Revista Industrial Data 22(1): 23-38 (2019)
ISSN: 1560-9146 (Impreso) / ISSN: 1810-9993 (Electrónico
DOI: http://dx.doi.org/10.15381/idata.v22i1.16523
Facultad de Ingeniería Industrial - UNMSM
Diseño
de mezclas asfálticas integrando residuos sólidos de la industria
automovilística (elastómero) y de vías (pavimento asfáltico envejecido) en
Manabí, Ecuador
Gabriel
Antonio Navarrete Schettini [1]
Recibido: 11/05/2018
AceptAdo: 05/12/2018
RESUMEN El propósito de la investigación
es diseñar mezclas asfálticas integrando residuos sólidos de neumáticos fuera
de uso (elastómero) y pavimento asfáltico envejecido en el Cantón Bolívar,
provincia de Manabí, Ecuador. Los factores en estudio fueron el elastómero en
los niveles 4%, 8%, 12% y 16%, y la granulometría fina, media y gruesa,
empleando 52% de pavimento asfáltico envejecido. Además, se empleó el diseño
completamente al azar de un arreglo bifactorial GxE+1 con trece tratamientos
y tres repeticiones, donde G corresponde a la granulometría de áridos
utilizados y E al elastómero. A partir del buen proceder del diseño de
mezclas asfálticas con pavimento asfáltico envejecido, podemos concluir que,
de la adición de 4%, 8% y 12% de elastómero en las curvas granulométricas
media y fina, es posible utilizar aquel diseño en vías de tráfico liviano y
medio, como el que se presenta en el Cantón Bolívar. |
Palabras-claves: Elastómero; pavimento asfáltico envejecido;
residuos de industrias.
INTRODUCCIÓN
En el mundo
hay aproximadamente 800 millones de vehículos comerciales en uso y cerca de 70
millones de unidades se añaden a ese número cada año (Bureau of International Recycling,
2016). Además de eso, de acuerdo con Peláez, Velásquez y Giraldo (2017), en
2014 se estimó que el consumo mundial de esta materia prima fue de 28,9
millones de toneladas, aumentando en un 0,7% en el 2015. De toda esa cantidad
mundial mencionada, en “Ecuador cada año se desechan alrededor de 2.4 millones
de neumáticos” (Castro, 2015, p. 2) y, al ser ideado como un producto que
ofrece la mayor resistencia posible al desgaste en su uso, se estima que su
descomposición natural ocurrirá en un periodo mayor a 600 años. La composición
de estos neumáticos incluye elementos peligrosos como el plomo, el cromo, el
cadmio y otros metales pesados que, cuando se eliminan de manera inapropiada,
constituyen una amenaza para la salud y el medio ambiente (Bertalot, 2017). El
reciclado de pavimentos asfálticos se realiza sobre materiales deteriorados que
han perdido en gran medida sus propiedades iniciales. El aprovechamiento de los
materiales fresados mediante el reciclado resulta técnicamente viable, lo cual
se enriquece con la adición de materiales pétreos (Centro de Estudios y
Experimentación de Obras Públicas, 2011).
Por otro lado, Sánchez
(2012) señala que “los materiales que se obtienen tras el tratamiento de los
residuos de neumáticos, una vez separados los restos aprovechables en la
industria, pueden [tener varios usos]” (p. 29). Además, los estudiosos Sánchez
(2012), Martín (2015) y Grytsenko, Pozdniakova y Vnukova (2015) coinciden en
mencionar que una de las aplicaciones del caucho es funcionar como componente
de las capas asfálticas que se usan en la construcción de carreteras, con lo
que disminuye la extracción de áridos en canteras. Asimismo, le confieren
características especiales, ya que puede ser utilizado como caucho en la capa
de rodadura, para que ayude a obtener una mayor media de vida, más elasticidad,
menos deformaciones, mayor resistencia al agrietamiento, mayor resistencia al
arrastramiento. Aparte de lo dicho, también tiene la característica de
pavimento
drenante y le otorga a la mezcla asfáltica impedimento en la acumulación de
agua, lo que incrementa su adherencia, evita las proyecciones de agua y concede
buenas condiciones ópticas y bajo nivel de ruido. De esta forma, presenta tanto
beneficios ambientales como económicos, ya que las vías, con la incorporación
de caucho, se vuelven más resistentes, durables y menos frágiles, incluso
ofrecen oposición a que se quiebren y tiene una vida útil de 10 años (Amorim y
Lima, 2018).
Por otro
lado, Lacamara (2014) nos ofrece un dato relevante, el cual evidencia que “se
pueden emplear entre 1000 y 7000 neumáticos por kilómetro de carretera de dos
carriles. Cifras tan elevadas colocan el pavimento asfáltico como una de las
grandes soluciones para emplear los neumáticos fuera de uso” (párr. 13). Así,
el reciclado de pavimentos constituye una alternativa de rehabilitación de
pavimentos más competitiva y sostenible, puesto que permite minimizar la
utilización de recursos no renovables, agregados naturales y asfalto; además,
previene la creación de residuos y la ocupación de botaderos (Paiva y Ramos,
2014). Asimismo, comprende una serie de técnicas constructivas con tendencia al
aprovechamiento integral de materiales envejecidos de firmes y pavimentos. Por
ello, es de vital importancia desarrollar una propuesta sostenible para las
personas que[…] basan sus ingresos en la recuperación
informal de lo que otros desechan, están expuestos a peligros [sanitarios] […].
Dentro de este sector informal, es importante el número de niños y niñas que
encuentran en el trabajo de recuperación de residuos la única forma de
sobrevivir ante una sociedad muchas veces indiferente (Lecitra, 2010, p. 4)De esta forma, se propone diseñar mezclas asfálticas
integrando residuos sólidos de neumáticos fuera de uso (elastómero) y pavimento
asfáltico envejecido en el Cantón Bolívar, provincia de Manabí, Ecuador.
