dicho proceso son menores a los límites

permitidos (Rinck y Napier, 1991; Gunkel, 1994; Van Kirk, 1997; IDU y Universidad de Los

Andes, 2002).

ESPECIFICACIONES COLOMBIANAS

Actualmente, Colombia cuenta con las especificaciones del Instituto Nacional de Vías – INVIAS

(2007) para la caracterización de cementos asfálticos (CA) modificados. Dentro de la clasificación

general se cuentan con cinco tipos de CA modificado (ver tabla 1). El tipo I utiliza como

modificador polímeros del tipo Etileno Vinil Acetato (EVA) o Polietileno y se recomienda su

utilización para la fabricación de mezclas drenantes. Los tipos II, III y IV utilizan copolímeros del

tipo estirénico como modificadores tales como el Estireno-Butadieno-Estireno (SBS por sus siglas

en inglés). El tipo II se recomienda para la fabricación de mezclas drenantes, discontinuas y de

concreto asfáltico. El tipo III se recomienda para la fabricación de mezclas discontinuas y de

concreto asfáltico en zonas de alta exigencia y el tipo IV para la fabricación de mezclas

antirreflectivas como las del tipo arena-asfalto. El tipo V es un CA modificado para la elaboración

de mezclas de alto módulo.

Para el caso de Bogotá D.C., la ciudad cuenta con una especificación para la ―Aplicación de Grano

de Caucho Reciclado (Gcr) en mezclas asfálticas en caliente (vía húmeda)‖ según Resolución No.

3841 del 5 de septiembre de 2011 (Instituto de Desarrollo Urbano – IDU y Alcaldía Mayor de

Bogotá D.C., 2011). En dicha especificación se describen los objetivos, alcances, tipos de

materiales, condiciones para el recibo de los trabajos, la forma de producción del asfalto-caucho y

la forma de medida y pagos entre otros aspectos. Para hacer un resumen de los aspectos más

importantes de la especificación, en las tablas 2-4 se presentan los intervalos recomendados para

realizar la modificación del cemento asfáltico con el Gcr, los requisitos mínimos de calidad que

debe cumplir el asfalto-caucho y las mezclas fabricadas con este ligante. Dichas especificaciones

son producto principalmente de estudios realizados en laboratorio y pista de prueba a escala real

(carrusel de fatiga) por el IDU y la Universidad de Los Andes (2002, 2005).

Tabla 1. Requisitos mínimos de calidad del CA modificado.

Ensayo Método Unidad Tipo I Tipo II Tipo III Tipo IV Tipo V

Mín. Máx. Mín. Máx. Mín. Máx. Mín. Máx. Mín. Máx.

Penetración (25°C, 100 g, 5 s) INV. E-706 0.1 mm 55 70 55 70 55 70 80 130 15 40

Punto de ablandamiento INV. E-712 °C 58 - 58 - 65 - 60 - 65 -

Ductilidad (25°C, 5cm/min) INV. E-702 cm - - 15 - 15 - 30 - - -

Recuperación elástica por

torsión a 25°C INV. E-727 % 15 - 40 - 70 - 70 - 15 -

Estabilidad al

almacenamiento

INV. E-726

No se exigirá este requisito cuando los elementos de transporte y almacenamiento estén

provistos de un sistema de homogeneización adecuado, aprobado por el Interventor

Diferencia en el punto de

ablandamiento INV. E-712 °C - 5 - 5 - 5 - 5 - 5

Contenido de agua INV. E-704 % - 0.2 - 0.2 - 0.2 - 0.2 - 0.2

Punto de ignición INV. E-709 °C 230 - 230 - 230 - 230 - 230 -

Residuo del ensayo de pérdida por calentamiento en película delgada en movimiento (INV E-720)

Pérdida de masa INV. E-720 % - 1 - 1 - 1 - 1 - 1

Penetración al residuo luego

de la pérdida por

calentamiento (INV. E-720)

en % de la penetración

original

INV. E-706 % 65 - 65 - 65 - 60 - 70 -

Ductilidad al residuo (25°C,

5cm/min) INV. E-702 cm - - 8 - 8 - 15 - - -

Tabla 2. Valores característicos recomendados para modificar el CA con el Gcr.

