Investigación aplicada en la Ingeniería

Innovación en materiales asfálticos para carreteras

En este artículo se exponen los retos a los que se enfrenta la ingeniería de carreteras en los próximos años y cómo abordarlos a través de la innovación. Entre estos retos, destacan los asociados al incremento en las cargas de tráfico, junto a la exposición a fenómenos climatológicos extremos como consecuencia del cambio climático, en carreteras que presentan un avanzado grado de deterioro. Las investigaciones llevadas a cabo en las últimas décadas sobre materiales asfálticos de altas prestaciones mecánicas, sostenibles, automatizados e inteligentes están lo suficientemente maduras para ser implementadas. Por ello, la innovación mediante la transferencia de estas tecnologías es una gran herramienta para dar respuesta a estos desafíos; incluso ha facilitado la captación de recursos económicos para su implementación en carreteras andaluzas en los próximos años.

Palabras clave: Ingeniería, asfalto, carreteras, innovación, tecnología.

This article describes the challenges that road engineering faces in the coming years, and how to respond to them through innovation. The most relevant ones come from the increase in traffic loads and the exposure to extreme weather events as a result of climate change. In addition, our roads are in an advanced degree of deterioration that requires urgent repair and maintenance actions. The research carried out in recent decades on asphalt materials with high mechanical, sustainable, automated and intelligent performance is mature enough to be implemented on our roads in the coming years. Therefore, innovation through the transfer of these technologies is a great tool to respond to these challenges; this even facilitated economic resources for its implementation on Andalusian roads in the coming years.

Keywords: Engineering, asphalt, roads, innovation, technology.

Carmen Rubio Gámez

Catedrática de universidad en el Área de Ingeniería de la Construcción en la ETSICCP de la UGR.

Directora del grupo de investigación LabIC.UGR.

Detalle del dispositivo UGR-Fact.

Al hablar de la innovación en materiales asfálticos para carreteras, es importante hacer un diagnóstico previo de algunos de los fenómenos que vienen produciéndose en estos últimos años y que tendremos que tener muy presentes en la concepción de las denominadas carreteras de 5.ª generación o carreteras del futuro.

Entre ellos, aspectos como la explosión demográfica, la globalización del comercio a nivel mundial o el aumento de la frecuencia y severidad de los fenómenos climáticos han provocado un incremento considerable de las solicitaciones sufridas en la red de carreteras y de su deterioro. Este hecho, unido a los años de servicio que la mayor parte de estas infraestructuras acumulan, hace que sus administradores se enfrenten al reto de mejorar la eficiencia de las tareas de conservación para seguir ofreciendo un adecuado nivel de prestaciones. Además, hay que tener en cuenta los problemas asociados a la escasez de recursos naturales, el incremento de sus costes y a la generación de residuos, que conllevan la necesidad de cambiar el modelo productivo lineal tradicional por el de economía circular. Por otra parte, en un horizonte cercano, las actuaciones de conservación a realizar en carreteras también tendrán que contemplar soluciones que permitan satisfacer las actuales y futuras demandas de sus usuarios, promotores y gestores (carretera conectada, facilitar el guiado de vehículos autónomos, sistemas de construcción y gestión digitalizados, etc.).

La cuestión entonces es: ¿cómo abordar estos retos?, ¿cómo continuar prestando un servicio bajo estos nuevos condicionantes de sostenibilidad, digitalización y durabilidad? La respuesta la proporcionan los materiales asfálticos de altas prestaciones mecánicas, sostenibles, automatizados e inteligentes. Desde hace más de 15 años, en el Laboratorio de Ingeniería de la Construcción de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la Universidad de Granada (LabIC.UGR), estamos trabajando en el diseño y desarrollo de estos materiales y tecnologías. Nuestra investigación comienza por el estudio de los materiales constituyentes de una mezcla asfáltica (áridos, filler, ligante hidrocarbonado y aditivos), incorporando siempre criterios de economía circular en su diseño, abogando por el uso de tecnologías de fabricación que minimicen las emisiones atmosféricas y el consumo energético y utilizando métodos de ensayo avanzados que nos permitan conocer su comportamiento mecánico frente a las cargas de tráfico y climatología a las que se verá expuesta, con objeto de obtener un pavimento lo más duradero posible.

En este sentido, en los últimos años destaca el desarrollo de nuevos materiales como los betunes modificados de alta viscosidad o los altamente modificados, así como de otros aditivos (fibras, ceras, activantes de adhesividad, etc.) que contribuyen de manera directa a mejorar las propiedades mecánicas y durabilidad de las mezclas asfálticas.