1.
Diseño experimental.
En la investigación se utilizó el diseño completamente al azar (DCA) en
un arreglo bifactorial GxE+1 con trece tratamientos y tres repeticiones, donde
G corresponde a la granulometría y E, al elastómero. Se utilizó el software
InfoStad para determinar el coeficiente de variación (CV%), y en las variables
donde se constató diferencias estadísticas se realizó la prueba de Tukey al 5%
con probabilidad del error.
2.
Dosificación de los áridos.
La dosificación de los materiales y la tolerancia fueron determinadas de
acuerdo con los valores de la Tabla 1, la cual es la recomendada por las
especificaciones generales para la construcción de caminos y puentes realizados
(Ministerio de Transportes y Obras Públicas del Ecuador, 2002).
Tabla 1. Especificaciones generales para la construcción de caminos y puentes.
Fuente: Ministerio de Transporte y Obras Públicas del Ecuador (2002). |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
3.
Granulometría de los materiales.
Se realizó el
ensayo de abrasión al material de 1/2, el cual se realizó con la gradación B,
que consiste en obtener material extraído de la granulometría, utilizando 2500
g ± 2 pasante del tamiz 19 mm o N.° 3/4, retenidos en el 12,5 mm o N° 1/2 y
2500 g ± 2, pasante del tamiz 12,5 mm o N.° 1/2, retenidos en el 9,5 mm o N.°
3/8, y se coloca en la máquina de los Ángeles, donde se dan 500 vueltas. Una
vez terminado, se saca el material y se lo tamiza por el 1,70 mm o N.° 12, se
lava y se seca a 110 °C. Luego de secarlo, se procede a pesarlo para su cálculo
de coeficiente de desgaste.
El ensayo
de masa unitaria o peso volumétrico consistió en tener los materiales (1/2,
3/8, cisco y arena) totalmente secos, moldes metálicos con pesos y volúmenes
conocidos para realizar el ensayo, el cual consiste en añadir material de una
forma constante hasta llenar el recipiente enrazando y pesando. Así, se repite
el procedimiento por 3 ocasiones para conocer la masa unitaria suelta. Por otro
lado, para la masa unitaria compactada se llena el recipiente en tres capas
iguales y se da 25 varilladas por capa. Una vez realizados los ensayos a los
materiales de 1/2 (árido 1), 3/8 (árido 2), cisco (árido 3) y arena (árido 4)
se procede a la digitación y cálculo de resultados, como se muestra en la Tabla
2.
4.
Determinación del porcentaje óptimo
de asfalto.
Ello se
obtiene con el porcentaje óptimo de asfalto definido a partir de la curva de
vacíos, con la cual se obtuvo 6,2%, como se observa en la Tabla 3. Además, se
procedió a conseguir los otros resultados de las curvas, tales como pesos
unitarios (densidad), vacíos, estabilidad, vacíos de agregado mineral, flujo y
VFA.
Tabla 2. Mezcla de
los agregados.
Fuente: Elaboración propia. Tabla 3. Diseño de Marshall para obtener el porcentaje óptimo de asfalto.
Fuente: Elaboración propia. |
5.
Integración del pavimento asfáltico
envejecido y del elastómero.
El moldeo y
ensayo de las briquetas en la investigación se las realizó de forma similar,
solo con la inclusión del polvo de neumático, pasante del tamiz N.° 10 y
retenido en el tamiz N.° 40 y pavimento asfáltico envejecido. Los agregados
pétreos fueron mezclados individualmente sin adición de residuos sólidos,
manteniendo temperaturas con máximos y mínimos (160 ºC - 80 ºC). De acuerdo con
Figueroa, Fonseca, Amaya y Prieto (2008), a esta temperatura se presenta un
mejor proceso de mezclado, logrando una mayor homogenización en el ligante
asfáltico modificado. En la Tabla 4 se muestran los valores promedio de las
exigencias del diseño de Marshall, donde se utilizó 52% de pavimento asfáltico
envejecido y se determinó que el pavimento asfáltico no cumple con las
exigencias propuestas por el Ministerio de Transporte y Obras Públicas del
Ecuador (2002) y Garnica, Delgado, Gómez, Alonso y Alarcón (2004), por lo que
se incluyeron agregados pétreos.
Las Tablas
5, 6 y 7 muestran las granulometrías con 52% de pavimento asfáltico envejecido
enriquecido con agregados pétreos.
Una vez
establecido el porcentaje óptimo de asfalto en la mezcla, que resultó ser el
6,2%, se procede a agregar, mediante el proceso de vía seca, el polvo de
neumático en diferentes porcentajes, partiendo desde el 4% hasta el 16%.
6.
Variables a evaluar en las mezclas
asfálticas.
Se utilizó el
diseño de Marshall para evaluar las mezclas asfálticas, se determinó la
densidad bulk, la estabilidad, el flujo, los vacíos en la mezcla, los vacíos en
agregados minerales y los vacíos en rellenos de asfalto, de acuerdo al Manual
de Especificaciones (Ministerio de Transporte y Obras Públicas del Ecuador,
2002 y Garnica et al., 2004).
Tabla 4. Diseño de
Marshall del pavimento asfáltico envejecido.
Propiedades |
% asfalto-diseño |
Valor obtenido |
Exigencias |
Estabilidad |
5,70 |
3381 |
> 1800 lb |
Flujo |
5,70 |
15,5 |
8-16 in/ 100 |
Peso unitario |
5,70 |
2174 |
> 2000 |
Vacíos en mezcla |
5,70 |
6,37 |
3 ,0-5,0% |
Vacíos en agregados |
5,70 |
19,62 |
> 13% |
Vacíos rellenos asfalto |
5,70 |
67,37 |
65-75 % |
Fuente: Elaboración propia.