Variables Unidad Mínimo Máximo

Cantidad de Gcr % (sobre el peso del ligante) 10 20

Tiempo de reacción Mín. 55 75

Velocidad de agitación en lab. Mín. 100 750

Temperatura de mezclado °C 155 170

Tabla 3. Especificación de asfalto modificado con Gcr.

Característica Unidad Norma de ensayo Mínimo Máximo

Viscosidad Brookfield 163°C Pa-s ASTM D 4402-87 1.5 3.0

Penetración a 25°C 0.1 mm INV E-706 40 60

Punto de ablandamiento °C INV E-712 - 55

Pruebas al residuo después del RTFOT

Pérdida de masa % INV E-720 - 1

Penetración % (de la penetración

original)

INV E-706 65 -

Recuperación elástica % AASHTO T-301-95 50 -

Tabla 4. Propiedades mínimas de mezclas modificadas con asfalto-Gcr.

Ensayo Norma Valores admisibles

Marshall INV. E-748 =97%

Compacidad

Resistencia conservada tras inmersión INV. E-738 >75%

Ahuellamiento, Máx. velocidad de def. en el

intervalo de 105 a 120 min. INV. E-756

>75%

20 mm/min

Módulo a 15°C y 10 Hz INV. E-754 >4600 MPa

Fatiga, 6 (15°C, 25 Hz) NF P 989-261 1800x106

En Colombia actualmente las mezclas que pueden ser fabricadas con CA modificado con Gcr son

las siguientes:

▪ Concreto asfáltico o mezclas densa, semidensa y gruesa en caliente.

▪ Mezclas abiertas en caliente.

▪ Mezclas asfálticas drenantes.

▪ Mezclas discontinuas o microaglomerados en caliente.

VENTAJAS DE LA UTILIZACIÓN DEL ASFALTO-CAUCHO (GCR)

Entre las ventajas que se reportan en la literatura de referencia sobre la utilización del CA

modificado con caucho para la modificación de mezclas asfálticas se enuncian:

Mezclas más resistentes a los fenómenos de fatiga, ahuellamiento (Takallou et al., 1986;

McQuillen y Hicks, 1987; Takallou y Takallou, 1991; Heitzman, 1992; Raad et al., 1993; Hicks

et al., 1995; McGennis, 1995; Billiter et al., 1997; Raad y Saboundjian 1998; ARRB Transport

Research, 1999; IDU y Universidad de Los Andes, 2002; Mull et al., 2002; Way, 2003;

Soleymani et al., 2004; Shen et al., 2006; Huang et al., 2007; Xiao et al., 2007, 2009; Cao y

Bai, 2008; Khodary, 2010; Dong y Tan, 2011; Hsu et al., 2011; Punith et al., 2011). Kaya

(1992), describiendo los estudios reportados por Roberts et al. (1989), Piggott y Woodhams

(1979), Jimenez y Meier (1985), concluye que adicionando 5% de Gcr a la mezcla en peso, la

misma duplica la vida a fatiga con respecto a la convencional.

Sibal et al. (2000) modificaron mezclas asfálticas por vía seca adicionando desechos de caucho

molido (grano-caucho) de llantas de neumáticos al agregado pétreo, con el fin de evaluar su

efecto sobre la resistencia a fatiga a diferentes temperaturas. En la figura 3 se observa que dicha

adición genera mezclas mucho más resistentes al fenómeno de fatiga para cualquier

temperatura de ensayo. Conclusiones similares fueron reportadas por Elseifi et al. (2003)

modificando mezclas de concreto asfáltico con elastómero tipo SBS y por Romanoschi et al.

(2006) modificando una mezcla asfáltica fabricada con un CA (PG 70-28) modificado con

SBS.

Figura 3. Ley de fatiga para mezclas asfálticas modificadas con grano-caucho (Sibal et al., 2000).