En cuanto a los métodos de ensayo avanzados, considerando que el ligante ejerce un papel fundamental en el comportamiento mecánico de la mezcla, un aspecto clave es el estudio de su reología y de la evolución de esta como consecuencia del envejecimiento al que se verá sometido debido a su calentamiento y a la exposición a agentes climáticos durante su vida de servicio. En este ámbito, destaca el nuevo enfoque para la caracterización del comportamiento de ligantes asfalticos a través del Multiple Stress Creep and Recovery Test propuesto por Moreno-Navarro, F. et al. (2019) o los estudios sobre envejecimiento de Tauste, R. et al., (2018). La evaluación a nivel de mástico/mortero mediante DMA (dynamic mechanical analyzer) es, por otra parte, una gran herramienta para analizar la influencia que los distintos tipos de filler (cemento, filler de recuperación, carbonato cálcico, etc.) o aditivos pueden ejercer en la respuesta mecánica del pavimento asfáltico (Hidalgo, A.E. et al., 2020).

A nivel de mezcla asfáltica, es imprescindible estudiar su comportamiento simulando las condiciones a las que se verá expuesta durante su vida de servicio (tanto en lo que se refiere a tráfico como a temperaturas y humedad). La literatura pone de manifiesto la profundidad con la que se han estudiado los modos de deterioro más comunes, como son las deformaciones plásticas, la pérdida de partículas por problemas de cohesión/adhesión, la pérdida de capacidad portante o la fisuración por fatiga. 

©Sven Kucinic

Sin embargo, es este último tipo de deterioro, la fisuración por fatiga, uno de los fenómenos más complejos de analizar en materiales viscoelásticos como son las mezclas bituminosas, siendo además el responsable del daño más severo, que provoca el fallo estructural del pavimento. Precisamente por ello, en 2009 iniciamos una línea de investigación con el objetivo de desarrollar un nuevo método de ensayo que nos permitiera conocer mejor esta patología, e incorporarlo como criterio de diseño en mezclas asfálticas. El resultado de esos trabajos ha sido UGR-FACT (University of Granada – Fatigue Asphalt Cracking Test) (Moreno-Navarro, F., 2013), que permite estudiar y diseñar mezclas bituminosas evaluando aspectos como la ductilidad, la velocidad de propagación del daño, la influencia del espesor de capa o el fenómeno de healing (Moreno-Navarro, F. et al., 2015), lo que ha supuesto una gran contribución al diseño de pavimentos asfálticos más duraderos.

Por otra parte, los trabajos de caracterización de materiales atendiendo a su resistencia estructural y a la fisuración por fatiga, reproduciendo secciones a escala 1:1, han permitido catalogar diferentes tipologías de mezclas asfálticas, proporcionando una información real sobre su vida útil para mejorar el dimensionamiento de firmes en base a datos experimentales (Sol-Sánchez, M. et al., 2015). LabIC.UGR está desarrollando una herramienta (software) para calcular espesores de capas a incluir en el diseño de pavimentos.

En los últimos años destaca el desarrollo de nuevos materiales como los betunes modificados de alta viscosidad o los altamente modificados

Otra de las soluciones innovadoras en ingeniería de carreteras que mayor peso está teniendo en los últimos años es la inclusión de criterios de sostenibilidad en la elección de los materiales constituyentes, en el diseño de las mezclas y en las tecnologías de fabricación. Así, se han hecho grandes esfuerzos para minimizar el impacto causado por la escasez de materias primas y la escalada de sus costes, y en maximizar las ventajas no solo ambientales, sino también técnicas y económicas, derivadas de la reutilización/valorización de residuos y subproductos industriales. Destacan los grandes avances conseguidos en la reutilización de materiales asfálticos procedentes del fresado de carreteras deterioradas, donde encontramos tecnologías que permiten la fabricación de mezclas bituminosas con altas tasas (por encima del 50% en peso) de material reutilizado de firmes deteriorados (Lizárraga, J.M., 2017). También se ha demostrado que pueden diseñarse y utilizarse mezclas bituminosas con tasas en torno al 20% de forma habitual en cualquier capa del firme (incluso en rodadura). Esta reutilización del material procedente de fresado tiene un impacto directo en la disminución del consumo de áridos naturales procedentes de canteras.