Tabla 5. Graduación
granulométrica centrada del pavimento asfáltico envejecido enriquecido con
agregados pétreos.
|
Graduación combinada para la mezcla |
|
|
||||
Tipo de material |
Porcentajes para mezcla |
Porcentajes pasantes en tamic |
es |
|
|||
N.° 3/4 |
N.° 1/2 |
N.° 4 |
N.° 8 |
N.° 50 |
N.° 200 |
||
Árido N.° 1 |
10% |
10,0 |
4,8 |
0,2 |
0,2 |
0,1 |
0 , 1 |
Árido N.° 2 |
16% |
16,0 |
16,0 |
2,3 |
0,7 |
0,5 |
0 , 4 |
Árido N.° 3 |
16% |
16,0 |
16,0 |
15,3 |
10,2 |
4,8 |
2 , 0 |
Árido N.° 4 |
6% |
6,0 |
6,0 |
5,9 |
5,8 |
1,7 |
0 , 1 |
Reciclado |
52% |
52,0 |
50,4 |
37,7 |
25,8 |
10,5 |
2 , 0 |
Granulometría obtenida |
100,0 |
93,2 |
61,4 |
42,7 |
17,6 |
4 , 6 |
|
Especificación |
100 |
90-100 |
44-77 |
28-58 |
5-21 |
2-10 |
|
Granulometría esperada |
100,0 |
95,0 |
60,5 |
43,0 |
13,0 |
6 , 0 |
Fuente: Elaboración propia.
Tabla 6. Graduación
granulométrica fina del pavimento asfáltico envejecido enriquecido con
agregados pétreos.
|
Graduación combinada para la mezcla |
|
|
||||
Tipo de material |
Porcentajes para mezcla |
Porcentajes pasantes en tamic |
es |
|
|||
N.° 3/4 |
N.° 1/2 |
N.° 4 |
N.° 8 |
N.° 50 |
N.° 200 |
||
Árido N.° 1 |
8% |
8,0 |
3,8 |
0,1 |
0,1 |
0,1 |
0 , 1 |
Árido N.° 2 |
8% |
8,0 |
8,0 |
1,2 |
0,3 |
0,3 |
0 , 2 |
Árido N.° 3 |
26% |
26,0 |
26,0 |
24,9 |
16,6 |
7,8 |
3 , 3 |
Árido N.° 4 |
6% |
6,0 |
6,0 |
5,9 |
5,8 |
1,7 |
0 , 1 |
Reciclado |
52% |
52,0 |
50,4 |
37,7 |
25,8 |
10,5 |
2 , 0 |
Granulometría obtenida |
100,0 |
94,2 |
69,8 |
48,8 |
20,3 |
5 , 6 |
|
Especificación |
100 |
90-100 |
44-77 |
28-58 |
5-21 |
2-10 |
|
Granulometría esperada |
100,0 |
95,0 |
60,5 |
43,0 |
13,0 |
6 , 0 |
Fuente: Elaboración propia.
Tabla 7. Graduación
granulométrica gruesa del pavimento asfáltico envejecido enriquecido con
agregados pétreos.
Graduación combinada para la mezcla |
|
|
|||||
Tipo de material |
Porcentajes para mezcla |
Porcentajes pasantes en tamic |
es |
|
|||
N.° 3/4 |
N.° 1/2 |
N.° 4 |
N.° 8 |
N.° 50 |
N.° 200 |
||
Árido N.° 1 |
12% |
12,0 |
5,7 |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
0 , 1 |
Árido N.° 2 |
22% |
20,0 |
22,0 |
3,2 |
0,9 |
0,7 |
0 , 5 |
Árido N.° 3 |
14% |
14,0 |
14,0 |
13,4 |
9,0 |
4,2 |
1 , 8 |
Árido N.° 4 |
2% |
2,0 |
2,0 |
2,0 |
1,9 |
0,6 |
0 , 0 |
Reciclado |
52% |
52,0 |
50,4 |
37,7 |
25,8 |
10,5 |
2 , 0 |
Granulometría obtenida |
100,0 |
94,1 |
56,5 |
37,8 |
16,1 |
4 , 5 |
|
Especificación |
100 |
90-100 |
44-77 |
28-58 |
5-21 |
2-10 |
|
Granulometría esperada |
100,0 |
95,0 |
60,5 |
43,0 |
13,0 |
6.0 |
Fuente: Elaboración propia.
1.
Densidad bulk.
En la Tabla 8 se observan los valores promedios de la variable “Densidad
bulk”. El análisis de varianza (ADEVA) no determinó diferencias estadísticas
para el factor G, ni para el factor E, ni en la interacción GxE ni en la
comparación factorial versus testigo.
2.
Porcentaje de vacíos en la mezcla.
En la Tabla 8 se observan los valores promedios de la variable “% de
vacíos en la mezcla”; el ADEVA no determinó diferencias estadísticas para el
factor E, ni en la interacción GxE, ni en la comparación factorial versus
testigo, a excepción del factor G. La prueba de significancia determinó dos
rangos de similitud estadística en el factor G, donde el mejor “% de vacíos en
la mezcla” correspondió a G1 con 4,26%, seguido de G2. En ese sentido, el
Ministerio de Transporte y Obras Públicas del Ecuador (2002) señala que el 5%
es el valor máximo exigido en el porcentaje de vacíos, por lo tanto la granulometría gruesa con el 5% no cumple con las
exigencias; además, vale añadir que el porcentaje permitido de vacíos en
muestras de laboratorio para capas de base y capas superficiales se encuentra
entre 3 % y 5%.
3.
Estabilidad.