Ruth y Roque (1995), Way (2003), Sebaaly et al. (2003) y Huang et al. (2007) demostraron que

mezclas asfálticas modificadas con caucho son más resistentes al fenómeno de ahuellamiento y

fatiga. Adicionalmente, Holleran y Van (2000) señalaron que este tipo de mezclas modificadas

disminuyen el espesor del pavimento. La figura 4 muestra los resultados de ensayar en un APA

(Asphalt Pavement Analyzer, AASHTO TP 63) la resistencia a la deformación permanente de

una mezcla asfáltica modificada con caucho molido de llanta. Se observa un incremento en la

resistencia a la deformación permanente cuando se aumenta entre 5-15% el contenido de

caucho molido a la mezcla (Shen et al., 2006). Xiao et al. (2007) utilizando el mismo rango de

adición de caucho, observaron un incremento notable de la resistencia en tracción indirecta bajo

carga monotónica y en la deformación permanente medido en un APA. Ellos reportan

adicionalmente que existe un tamaño de grano de caucho en el cual la resistencia al

ahuellamiento es óptimo (ver figura 5). Lee et al. (2007) presentan en la figura 6 el aumento en

la resistencia a la deformación que experimenta una mezcla asfáltica cuando se modifica el CA

(PG 64-22) empleando 10% y 15 % de caucho molido de llanta y otro CA (PG 76-22)

modificado con 3% de SBS.

Figura 4. Influencia del caucho molido de

llanta (Shen et al., 2006).

Figura 5. Influencia del tamaño de grano de

caucho molido de llanta (Xiao et al., 2007).

Figura 6. Influencia del caucho y el SBS (Lee et al., 2007).

Aumenta la resistencia al envejecimiento y oxidación del ligante asfáltico (Heitzman, 1992;

Liang et al., 1996; Lougheed y Papagiannakis, 1998; Cao y Bai, 2008; Huang, 2008; Xiao y

Amirkhanian, 2009; Reed, 2010; Dong y Tan, 2011; Punith et al., 2011).

Aumenta la resistencia de la mezcla al agrietamiento por bajas temperaturas (Dempster, 1978;

Ohta, 1983; McQuillen et al., 1988; Cano y Charania, 1989; Esch 1982; ARRB Transport

Research, 1999; Choubane et al. 1999; Epps, 2000; Huang et al., 2007; Cao y Bai, 2008;

Khodary, 2010).

La mezcla asfalto-caucho es más flexible a bajas temperaturas y a altas temperaturas es menos

plástica, es decir, es menos susceptible a los cambios de temperatura (ARRB Transport

Research, 1999; Roberts et al., 2002; Othman, 2006; Khodary, 2010; Shutang et al., 2010;

Dong y Tan, 2011). Un estudio realizado por el IDU y Universidad de Los Andes (2002)

concluye que el grado de desempeño (PG por sus siglas en inglés) de los CA’s colombianos de

Apiay y Barrancabermeja incrementaron desde PG 58-22 a PG 88-16 y PG 58-16 a PG 76-22

cuando se adicionó 13% y 15% de Gcr respectivamente con respecto al peso del CA.

Aumenta la resistencia a la humedad (Dong y Tan, 2011; Punith et al., 2011).

Ligante asfáltico más resistente al calor y al sobrecalentamiento debido al proceso de

vulcanización de la llanta (IDU y Universidad de Los Andes, 2002, 2005).

Aumento de la elasticidad del ligante (Gagle et al., 1973; Dempster, 1978; Oliver, 1981; Shuler

et al., 1985; King y King, 1986; Lougheed y Papagiannakis, 1998; Huang, 2008; Khodary,

2010).

Mayor resistencia al desgaste por abrasión, medido principalmente sobre mezclas porosas,

abiertas y/o drenantes (Punith et al., 2011).

Disminuye el ruido de rodadura (McQuillen et al., 1988; Rubber & Plastic News, 1998b;

Roschen, 2000; IDU y Universidad de Los Andes, 2002; Putman et al., 2005; Anderson et al.,

2008; Wang et al., 2009). La disminución promedio de ruido reportada en diversos estudios es

de aproximadamente 4 a 10 decibeles.