En esta línea, en las últimas décadas se han conseguido grandes logros en el diseño de materiales asfálticos que permiten la sustitución de los materiales granulares (áridos naturales) por residuos y subproductos locales como las escorias de acería, áridos procedentes de residuos de construcción y demolición, áridos artificiales, etc. (Rubio-Gámez, M.C., 2010), lo que supone un fuerte impulso en la implementación de la economía circular.

Detalle del ensayo de una sección completa de firme de 2 m² a escala 1:1.

Mención especial merecen también los avances relacionados con la puesta en valor de polímeros reciclados (polvo de caucho procedente de neumáticos fuera de uso, poliolefinas de baja-media densidad, etc.) como modificadores de la respuesta mecánica de los materiales bituminosos. En términos generales, se ha demostrado que estos residuos mejoran la resistencia a deformaciones plásticas y fisuración de los pavimentos asfálticos y también su susceptibilidad térmica (Tauste, R., 2021).

Dentro de estos materiales sostenibles, destacan a su vez los biomateriales, y en particular los bioligantes, ofreciendo una alternativa a los tradicionales ligantes asfálticos derivados de recursos naturales no renovables como el petróleo.

En términos de reducción de energía y combustibles no renovables, así como de emisiones de gases contaminantes asociados a la producción y puesta en obra de materiales asfálticos para firmes de carreteras, también se han conseguido grandes innovaciones. Las mezclas bituminosas semicalientes, fabricadas con reducciones de temperatura de al menos 20 °C con respecto a las mezclas en caliente tradicionales (mediante la espumación directa o indirecta del betún o la incorporación de aditivos como los tensoactivos, ceras, etc.) y con unas prestaciones mecánicas del mismo orden, proporcionan una alternativa frente al uso de las mezclas convencionales en caliente. Asimismo, las tecnologías de fabricación a temperatura ambiente y templadas (en torno a los 70-100 °C) han visto implementados grandes avances, consiguiendo materiales de elevadas prestaciones mecánicas comparables en algunos casos a los de las mezclas semicalientes y en caliente tradicionales (Rubio-Gámez, M.C. 2012). Todos estos materiales fabricados con reducción de temperatura, además de las ventajas medioambientales anteriormente citadas, también pueden suponer una reducción de costes de fabricación, un incremento de las ventanas de trabajo tanto estacionales como geográficas y una mejora en la salud ocupacional de los trabajadores.

Es el momento de apostar por el salto definitivo a una economía circular

Para poder cuantificar las ventajas ambientales derivadas del empleo de tecnologías sostenibles y fomentar así su inclusión en los futuros proyectos de carreteras, estamos desarrollando una herramienta que permite el cálculo del análisis del ciclo de vida y análisis económico del ciclo de vida, basada en datos experimentales obtenidos de los estudios de durabilidad de pavimentos de carreteras y de los procesos de fabricación y puesta en obra de mezclas asfálticas (Mattinzioli, T. et al., 2022).

Finalmente, y con el objetivo de tratar de dar respuesta a las futuras demandas de administradores y usuarios de la carretera, se está trabajando en una nueva generación de materiales y estructuras asfálticas capaces de proporcionar información sobre el tráfico que circula por ellas, sus niveles de cargas por eje y velocidad de circulación y sobre la salud estructural del firme. Asimismo, también se están desarrollando nuevos sistemas capaces de ofrecer información que permita una ayuda al posicionamiento y conducción de vehículos autónomos, minimizar el impacto de fenómenos climáticos como el hielo y la nieve o recuperar y aprovechar parte de la energía de los mismos (Moreno-Navarro, F. et al., 2019).

Los conocimientos que se han ido adquiriendo en todos estos años de investigación, en donde los proyectos y contratos desarrollados en colaboración con la industria y organismos públicos gestores de infraestructuras de transporte han tenido un papel fundamental, nos han permitido aunar diferentes materiales y tecnologías sostenibles en un único material asfáltico denominado MASAI.