En la Tabla 8 se observan los valores promedios de la variable
“Estabilidad”, el ADEVA determinó diferencias estadísticas significativas para
el factor G, el factor E, la interacción GxE y para la comparación factorial
versus testigo. En la prueba de significancia realizada en el factor G, se
establecieron dos rangos de similitud estadística, de los cuales fue G2 quien
obtuvo mayor estabilidad con 2880,86 lb; en cambio, G3, con 2640,34 lb, obtuvo
la estabilidad más baja. Asimismo, en la prueba de significancia realizada al
factor E, se determinaron tres rangos de similitud estadística, donde E3 se
destacó con mayor estabilidad con 3018,59 lb; y E4, con 2472,87 lb, obtuvo la
estabilidad más baja. En la prueba de significancia realizada a la interacción
GxE, se establecieron cuatro rangos de similitud estadística, donde G2E3 (G
media-12% de elastómero) y G1E3 (G fina-12% de elastómero) tuvieron 3119,73 lb
y 3042,36 lb, respectivamente. Además, G2E3 y G1E3 se destacaron con la mayor
estabilidad, mientras que G3E4 (G gruesa-elastómero 16%) obtuvo la estabilidad
más baja con 2310,61 lb. En la comparación factorial versus testigo, se
establecieron tres rangos de similitud estadística, donde destacaron el factor
G con 2790,10 lb, seguido del factor E con 2640,10 lb y, en último lugar, el
testigo con 2605,67 lb de estabilidad.
Un
pavimento estable es capaz de mantener su forma y lisura bajo cargas
repetitivas […] Las especificaciones de estabilidad deben ser lo suficiente
altas para acomodar adecuadamente el tránsito esperado, pero no más altas de lo
que exijan las condiciones de transito [sic] ( Carrasco,
2004, p. 65).
Asimismo,
el Ministerio de Transporte y Obras Públicas del Ecuador (2002) exige
estabilidades mayores a 1800 lb, para que todos los tratamientos cumplan con
las exigencias del diseño de Marshall.
Tabla 8. Densidad bulk, porcentaje de vacíos en la mezcla y estabilidad. Diseño de mezclas asfálticas integrando residuos sólidos de la industria automovilística (elastómero) y de vías (pavimento asfáltico envejecido).
(*) Diferencia significativa entre los tratamientos. (**) Diferencia altamente significativa entre los tratamientos. Letras en común no son estadísticamente diferentes. |
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Fuente: Elaboración propia. |
7.
Flujo.
En la Tabla 9
se observan los valores promedios de la variable “Flujo”; el ADEVA no determinó
diferencias estadísticas para la interacción GxE; por el contrario, se
evidenciaron diferencias estadísticas para el factor G, el factor E y la
comparación factorial versus testigo. La prueba de significancia realizada al
factor G estableció dos rangos de similitud estadística, donde resultaron G2 y
G1 con 14,42 in/100 y 14,83 in/100, respectivamente, y destacaron sobre la
granulometría gruesa con 15,17 in/100. En la prueba estadística realizada al factor
E, se establecieron dos rangos de similitud estadística, derivando E1, E2 y E3,
con 14,44 in/100, 14,56 in/100 y 14,89 in/100, respectivamente, los cuales
destacaron con buenos valores de flujo en comparación a las 15,33 in/100 de E4.
La prueba de significancia realizada a la comparación de la factorial versus el
testigo estableció dos rangos de similitud estadística, de los cuales es el
testigo quien obtuvo el mejor valor de flujo con 13 in/100, seguido de los
factores G y E con 14,81 in/100 en ambos casos.
De esta
manera, las mezclas asfálticas con material reutilizable solo cumplen las
exigencias para tráfico liviano y medio, lo que coincide con el Ministerio de
Transporte y Obras Públicas del Ecuador (2002), que establece que el mínimo
debe ser 8 in/100 para todos los tipos de tráfico, tales como, muy pesado,
pesado, medio y liviano. El valor de flujo máximo exigido para los tráficos muy
pesado y pesado será 14 in/100; en cambio, para los tráficos medio y liviano
puede extenderse hasta el máximo de 16 in/100.
8.
Vacíos en agregados minerales.
En la Tabla 9
se observan los valores de la variable “% de vacíos en agregados minerales”; el
ADEVA no determinó diferencias estadísticas significativas para el factor E,
interacción GxE y comparación factorial versus testigo; no obstante, determinó
diferencias estadísticas para el factor G. En la prueba de significancia
realizada al factor G se establecieron dos rangos de similitud estadística,
donde destacó el factor G3 con 15,82% de vacíos en agregados minerales,
mientras que G1 y G2 tuvieron 15,40% y 15,12%, respectivamente, y se obtuvieron
valores bajos en “% de vacíos en agregados minerales”. Las exigencias del
Ministerio de Transporte y Obras Públicas del Ecuador (2002) no establecen
valores máximos a considerar, por ende, es errado afirmar que cuanto mayor sean
los vacíos en agregados minerales (VAM) más espacio habrá disponible para las
películas de asfalto. De tal forma, según Carrasco (2004):
Existen
valores mínimos para VMA [o VAM] los cuales están recomendados y especificados
como función del tamaño del agregado. Estos valores se basan en el hecho de que
cuanta más gruesa sea la película de asfalto que cubre las partículas de
agregado, más durable será la mezcla (pp.
62-63).
Tabla 9. Flujo, vacíos en agregados minerales y vacíos en rellenos de asfalto. Diseño de mezclas asfálticas integrando residuos sólidos de la industria automovilística (elastómero) y de vías (pavimento asfáltico envejecido).
(*) Diferencia significativa entre los
tratamientos. (**) Diferencia altamente significativa entre los tratamientos. Letras en común no son estadísticamente diferentes. |
Fuente: Elaboración propia.
9.
Vacíos en rellenos de asfalto.
En la Tabla 9 se observan
los valores promedios de la variable “% de vacíos en rellenos de asfalto”; el
análisis de varianza no determinó diferencias estadísticas para el factor E,
interacción GxE y comparación factorial versus testigo; sin embargo, se evidenciaron
diferencias estadísticas para el factor G. En la prueba de significancia
realizada al factor G se establecieron dos rangos de similitud estadística, en
el cual destacó G3 con 68,47%, seguido de G2 con 70,36% y, por último, G1 con
71,80%. De esta manera, los resultados coinciden con las exigencias del diseño
de Marshall, el cual establece un valor mínimo de 65% y el máximo de 75%
(Ministerio de Transporte y Obras Públicas del Ecuador, 2002).