Mejoras las propiedades reológicas del asfalto (AI-Dubabe et al., 1998; IDU y Universidad de

Los Andes, 2002, 2005; Huang, 2008; Kumar et al., 2010; Punith et al., 2011). Estas mejoras se

traducen en un ligante asfáltico con mayor rigidez (módulo viscoelástico) y menor ángulo de

fase (comportamiento elástico).

Mezclas más durables y por lo tanto con menor necesidad de mantenimiento (Lalwani et al.,

1982; Rose y Hensley, 1991; Van Kirk, 1997; Velar, 1997; Hicks et al., 1998; Rubber & Plastic

News, 1998b; Huang et al., 2002; IDU y Universidad de Los Andes, 2002; Wang y Zeng, 2006;

Cooper et al., 2007; Lee et al., 2008). De acuerdo con IDU y Universidad de Los Andes (2005),

el empleo del Gcr incrementa la vida útil de un pavimento. Ellos reportan que para el proceso

por vía seca, en el diseño de una mezcla tipo MDC-2 (INVIAS, 2007) con una probabilidad de

falla del 50% la vida útil se incrementó en 58% para contenidos de GCR de 1%, y 232% con

2% de GCR. De acuerdo con ese mismo estudio, la vida útil que se logra en un pavimento

haciendo uso del proceso húmedo es superior a la obtenida mediante el proceso por vía seca.

Schnormeier (1992) concluye que la durabilidad del asfalto-Gcr es dos a tres veces mayor que

el convencional.

Menor espesor de capa asfáltica (Holleran y Van, 2000).

Ayuda a disminuir el impacto ambiental negativo que producen las llantas usadas (Ruth y

Roque, 1995; Carlson y Zhu, 1999; Palit et al., 2004; Huang et al., 2007; Wang et al., 2009;

Xiao y Amirkhanian, 2009).

Mejora la resistencia al deslizamiento (Dempster, 1978; McQuillen et al., 1988; Takallou and

Takallou, 1991; Hicks et al., 1995; Xiao et al., 2009).

Debido a las amplias ventajas de utilización mencionadas, este tipo de ligante asfáltico modificado

ha sido y está siendo considerablemente utilizado en el mundo para la construcción de pavimentos

asfálticos (Zhong et al., 2002; Thomson, 2004; Lee et al., 2006; Lee et al., 2007). En especial se ha

utilizado principalmente para la modificación de mezclas de concreto asfáltico y mezclas porosas, y

en los últimos años se ha venido incrementando los estudios que demuestran la utilización en

mezclas recicladas (RAP por sus siglas en inglés) (p.e., Crockford et al., 1995; NCHRP, 2001; Shen

et al., 2006; Xiao et al., 2007). Adicionalmente, estudios recientes han reportado su posible

utilización en mezclas tibias (WMA por sus siglas en inglés) (p.e, Akisetty et al., 2009). Carlson y

Zhu (1999) reportan un incremento de 0.9 millones de toneladas de mezcla asfáltica modificada con

Gcr desde 1994 hasta 1998 en los estados de Arizona, California y Florida en los Estados Unidos.

Estudios de campo que demuestran la amplia capacidad que tiene el Gcr de mejorar las propiedades

de mezclas asfálticas puede ser consultado en Shuler et al. (1985), Charania y Schnormeier (1991),

Kaya (1992), Maupin (1996), Stroup-Gardiner et al. (1996), Brown et al. (1997), Carlson y Zhu

(1999), Glover et al. (2000), IDU y Universidad de Los Andes, (2002, 2005), Cooper et al. (2007).

Estados del conocimiento sobre el tema pueden ser consultados en Heitzman (1992), Kaya (1992),

Lougheed y Papagiannakis (1998), Rondón et al. (2008).

DESVENTAJAS DE LA UTILIZACIÓN DEL ASFALTO-CAUCHO (GCR)

Las desventajas reportadas en la literatura de referencia sobre la utilización de la tecnología de

modificación del CA con Gcr son:

El incremento de la viscosidad genera un aumento en la temperatura de fabricación en planta y

extensión en obra de la mezcla asfáltica modificada lo que genera una mayor dificultad y

complejidad a la hora de construirla in situ (Oliver, 1982; Ohta, 1983; Bahía y Daves, 1994).

