LIGANTE BITUMINOSO PARA RECICLADO DE PAVIMENTOS.

Un ligante rejuvenecedor, aplicable al reciclado de pavimentos asfálticos envejecidos,

compuesto de: A) un medio portador, B) un agente rejuvenecedor químico, y C) un agente espumante químico y modificador. Los agentes rejuvenecedores químicos son compuestos del tipo disulfuros, o que contienen grupos tiol, que invierten el proceso oxidativo, causa fundamental del deterioro de los ligantes bituminosos, reduciendo la concentración de los compuestos más polares del betún y/o el peso molecular de las compuestos unidos por enlaces de azufre. El modo de aplicación preferido es en forma de espuma bituminosa química, por adición de agua que reacciona con los prepolímeros funcionalizados con grupos isocianato terminales, liberando dióxido de carbono, el cual actúa como agente espumante químico.

Ligante bituminoso para reciclado de pavimentos.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un nuevo tipo de ligante rejuvenecedor de pavimentos asfálticos envejecidos, que incluya en su formulación agentes rejuvenecedores que interaccionen químicamente con los componentes polares y de alto peso molecular del betún y, además, un agente de espumación y modificador (preferentemente un prepolímero reactivo de isocianato) . El ligante rejuvenecedor, tras su mezcla con el betún envejecido, permitirá el reciclado de pavimentos, aumentando las propiedades de seguridad y durabilidad de las vías. En este sentido el ámbito de aplicación de este producto será fundamentalmente en la industria del asfalto, concretamente en el reciclado de firmes de carreteras.

Estado de la técnica anterior

Los pavimentos asfálticos, debido a la acción continua del tráfico y de la meteorología, sufren un proceso de progresivo deterioro que limita su ciclo de vida y hace necesaria la sustitución del firme envejecido. El reciclado de pavimentos asfálticos envejecidos consiste en la reutilización de éste, formando una nueva mezcla asfáltica que debe ser extendida y compactada para constituir una capa de firme reciclado. Durante el proceso de reciclado, se debe añadir lo que se conoce como agentes o ligantes rejuvenecedores para que se recuperen las propiedades iniciales del betún.

Reciclado de pavimentos asfálticos: espumas de betún

El reciclado de pavimentos puede llevarse a cabo en las plantas de fabricación de mezclas bituminosas o “in situ”. El reciclado en la planta central presenta diversos inconvenientes. En primer lugar, implica el traslado del material procedente del fresado. Además, el proceso se realiza normalmente a las temperaturas elevadas de fabricación de las mezclas convencionales, causando un deterioro adicional del ligante envejecido, por lo que sólo emplean entre el 10 y el 50% de material reciclado.

En cambio, las técnicas de reciclado “in situ” constituyen una alternativa más interesante y beneficiosa, por el ahorro de costes y la versatilidad de las operaciones. El reciclado “in situ” se realiza disgregando el material del firme antiguo mezclándolo a pie de obra con el ligante o conglomerante utilizado y, posteriormente, extendiéndolo y compactándolo para constituir una capa del firme. De forma más precisa el reciclado “in situ” empleando espumas de betún en mezclas templadas (50-100ºC) o frías (<50ºC) puede ser la alternativa preferida, debido al ahorro energético consecuente, por trabajar a bajas temperaturas, y por la mejora en las condiciones de salud laboral de los trabajadores.

Una espuma física inestable de betún o “betún espumado” consiste en una mezcla de betún caliente con una pequeña cantidad de aire y agua, del orden del 3% en peso de betún. El término “física” se refiere a que la formación de espuma se realiza, únicamente, por procesos físicos, y no por reacciones químicas que liberen productos gaseosos (US 4810298, US 5827360, US 6565281) . Así, cuando se mezcla betún, a una temperatura comprendida entre 160 y 200ºC, con agua fría (15-25ºC) inyectada a alta presión (hasta 20 bar) , el betún intercambia calor con la superficie del agua, calentándola por encima de su temperatura de ebullición, y enfriando el betún. A la salida del equipo, la mezcla sufre una descompresión, que provoca la evaporación del agua. La mezcla se expande entre 10-20 veces su volumen original. De esta forma, se consigue un producto con unas excelentes propiedades “humectantes” para el revestimiento de los áridos, es decir, con una alta capacidad de recubrir los agregados minerales que forman un pavimento.

Frente al uso de altas temperaturas y presiones para el espumado físico del betún, la presente invención propone el uso de espumas químicas de betún que pueden ser obtenidas a temperaturas inferiores a los 100ºC. Para ello, se propone promover la reacción entre el agua y moléculas de prepolímeros funcionalizadas con grupos isocianato, que producen CO2 como agente espumante y que favorece el recubrimiento de los áridos. Una vez desaparecida la espuma, el residuo (o ligante de áridos) puede ser considerado un betún modificado por polímeros, los cuales mejoran su comportamiento mecánico.

Rejuvenecimiento del pavimento

En las mezclas asfálticas (betún + áridos minerales) , aunque el betún constituye un componente minoritario, las prestaciones del firme asfáltico dependen, en gran medida, de aquél, dado que es el único componente deformable. Así, los esfuerzos en la regeneración del pavimento se centran en el rejuvenecimiento de la fase bituminosa. Aunque la composición química del betún es bastante compleja, sus componentes pueden clasificarse, siguiendo técnicas cromatográficas y en orden de polaridad creciente, en saturados, aromáticos y resinas (que constituyen los maltenos) y asfaltenos. Dichos compuestos forman un sistema multifásico en forma de dispersión coloidal, en la que los asfaltenos se encuentran dispersos en una matriz de los demás componentes, los maltenos.