1. La adición de 4%, 8% y 12% de
elastómero en el diseño de mezclas asfálticas con pavimento asfáltico
envejecido derivó en un buen proceder, lo que sirve para ser utilizado a nivel
de campo en mezclas asfálticas modificadas.
2. Las granulometrías media y fina, en
el diseño de mezclas asfálticas con pavimento asfáltico envejecido,
contribuyeron a obtener una buena conducta con la reutilización del elastómero
y del pavimento asfáltico, por lo tanto, puede ser utilizado a nivel de campo
en mezclas asfálticas modificadas.
[1] Amorim, E. y Lima, L. (2018). Uso de
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[12] Ministerio de Transporte y Obras
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generales para la construcción de caminos y puentes. Quito, Ecuador:
Ministerio de Obras Públicas / República del Ecuador.
[13] Paiva, G y Ramos, G. (2014). Reciclado de pavimentos asfálticos y su
reutilización para el diseño de mezcla de asfalto en caliente (Tesis de
licenciatura). Universidad Señor de Sipán, Perú.
[14] Peláez, G., Velásquez, S. y Giraldo,
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[15] Sánchez, R. (2012). Segunda vida de
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[16] Carrasco, D. (2004). Estudio comparativo entre mezclas asfálticas
en caliente y mezclas asfálticas con emulsiones tibias. (Tesis de
licenciatura). Universidad de Piura, Perú.
Revista
Industrial Data 22(1): 23-38 (2019)
ISSN: 1560-9146 (Impreso) / ISSN: 1810-9993 (Electrónico)Gabriel Navarrete
DOI:
http://dx.doi.org/10.15381/idata.v22i1.16523
Facultad de Ingeniería Industrial - UNMSM
Design
of asphalt mixtures integrating solid waste from the automotive industry
(elastomer) and roadways (aged asphalt pavement) in Manabí, Ecuador
Gabriel
Antonio Navarrete Schettini [2]
Received: 11/05/2018
Accepted: 05/12/2018
ABSTRACT The
purpose of this study is to design asphalt mixtures by integrating solid
waste from used tires (elastomer) and aged asphalt pavement in Bolívar
Canton, Manabí Province, Ecuador. The factors studied were 4%, 8%, 12% and
16% elastomer, and fine, average and coarse grading, using 52% aged asphalt
pavement. A completely randomized two-way factorial arrangement, GxE+1, with
thirteen treatments and three replications was used, where G corresponds to
grading of aggregates used and E to elastomer. On the basis of the positive
outcome of the design of asphalt mixtures with aged asphalt pavement,
considering the addition of 4%, 8% and 12% of elastomer in the average and
fine grading curves, it was concluded that the design can be used in light
and medium traffic roads, such as those in Bolívar Canton, Ecuador. |
Keywords: Elastomer; aged asphalt pavement; industrial waste
INTRODUCTION
There are
an estimated 800 million commercial vehicles in use worldwide, and almost 70
million are added to that number every year (Bureau of International Recycling,
2016). Moreover, the global consumption of elastomer in 2014 was estimated at
28.9 million tons, increasing by 0.7% in 2015 according to Pélaez, Velásquez
and Giraldo (2017). From that global quantity, in “Ecuador cada año se desechan
alrededor de 2.4 millones de neumáticos” [Ecuador, an estimated 2.4 million
tires are discarded every year] (Castro, 2015, p. 2), and being a product
designed to offer the greatest possible resistance to wear during use, it is
estimated that their natural decomposition will occur over a period longer than
600 years. The composition of tires includes dangerous components such as lead,
chromium, cadmium and other heavy metals that represent a threat to both health
and environment when improperly disposed of (Bertalot, 2017). The recycling of
asphalt pavement is carried out on deteriorated materials that have largely
lost their initial properties. The recovery of milled materials through
recycling, later enriched by adding stone materials, is technically feasible
(Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas, 2011).
What is
more, Sánchez (2012) states that “los materiales que se obtienen tras el
tratamiento de los residuos de neumáticos, una vez separados los restos
aprovechables en la industria, pueden [tener varios usos]” [the materials
obtained through processing of scrap tires, once the industrially usable
materials have been separated, can [have several uses]] (p. 29). Scholars such
as Sánchez (2012), Martín (2015) and Grytsenko, Pozdniakova and Vnukova (2015)
agree that one of the uses of rubber is to serve as a component of the asphalt
layers that are used in road construction, thus reducing the extraction of
aggregates from quarries. Furthermore, the material obtained confers special
characteristics to asphalt layers, it can be used as rubber in the wearing
course in order for it to have a longer average lifespan, more elasticity,
fewer deformations, more crack resistance and more skid resistance. In addition
to the above, it also has the characteristic of being permeable concrete, which
provides the asphalt mixture features to prevent water accumulation, increasing
as a result its adherence, preventing standing water formation and conferring
good visual conditions and low noise level. It provides therefore both environmental
and economic benefits, as the roads become more resistant, durable and less
fragile as a result of the incorporation of rubber. It even helps prevent roads
from breaking and has a 10-year lifespan. (Amorim & Lima, 2018).
At the same
time, Lacamara (2014) provides relevant data which demonstrates that “se pueden
emplear entre 1000 y 7000 neumáticos por kilómetro de carretera de dos
carriles. Cifras tan elevadas colocan el pavimento asfáltico como una de las
grandes soluciones para emplear los neumáticos fuera de uso” [between 1000 and
7000 tires can be used per kilometer of two-lane road. Such high numbers make
asphalt pavement one of the best options to use scrap tires] (para. 13). Thus,
pavement recycling is a more competitive and sustainable pavement
rehabilitation alternative, because it helps to minimize the usage of
non-renewable resources, natural aggregates and asphalt, while it also prevents
the creation of waste and filling of landfills (Paiva & Ramos, 2014).