De acuerdo con Stroup-Gardiner et al. (1993), la viscosidad de un CA modificado con Gcr

puede ser de hasta 2.3 y 10.5 veces la alcanzada por el CA sin modificar cuando se adiciona el

Gcr al CA en una relación entre el 10 y el 20% de la masa respectivamente. Heitzman (1992)

reporta incluso que este incremento en viscosidad puede ser de hasta 100 veces cuando se

adiciona una relación entre el Gcr y CA del 21%.

En planta, la modificación del CA con el Gcr se realiza a temperaturas entre 180-200°C lo que

genera la necesidad de mayor energía para la fabricación de la mezcla (Hurley y Prowell, 2005;

Dong y Tan, 2011). Adicionalmente se requiere de equipo especial para mezclar el asfalto con

el Gcr y almacenarlo, lo que incrementa el costo inicial de la mezcla. De acuerdo con Lougheed

y Papagiannakis (1998) este incremento del costo inicial de la mezcla modificada puede oscilar

entre 40 y 80% con respecto a aquella que utiliza un ligante tradicional. Según Rubber &

Plastic News (1998b), el costo del asfalto-caucho es aproximadamente el doble del

convencional y el IDU y la Universidad de Los Andes (2002) estimaron un incremento en el

precio unitario de la mezcla convencional entre el 26% y 42% cuando se modifica la mezcla

con Gcr por vía seca. A pesar de lo anterior investigadores como Carlson y Zhu (1999) y Way

(1999) mencionan que este mayor costo inicial se ve compensado con el aumento en la

durabilidad de la mezcla cuando se modifica y en la disminución de los mantenimientos

periódicos de las mismas. IDU y Universidad de Los Andes (2002) mencionan que el costo/eje

(beneficio-costo) puede disminuirse en un 20% y 57% cuando se modifica la mezcla por vía

seca utilizando 1% y 2% de Gcr respectivamente con respecto al peso total de la mezcla. De

acuerdo con Rubber & Plastic News (1998a), desde el punto de vista económico, es más

favorable la utilización de Gcr como modificador de asfaltos, en vías importantes con altos

volúmenes de tránsito y magnitud de carga o en zonas con condiciones climáticas extremas.

La captación de aceites del asfalto por parte del caucho puede afectar las propiedades de

adherencia y cohesión.

JUSTIFICACIÓN DE UTLILIZACIÓN EN COLOMBIA DE MEZCLAS ASFÁLTICAS

MODIFICADAS CON GRANO DE CAUCHO DE LLANTA

Algunas razones por las que se justifica la utilización de la tecnología del asfalto y mezclas

asfálticas modificadas con grano de caucho de llanta en Colombia, se enumeran y describen a

continuación.

1. Las llantas de desecho constituyen un problema ambiental ya que son residuos voluminosos que

ocupan gran espacio en los rellenos sanitarios y en los basureros a cielo abierto. En época de

lluvias, las llantas se convierten en sitios de incubación de mosquitos, contaminan visualmente el

ambiente y, cuando son expuestas al aire libre, pueden incendiarse accidentalmente, emitiendo

grandes cantidades de humos tóxicos. Adicionalmente, la forma común de eliminación de las

llantas en Colombia es quemándolas a cielo abierto produciendo emisiones de gases que afectan

el sistema respiratorio, la piel, las membranas mucosas, el sistema nervioso central, y en muchas

ocasiones contienen contaminantes carcinogénicos (causan cáncer) y mutagénicos (problemas en

desarrollo de bebés).

2. De acuerdo con el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial (2010), un estudio

realizado por la Unión Temporal OCADE LTDA / SANIPLAN / AMBIENTAL S.A. concluyó

que durante el año 1999 se generaron 1.981.375 unidades de llantas usadas para la ciudad de

Bogotá. Para mediados de agosto del año del 2010 se estimó una generación de llantas usadas en

la ciudad de Bogotá D.C. de 2.642.938, es decir, un 25% más que el año 1999. Adicionalmente,

en el marco nacional se estimó para el año 2008 un consumo de 4.493.092 de llantas

discriminadas así: 1.067.072 llantas de camiones y busetas, y 3.426.020 llantas de automóviles y

camionetas. Considerando un promedio de recambio de llantas de 18 meses y pesos promedio

para carcasas usadas de 7 kg por llanta para auto, de 15 kg para camioneta y de 50 kg para

camión, la generación de residuos de llantas de automóvil, camioneta, camión y buseta se estima

en 61.000 toneladas al año.