El agotamiento de una carretera se produce, normalmente, como consecuencia del envejecimiento del ligante bituminoso, principalmente por procesos de oxidación de los componentes del mismo, lo que afecta significativamente a la estructura coloidal. Así, la degradación del betún produce un aumento significativo de la polaridad global de éste (una mayor proporción de las fracciones más polares) , conjuntamente con un aumento del peso molecular y la polidispersidad. La consecuencia fundamental de estos procesos es la fragilización del pavimento y el final de la vida del firme.

Consecuentemente, con independencia del método de reciclado de pavimentos que se utilice, el esfuerzo en el desarrollo de futuras tecnologías debe dirigirse a la mejora del comportamiento mecánico de la fracción bituminosa. Por ello, se recomienda incorporar, durante el proceso de reciclado, lo que se conoce como productos rejuvenecedores del betún. El objetivo de los agentes rejuvenecedores es el de devolver al ligante sus características originales, para que así el pavimento recupere sus propiedades iniciales. De esta forma, el término rejuvenecedor se refiere a la recuperación de las propiedades mecánicas del betún envejecido, sin referencia al modo en que se realiza.

El estado de la técnica actual muestra que los materiales rejuvenecedores que se utilizan son productos de origen petroquímico, como asfalto desasfaltado, residuos de vacío, extracto de naturaleza aromática, o betún de alta penetración (ES2116898, US4549834) . Recientemente, se ha propuesto el uso de formulaciones de mezclas de aceites de origen vegetal con betunes de petróleo (EP2118205) , o mezclas de aceites de origen vegetal vírgenes (girasol, soja, maíz, etc.) o reciclados (US2010034586) , o de aceites vegetales con disolventes de origen natural (US7008670) .

En este sentido, los agentes rejuvenecedores actuales tienen como objetivo diluir los asfaltenos (incrementados significativamente en los procesos de envejecimiento) por adición de nuevos maltenos. Consecuentemente, dichos agentes actúan físicamente en un proceso en el cual los aceites de más bajo peso molecular deben difundirse en las fases malténicas y asfalténicas recuperadas, con objeto de perturbar la estructura coloidal del ligante envejecido. De esta forma, dichos procesos no producen cambios en la composición química de los compuestos envejecidos, sino que se limitan a dispersar/disgregar aquellos agregados de moléculas altamente polares producidas por reacciones oxidativas, mediante la adición de nuevas moléculas menos polares. Su papel rejuvecenedor es, por tanto, puramente físico.

Frente a un rejuvenecimiento físico del betún envejecido, la presente invención propone el uso de rejuvenecedores químicos. Así, un juicio crítico de la situación actual muestra la ausencia total de patentes que desarrollen nuevos métodos rejuvenecedores que produzcan cambios químicos en la composición del betún envejecido por la acción de agentes químicos, que inviertan el proceso oxidativo transformando los compuestos más polares en otros con menor carácter polar, es decir en el sentido asfaltenos resinas aromáticos, o bien den lugar a la ruptura de enlaces de las moléculas más polares, produciendo una disminución del peso molecular.

Descripción de la invención... [Seguir leyendo]

1. Un ligante rejuvenecedor de betunes envejecidos caracterizado porque incluye A) medio portador, B) un agente rejuvenecedor químico, y C) un polímero reactivo de isocianato, con concentraciones respectivas comprendidas entre A) 10-90%, B) 0, 5-50% y C) 0, 1-20% (todas las concentraciones en % en peso) .

2. Un ligante rejuvenecedor, de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el medio portador caracterizado está formado por los siguientes componentes individuales o por mezcla de: betún de desasfaltado, residuos de vacío, extracto de naturaleza aromática o betún de alta penetración, aceites de origen vegetal o industrial vírgenes o reciclados.

3. Un ligante rejuvenecedor, de acuerdo con las reivindicaciones1y2, enelque el agente rejuvenecedor caracterizado está formado por alguno de los siguientes compuestos, o por una combinación de los mismos: A) difenil disulfuro, dibencil disulfuro, diamil disulfuro o bis (alkoxi aril) disulfuros; B) tiourea, dióxido de tiourea, ácido tiocarboxílico o ácido tioacético.

4. Un ligante rejuvenecedor, de acuerdo con las reivindicaciones 1, 2 y 3, en el que el polímero reactivo de isocianato caracterizado proviene de la reacción de un poliisocianato con un polietilenglicol o polipropilenglicol, con un peso molecular final medio en el intervalo comprendido entre 200 y 50.000 Da y funcionalidad entre2y4.

5. Procedimiento de preparación y aplicación de espumas químicas del medio portador del agente rejuvenecedor químico, de acuerdo con las reivindicaciones 1-4, caracterizados porque se realizan a una temperatura comprendida entre 50 y 150ºC, una proporción de agua comprendida entre el 1 y 50%, empleando mezcladores tradicionales de baja cizalla o de alta cizalla.

6. Procedimiento de preparación de espumas químicas del medio portador del agente rejuvenecedor químico, de acuerdo con las reivindicaciones 1-5, donde la mezcla se realiza empleando mezcladores de baja y alta cizalla, a presiones comprendidas entre1y4bar.