Likewise, it also includes a series of construction techniques for the
comprehensive use of aged road surface and pavement materials. For these
reasons, it is of vital importance to develop a sustainable opportunity for
people whose basan sus ingresos en la recuperación informal de lo que otros
desechan, están expuestos a peligros [sanitarios]. Dentro de este sector
informal, es importante el número de niños y niñas que encuentran en el trabajo
de recuperación de residuos la única forma de sobrevivir ante una sociedad
muchas veces indiferente [income is based on the informal recovery of other
people’s waste, and who are exposed to [health] hazards (…). Within this
informal sector, the number of children who find in waste collection the only
way to survive in an often indifferent society is significant] (Lecitra, 2010 , p. 4). Thus,
it is proposed to design asphalt mixtures by integrating solid waste obtained
from scrap tires (elastomer) and aged asphalt pavement in Bolívar Canton,
Manabí Province, Ecuador.
1.
Experimental design.
A completely randomized two-way factorial arrangement, GxE+1, with
thirteen treatments and three replications was used, where G corresponds to
grading of aggregates used and E to elastomer. InfoStad software was used to
determine the coefficient of variation (CV%) and Tukey test at 5% error
probability was used for variables where statistical differences were found.
2.
Dosing of aggregates.
The dosing and tolerance of materials were determined according to the
values shown in Table 1, which are recommended by the general specifications
for road and bridge construction (Ministerio de Transportes y Obras Públicas
del Ecuador, 2002).
Table 1. General specifications for road and bridge construction
Source: Ministry of Transport and Public Works of Ecuador (2002). |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
3.
Grading of materials.
An abrasion test was conducted on 1/2"
material using gradation B, which consists on obtaining material extracted from
the grading, using 2500 g ± 2 passing 19 mm or No. 3/4 sieve, retained on 12.5
mm or No. 1/2 sieve, and 2500 g ± 2 passing 12.5 mm or No. 1/2 sieve, retained
on 9.5 mm or No. 3/8 sieve. The sample was placed in the Los Angeles Abrasion
machine and rotated for 500 revolutions. After the revolutions, the material
was discharged from the machine, sieved through 1.70 mm or No. 12 sieve, washed
and dried at 110 °C. After drying the material, it was weighed to calculate the
degradation coefficient.
The unit weight or density test consisted on
having completely dried materials (1/2, 3/8, broken coal and sand), and metal
molds with known weights and volumes to perform the test, which consists of
constantly adding the material into the recipient until it is full, levelling
and then weighing it. This procedure was repeated three times in order to
determine loose density. In contrast, to determine compacted density, the
container was filled with three equal layers of material and each layer was
rodded 25 times. Once testing was completed for 1/2” (aggregate 1), 3/8”
(aggregate 2), broken coal (aggregate 3) and sand (aggregate 4) materials, data
entry and results calculation were performed, as shown in Table 2.
4.
Determination of the optimum
percentage of asphalt.
The optimum percentage of asphalt is obtained by using the voids
percentage, which obtained a result of 6.2%, as observed in Table 3.
Additionally, other results were obtained from the curves, such as unit weights
(density), voids, stability, voids in mineral aggregate (VMA), flow and voids
filled with asphalt (VFA).
Table 2. Aggregates mixture
Source: Prepared by the author. Table 3. Marshall Method to obtain the optimum percentage of asphalt.
Source: Prepared by the author. |
5.
Integration of aged asphalt pavement
and elastomer.
The molding
and testing of the test briquettes was performed in a similar manner, with the
addition of crumb rubber, material that passes No. 10 sieve and is retained by
No. 40 sieve, and aged asphalt pavement. Stone aggregates were mixed
individually without the addition of solid waste, maintaining maximum and
minimum temperatures of 160 and 80 °C. According to Figueroa, Fonseca, Amaya,
and Prieto (2008), this temperature produces a better blending process,
achieving a better homogenization of modified asphalt binder. Table 4 shows the
average values of the Marshall Method requirements, where 52 % of aged asphalt pavement
was used and it was determined that the asphalt pavement did not meet the
requirements suggested by the Ministry of Transport and Public Works of Ecuador
(2002) and Garnica, Delgado, Gómez, Alonso and Alarcón (2004), for which reason
stone aggregates were added.
Tables 5, 6 and 7 show grading with 52% of aged asphalt pavement
enriched with stone aggregates. Once the optimum percentage of asphalt in the
mixture was determined to be 6.2%, different percentages of crumb rubber, from
4 to 16%, were added via dry mixing
6.
Variables to be evaluated in asphalt
mixtures.
The Marshall Method was used to evaluate
asphalt mixtures. Bulk density, stability, flow, voids in mixture, voids in
mineral aggregates and voids filled with asphalt were determined in accordance
with the Manual de Especificaciones [Specifications Manual] (Ministerio de
Transporte y Obras Públicas del Ecuador, 2002 and Garnica et al., 2004).
Table 4. Marshall
Method of aged asphalt pavement.
Properties |
% asphalt-design |
Obtained value |
Requirements |
Stability |
5.70 |
3381 |
> 1800 lbs. |
Flow |
5.70 |
15.5 |
8-16 in/ 100 |
Unit weight |
5.70 |
2174 |
> 2000 |
Voids in mixture |
5.70 |
6.37 |
3.0-5.0 % |
Voids in aggregates |
5.70 |
19.62 |
> 13% |
Voids filled with asphalts |
5.70 |
67.37 |
65-75 % |
.