3. Un cálculo aproximado de consumo de llanta para modificar un carril de un km de vía de 3.5 m

de ancho y entre 3 y 33 cm de mezcla asfáltica modificada es de 2 y 27 toneladas

respectivamente. De acuerdo con Botero et al. (2005), el consumo se estima en unos 1553

neumáticos por kilómetro-carril para una capa de 5.08 cm de espesor de mezcla modificada con

asfalto-caucho. Rubber & Plastic News (1998b) reportan un promedio de utilización de llantas

de 13.6 toneladas para un km de vía pavimentada con mezcla modificada con Gcr.

4. De acuerdo con IDU y Universidad de Los Andes (2002) el costo/eje (beneficio-costo) puede

disminuirse en un 20% y 57% cuando se modifica la mezcla por vía seca utilizando 1% y 2% de

Gcr respectivamente con respecto al peso total de la mezcla. Las mezclas modificadas con

asfalto-Gcr son más durables y por lo tanto con menor necesidad de mantenimiento (Lalwani et

al., 1982; Rose y Hensley, 1991; Van Kirk, 1997; Velar, 1997; Hicks et al., 1998; Rubber &

Plastic News, 1998b; Way, 1999; Huang et al., 2002; IDU y Universidad de Los Andes, 2002;

Wang y Zeng, 2006; Cooper et al., 2007; Lee et al., 2008) (ver ejemplo en la figura 7).

Figura 7. Costo de mantenimiento de vías pavimentadas con mezclas convencionales y

modificadas con asfalto-Gcr en Arizona (USA). Way (1999).

Hicks et al. (1998) hicieron un análisis de costos del ciclo de vida de mezclas asfálticas

modificadas con Gcr en un período de estudio de 40 años. Reportan como resultado que este tipo

de mezclas modificadas presentan mayores beneficios económicos respecto a las convencionales

(sin modificar) (ver tabla 5).

Tabla 5. Análisis costo del ciclo de vida de mezclas asfálticas con y sin modificación con Gcr

(extraída de Botero et al., 2005).

5. La tecnología de utilización de Gcr para modificar y mejorar las propiedades de mezclas

asfálticas en caliente ha sido utilizada con éxito ampliamente en países desarrollados. Se cuenta

entonces con la experiencia, estudios y especificaciones internacionales que regulan el proceso

de gestión, aprovechamiento y producción de este tipo de residuo para la modificación de

mezclas asfálticas.

6. Colombia presenta especificaciones técnicas de construcción y de materiales que reportan los

requisitos mínimos de calidad que deben cumplir los cementos asfálticos modificados con

polímeros del tipo elastómero y plastómero. Dentro de la especificación aparece como uno de los

modificadores el caucho Gcr. Bogotá D.C., presenta una especificación propia para reglamentar

la utilización de asfaltos y mezclas asfálticas en caliente modificadas por vía húmeda con el Gcr.

7. La introducción en Bogotá D.C., del Sistema Integrado de Transporte Público mejorará (SITP) la

movilidad vehicular por las vías de la ciudad ya que se disminuirá el número de vehículos de

servicio de transporte público. Sin embargo, los nuevos vehículos pasarán por las vías más

cargados, por el carril derecho y a menor velocidad generando mayor agresividad y deterioro de

las estructuras de pavimento (Rondón, 2011). Lo anterior conduce a la necesidad de construir

estructuras de pavimentos con materiales más durables y resistentes a cargas cíclicas y

monotónicas.

8. La mayor parte de las estructuras que se diseñan y construyen en Colombia son flexibles. De

acuerdo con ASOPAC (Asociación de Productores y Pavimentadores Asfálticos de Colombia,

2004), más del 90% de las vías en el mundo y más del 65% de las vías en Bogotá D.C. están

construidas en pavimento asfáltico.