Source: Prepared by the author
Table 5. Middle
limit gradation of aged asphalt pavement enriched with stone aggregates
|
Combined gradation for the mixture |
|
|
||||
Type of material |
Percentage for mixture |
Percentage passing sieve |
|
|
|||
N.° 3/4 |
N.° 1/2 |
N.° 4 |
N.° 8 |
N.° 50 |
N.° 200 |
||
Aggregate No. 1 |
10% |
10.0 |
4.8 |
0.2 |
0.2 |
0.1 |
0.1 |
Aggregate No. 2 |
16% |
16.0 |
16.0 |
2.3 |
0.7 |
0.5 |
0.4 |
Aggregate No. 3 |
16% |
16.0 |
16.0 |
15.3 |
10.2 |
4.8 |
2.0 |
Aggregate No. 4 |
6% |
6.0 |
6.0 |
5.9 |
5.8 |
1.7 |
0.1 |
Recycled |
52% |
52.0 |
50.4 |
37.7 |
25.8 |
10.5 |
2.0 |
Obtained grading |
100.0 |
93.2 |
61.4 |
42.7 |
17.6 |
4.6 |
|
Specification |
100 |
90-100 |
44-77 |
28-58 |
5-21 |
2-10 |
|
Expected grading |
100.0 |
95.0 |
60.5 |
43.0 |
13.0 |
6.0 |
Source: Prepared by the author.
Table 6. Fine
gradation of aged asphalt pavement enriched with stone aggregates
|
Combined gradation for the mixture |
|
|
||||
Type of material |
Percentage for mixture |
Percentage passing sieve |
|
|
|||
No. 3/4 |
No. 1/2 |
No. 4 |
No. 8 |
No. 50 |
No. 200 |
||
Aggregate No. 1 |
8% |
8.0 |
3.8 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
0.1 |
Aggregate No. 2 |
8% |
8.0 |
8.0 |
1.2 |
0.3 |
0.3 |
0.2 |
Aggregate No. 3 |
26% |
26.0 |
26.0 |
24.9 |
16.6 |
7.8 |
3.3 |
Aggregate No. 4 |
6% |
6.0 |
6.0 |
5.9 |
5.8 |
1.7 |
0.1 |
Recycled |
52% |
5.0 |
50.4 |
37.7 |
25.8 |
10.5 |
2.0 |
Obtained grading |
100.0 |
94.2 |
69.8 |
48.8 |
20.3 |
5.6 |
|
Specification |
100 |
90-100 |
44-77 |
28-58 |
5-21 |
2-10 |
|
Expected grading |
100.0 |
95.0 |
60.5 |
43.0 |
13.0 |
6.0 |
Source: Prepared by the author.
Table 7. Coarse gradation
of aged asphalt pavement enriched with stone aggregates
|
Combined gradation for the mixture |
|
|
||||
Type of material |
Percentage for mixture |
Percentage passing sieve |
|
|
|||
No. 3/4 |
No. 1/2 |
No. 4 |
No. 8 |
No. 50 |
No. 200 |
||
Aggregate No. 1 |
12% |
12.0 |
5.7 |
0.2 |
0.2 |
0.2 |
0.1 |
Aggregate No. 2 |
22% |
20.0 |
22.0 |
3.2 |
0.9 |
0.7 |
0.5 |
Aggregate No. 3 |
14% |
14.0 |
14.0 |
13.4 |
9.0 |
4.2 |
1.8 |
Aggregate No. 4 |
2% |
2.0 |
2.0 |
2.0 |
1.9 |
0.6 |
0.0 |
Recycled |
52% |
52.0 |
50.4 |
37.7 |
25.8 |
10.5 |
2.0 |
Obtained grading |
100.0 |
94.1 |
56.5 |
37.8 |
16.1 |
4.5 |
|
Specification |
100 |
90-100 |
44-77 |
28-58 |
5-21 |
2-10 |
|
Expected grading |
100.0 |
95.0 |
60.5 |
43.0 |
13.0 |
6.0 |
Source: Prepared by the author.
1.
Bulk density.
The average values of variable “Bulk density” are shown in Table 8. The
analysis of variance (ANOVA) did not determine statistical differences for
factor G, factor E, interaction GxE, nor for the contrast all treatments vs.
control.
2.
Percentage of voids in mixture.
The average values of variable “% of voids in mixture” are shown in
Table 8. No statistical differences were determined for factor E, interaction
GxE, nor for the contrast all treatments vs. control using the analysis of
variance (ANOVA); however, it did determine statistics for factor G. The
significance test determined two statistical similarities in factor G, where
the best “% of voids in mixture” corresponded to G1 with 4.26%, followed by G2.
In this regard, the Ministry of Transport and Public Works of Ecuador (2002)
states that the maximum voids percentage value required is 5%; therefore, the
obtained coarse grading equal to 5% does not comply with the requirements. It
should be noted that the permissible voids percentage in laboratory samples for
base and surface layers are between 3% and 5%.
3.
Stability.
The average values of variable “Stability” are shown in Table 8. The
analysis of variance (ANOVA) determined statistical differences for factor G,
factor E, interaction GxE, and for contrast all treatments vs. control.
Significance test performed on factor G determined two statistical similarity
features, where G2 obtained the highest stability with 2880.86 lbs., whereas G3
obtained the lowest with 2640.34 lbs. Likewise, significance test performed on
factor E determined three statistical similarities, where E3 obtained the
highest stability with 3018.59 lbs., whereas E4 obtained the lowest with
2472.87 lbs. Significance test performed on interaction GxE determined four
statistical similarities, where G2G3 (average G-12% elastomer) and G1G3
(fine-12% elastomer) obtained 3119.73 lbs. and 3042.36 lbs., respectively.
Furthermore, G2G3 and G1G3 obtained the highest stability, whereas G3G4 (coarse
G-16% elastomer) obtained the lowest stability with 2310.61 lbs. In the
contrast all treatments vs. control, three statistical similarities were
established, where factor G stood out with 2790.10 lbs., followed by factor E
with 2640.10 lbs., and, lastly, control with 2605.67 lbs. of stability.
Un pavimento estable
es capaz de mantener su forma y lisura bajo cargas repetitivas […] Las
especificaciones de estabilidad deben ser lo suficiente altas para acomodar
adecuadamente el tránsito esperado, pero no más altas de lo que exijan las
condiciones de transito [sic] [A stable pavement is able to maintain its shape and smoothness
under repeated traffic loads (…) Stability specifications must be high enough
to properly accommodate expected traffic, but not higher than required by
traffic conditions [sic]](Carrasco, 2004, p. 65).
In
addition, the Ministry of Transport and Public Works of Ecuador (2002) requires
stability ratings above 1800 lbs., to ensure that all treatments comply with
the requirements of the Marshall Method.
4.
Flow.
The average values of
variable “Flow” are shown
in Table 9. No statistical differences were determined for
interaction GxE using the analysis of variance (ANOVA), instead, statistical
differences for factor G, factor E, and contrast all treatments vs. control
were observed. Significance test conducted on factor G determined two
statistical similarities, where G2 and G1 obtained 14.42 in/100 and 14.83
in/100, respectively and stood out in the coarse grading with 15.17 in/100.
Statistical test conducted on factor E determined two statistical similarity
features, where E1, E2 and E3 obtained 14.44 in/100, 14.56 in/100 and 14.89
in/100 respectively and stood out with good flow values compared to the 15.33
in/100 obtained by E4. Significance test conducted on contrast all treatments
vs. control determined two statistical similarity features, where the control
obtained the best flow results with 13 in/100, followed by factors G and E both
with 14.81 in/100. Thus, asphalt mixtures with reusable material only comply
with the requirements established for light and medium traffic. This is consistent
with the requirements set out by the Ministry of Transport and Public Works of
Ecuador (2002) that established a minimum of 8 in/100 for all kinds of traffic,
such as light, medium, heavy and very heavy traffic. The maximum flow value
established for heavy and very heavy traffic is 14 in/100, whereas the maximum
for medium and light traffic is 16 in/100.
Table 8. Bulk density, percentage of voids in mixtures and stability. Design of asphalt mixtures integrating solid waste from the automotive industry (elastomer) and roads (aged asphalt pavement).
(*) Significant difference between treatments. (**) Highly significant difference between treatments. Common letters are not statistically different. |
Source: Prepared by the author.
5.
Voids in mineral aggregates.
The values of
variable “% of voids in mineral aggregates” are shown in Table 9. No
significant statistical differences were determined for factor E, interaction
GxE nor for contrast all treatments vs. control using the analysis of variance
(ANOVA); however, statistical differences were determined for factor G.
Significance test conducted on factor G determined two statistical
similarities, where factor G3 stood out with 15.82% of voids in mineral
aggregates, whereas G1 and G2 obtained 15.40% and 15.12% respectively. Low
values of “% voids in mineral aggregates” were obtained as well. The
requirements set by the Ministry of Transport and Public Works of Ecuador
(2002) do not establish maximum values to consider, therefore, it is wrong to
say that the greater the voids in mineral aggregates (VMA), the more space
available for asphalt layers. Thus, according to Carrasco (2004): Existen valores mínimos para VMA [o VAM] los
cuales están recomendados y especificados como función del tamaño del agregado.
Estos valores se basan en el hecho de que cuanta más gruesa sea la película de
asfalto que cubre las partículas de agregado, más durable será la mezcla
[There are minimum values for VMA which are recommended and specified according
to aggregate size. These values are based on the fact that the thicker the
asphalt layer covering the aggregate particles, the more durable the mixture
will be] (pp. 62-63).
Table 9. Flow, voids in mineral aggregates and voids filled with asphalt. Design of asphalt mixtures integrating solid waste from the automotive (elastomer) and roads (aged asphalt pavement) industry.
(*) Significant difference between treatments. (**) Highly
significant difference between treatments. Common letters are not
statistically different. Source: Prepared by the author. |
6.
Voids filled with asphalt.
The average values of variable “%
voids filled with asphalt” are shown in Table 9. No statistical differences
were determined for factor E, interaction GxE nor for contrast all treatments vs.
control using the analysis of variance (ANOVA); however, statistical differences
were determined for factor G. Significance test conducted on factor G
determined two statistical similarity features, where G3 stood out with 68.47%,
followed by G2 with 70.36% and, lastly, G1 with 71.80%. Thus, results comply
with the requirements of the Marshall Method, which establishes a minimum value
of 65% and a maximum of 75% (Ministerio de Transporte y Obras Públicas del
Ecuador, 2002).
1. The addition of 4%, 8% and 12% of
elastomer to the design of asphalt mixtures with aged asphalt pavement resulted
in a positive outcome, which make them suitable for field use in modified
asphalt mixtures.
2. Average and fine grading, in the
design of asphalt mixtures with aged asphalt pavement, helped achieve positive
results regarding the reuse of elastomer and asphalt pavement, and therefore
can be used in field use in modified asphalt mixtures.
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[16] Carrasco, D. (2004). Estudio comparativo entre mezclas asfálticas
en caliente y mezclas asfálticas con emulsiones tibias. (Tesis de
licenciatura). Universidad de Piura, Perú.
[1] Ingeniero civil por la Universidad
Central del Ecuador y magíster en Educación y Desarrollo Social de la
Universidad Tecnológica Equinoccial. Actualmente, es docente de la Escuela
Superior Politécnica Agropecuaria de Manabí Manuel Félix López (ESPAM MFL).
Manabí, Ecuador E-mail:
gnavarrete@espam.edu.ec
[2] Civil engineer from the Universidad
Central del Ecuador and Master of Education and Social Development from the
Universidad Tecnológica Equinoccial. Currently, Professor at the Escuela
Superior Politécnica Agropecuaria de Manabí Manuel Félix López (ESPAM
MFL). Manabí, Ecuador. E-mail: gnavarrete@espam.edu.ec