9. De acuerdo con el Ministerio de Transporte - MINTRANSPORTE (2008), La red de carreteras

del país, está constituida por aproximadamente 164 mil kilómetros, distribuida en 16.776 de red

primaria a cargo de la nación, de los cuales son 13.296 km a cargo del Instituto Nacional de

Vías y 3.380 km concesionados; 147.500 km entre red secundaria y terciaria repartidos así:

72.761 km a cargo de los departamentos, 34.918 a cargo de los municipios, 27.577 del Instituto

Nacional de Vías, y 12.251 km de los privados. El INVIAS, actualiza permanentemente el estado

de la red vial a su cargo, clasificándola en vías pavimentadas y no pavimentadas. A julio de

2009 el estado de la red vial nacional a cargo del INVIAS se presenta en la tabla 6.

En la tabla 6 se observa que gran parte de la malla vial pavimentada y en afirmado a cargo del

INVIAS se encuentra en mal y regular estado (45.33% y 87.6% respectivamente). A lo anterior

se debe sumar que del total de la red vial nacional a cargo del INVIAS (13579.24 km), el 23.5%

(3188.98 km) aún no ha sido pavimentado, y de acuerdo al MINTRANSPORTE (2008), la red

secundaria y terciaria presenta un estado crítico y paulatinamente ha venido deteriorándose por

la carencia de mantenimiento debido los bajos recursos de que disponen los departamentos y la

Nación para inversión en infraestructura vial.

Tabla 6. Estado de la red vial nacional RED PAVIMENTADA

ESTADO MB B R M MM

Longitud [km] 0.0 5.680,15 3.059,33 1.650,17 0.0

Porcentaje [%] 0.0 54.67 29.45 15.88 0.0

RED AFIRMADA

ESTADO MB B R M MM

Longitud [km] 0.0 395,43 1.483,4 1.310,15 0.0

Porcentaje [%] 0.0 12.4 46.5 41.1 0.0

RED TOTAL

ESTADO MB B R M MM

Longitud [km] 0.0 6.075,58 4.543,33 2.960,32 0.0

Porcentaje [%] 0.0 44.7 33.5 21.8 0.0

MB: muy buena; B: buena; R: regular; M: mal; MM: muy mal.

10. De acuerdo con el Instituto de Desarrollo Urbano - IDU (2009), la malla vial a diciembre de

2009 en la ciudad de Bogotá D.C., alcanza 15657.3 km-carril de los cuales el 94.53%

corresponden al Subsistema Vial (malla vial arterial con una composición del 19%, intermedia

con 28% y local con 53%) y el porcentaje restante (5.47%) al Subsistema de Transporte

(troncales de Transmilenio). Del Subsistema Vial en estado malo y regular se encuentran el

63.2% de las vías (malo 40.3% y regular 22.9%).

11. En Colombia, la tendencia del parque automotor en los últimos 30 años ha sido incrementar en

número y magnitud de cargas. El promedio de crecimiento anual del tránsito en los últimos

años y la tasa anual promedio de crecimiento de la capacidad instalada de carga de acuerdo con

MINTRANSPORTE (2004, 2006) ha sido del 4.6% y 5.08% respectivamente. Lo anterior

genera en las capas del pavimento, mayores magnitudes de esfuerzo y deformación. Estos

mayores niveles de carga deben ser contrarrestados con materiales que presenten mejores

comportamientos que los tradicionales.

12. El problema anterior se agrava porque los pesos máximos de carga permitidos en las carreteras

colombianas son excedidos en muchas ocasiones, como se observa en las tablas 7 y 8.

13. La máxima velocidad de circulación por vías nacionales de 120 km/h establecida en la ley 1383

de 2010 disminuyó a 100 km/h debido a los efectos invernales ocurridos entre el año 2010 y el

2011, al mal estado de las vías, obras de drenaje y estructuras de contención de laderas.

14. En Colombia la movilización de carga por las vías nacionales (uno de los indicadores más

importantes que muestra el crecimiento de la economía de un país), expresada en miles de

toneladas, creció entre 1991 y el año 2003 en 42107 (MINTRANSPORTE, 2005). La tasa de

crecimiento anual de movilización de productos del sector agrícola, manufacturero, minero y

pecuario crecieron en 5.47%, 14.82%, 19.11% y 4.88% respectivamente. Entre el año 2003 al

2009 la carga movilizada por carretera creció, en miles de toneladas, desde 73034 hasta 177057

(MINTRANSPORTE, 2010).

Tabla 7. Peso máximo permitido, porcentaje de excedidos y peso máximo registrado de camiones

tipo C2 en cinco vías colombianas (Mintransporte et al., 2003)

Camión C2 Bogotá -

Girardot

Ibagué -

Cali

Buga -

Buenaventura

Medellín -

La Pintada

Santamaría -

Bosconia

Muestra eje sencillo,

llanta sencilla 3380 1035 2014 2615 999

Mayores al permitido

(6 ton.) 8 4 3 25 5

% de excedidos 0.2 0.4 0.2 1.0 0.5

Muestra eje sencillo,

llanta doble 3380 1035 2014 2615 999

Mayores al permitido

(11 ton.) 1025 368 651 747 542

% de excedidos 30.3 35.6 32.3 28.6 54.3

Tabla 8. Peso máximo permitido, porcentaje de excedidos y peso máximo registrado de camiones

tipo C3 en cinco vías colombianas (Mintransporte et al., 2003)

Camión C3 Bogotá-

Girardot

Ibagué-

Cali

Buga -

Buenaventura

Medellín -

La Pintada

Santamaría-

Bosconia

Muestra eje sencillo,

llanta sencilla 934 586 795 678 355

Mayores al permitido

(6 ton.) 123 116 132 - 82

% de excedidos 13.2 19.8 16.6 - 23.1

Muestra eje tándem,

llanta doble 934 586 795 678 355

Mayores al permitido

(22 ton.) 138 246 88 142 104

% de excedidos 14.8 42.0 11.1 20.9 29.3

15. De acuerdo con MINTRANSPORTE (2005), ―Durante los últimos años no se han realizado

inversiones en la expansión de la red rural debido a que la prioridad ha sido mantener,

conservar y mejorar lo existente antes de abrir nuevas vías…‖.

16. Entre el año 1996 al 2004 la red vial de carreteras se desmejoró notablemente debido a una

reducción presupuestal de 1.437.288 millones de pesos MINTRANSPORTE (2005).

17. De acuerdo con el Banco Mundial (2004), Colombia es uno de los países del mundo con mayor

atraso en infraestructura vial. Entre las causas de la crisis vial se identifican entre otras: falta de

recursos, demoras excesivas en la terminación de contratos, topografía adversa, planeación

equívoca, corrupción, falencias en la interventoría, deficiencia de materiales para construcción

de pavimentos, continuo aumento de los límites legales de carga, inexistencia de apoyo por parte

de la administración vial a la investigación y al desarrollo tecnológico.

18. Según Sabogal (2001), la densidad de carreteras pavimentadas en Colombia con 0.013 km/km2

es una de las más bajas de América, la longitud de carreteras de 4 o más carriles (270 km) es

la menor entre países de similares niveles de tránsito y desarrollo económico, la baja densidad

de longitud de carreteras pavimentadas por cada mil habitantes (0.34 km) coloca a Colombia

en uno de los últimos lugares del continente, la tasa de mortalidad en accidentes de tránsito

(152 por cada millón de habitantes) indica la escasa seguridad en las vías del país, los límites

legales de carga por eje y total vehicular son los más altos del continente y se encuentran entre

los más generosos del mundo, y las tendencias hacia las sobrecargas por parte de los

transportadores son altas, en general cercanas a 30% cuando no hay operativos de control.

19. Colombia cuenta con normatividad ambiental que fomenta el reciclaje de las llantas para su

posterior reutilización. La Resolución 1457 del 29 de julio del 2010, expedida por el Ministerio

de Medio Ambiente Vivienda y Desarrollo Territorial, regula y establece el Sistema de

Recolección Selectiva y Gestión Ambiental de llantas usadas.

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