MASAI es un material asfáltico sostenible, automatizado e inteligente, desarrollado por LabIC.UGR, que ha sido pensado y diseñado para dar respuesta a las necesidades presentes y futuras de la carretera. Son materiales completamente integrados en los modelos de economía circular y simbiosis industrial que abogan por un autoconsumo de los residuos generados por la carretera, la utilización de residuos/subproductos procedentes de otras industrias locales, la mejora de las prestaciones mecánicas y la durabilidad, y la disminución del consumo energético y emisiones de gases de efecto invernadero. Se caracterizan por ofrecer una mejora en prestaciones mecánicas y durabilidad respecto a las mezclas tradicionales y por estar fabricados a temperaturas inferiores a los 140 °C, poniendo en valor o reutilizando materiales procedentes de residuos o de firmes deteriorados, e integrando soluciones que permiten recibir/enviar información para ofrecer diferentes funciones que contribuyan a la mejora en seguridad vial, evaluación de la salud estructural del pavimento, controlar el aforo, velocidad, pesaje, etc. (Moreno-Navarro, F. et al., 2021).

©Fernando Madariaga

Desde la primera actuación MASAI hasta diciembre de 2021, se han puesto en obra más de 18.550 t de estos materiales. Su empleo ha supuesto una contribución sin precedentes en mezclas asfálticas para capas de rodadura, así como en la reutilización de material fresado procedente de pavimentos deteriorados, en la valorización de residuos como el polvo de caucho procedente de neumáticos fuera de uso y a la reducción de emisiones de gases contaminantes asociadas a la fabricación de los materiales asfálticos.

Uno de los mayores logros de las mezclas MASAI, en momentos en los que siendo tan necesario acometer actuaciones de rehabilitación de pavimentos se dispone de un presupuesto muy reducido, es el haber permitido a la Consejería de Fomento, Infraestructuras y Ordenación del Territorio (CFIOT) de la Junta de Andalucía la captación de 60 millones de euros procedentes de fondos europeos REACT-EU. Estos fondos permitirán la rehabilitación de más de 100 km de autovías, a través de la puesta en obra de unas 420.000 t de mezclas MASAI entre los años 2022 y 2023. Todo ello ha sido posible gracias a la estrecha colaboración entre la CFIOT, LabIC.UGR y empresas del sector, que ha supuesto un hito de transferencia e innovación.

Conclusiones

Actualmente contamos con los conocimientos y experiencia necesarios para el diseño, fabricación y puesta en servicio de nuevos materiales capaces de dar respuesta a las necesidades de la carretera. Hemos visto como durante los últimos años se ha hecho un gran esfuerzo en investigación y esto ha permitido el desarrollo de materiales y tecnologías avanzadas, suficientemente maduras para ser aplicadas. Es el momento de apostar por el salto definitivo a una economía circular y de innovar en los diseños de los futuros proyectos de carreteras, donde la inclusión de materiales asfálticos y tecnologías sostenibles, automatizados e inteligentes han demostrado ser una gran oportunidad para la captación de recursos económicos y mejorar el estado de nuestra red de carreteras.

Referencias

1

Hidalgo, A.E., Moreno-Navarro, F., Taute, R., Rubio-Gámez, M.C., (2020). The influence of Reclaimed Asphalt Pavement on the Mechanical Performance of Bituminous Mixtures. An Analysis at the Mortar Scale. Sustainability. Vol. 12, pp. 83-43.

2

Lizárraga, J.M., Jiménez del Barco, A., Ramirez, A., Díaz, P., Moreno-Navarro, F., Rubio-Gámez, M.C. (2017). Mechanical performance assessment of half warm recycled asphalt mixes containing up to 100 % RAP. Materiales de Construcción. Vol. 67 (327). DOI: 10.3989/mc.2017.05116.

3

Mattinzioli, T., Sol-Sánchez, M., Jiménez del Barco, A., Moreno-Navarro, F. Rubio-Gámez, M.C. (2021). Analysis of the GHG savings and cost-effectiveness of asphalt pavement climate mitigation strategies. Journal of Cleaner Production. Vol. 320, 128768.

4

Moreno-Navarro, F., Rubio-Gámez, M.C. (2013). UGR-FACT test for the study of fatigue cracking in bituminous mixes. Journal of Construction and Building Materiales. Vol. 43, pp. 184-190.

5

Moreno-Navarro, F., Sol-Sánchez, M., Rubio-Gámez, M.C. (2015). Exploring the recovery of fatigue damage in bituminous mixtures: the role of healing. Road Materials and Pavement Design. Vol. 16, pp. 75-89.

6

Fernando Moreno-Navarro, Raúl Tauste, Miguel Sol-Sánchez & M. Carmen Rubio-Gámez (2019). New approach for characterising the performance of asphalt binders through the multiple stress creep and recovery test. Road Materials and Pavement Design, 20:sup1, S500-S520, DOI: 10.1080/14680629.2019.1595094.

 

7

Moreno-Navarro, F., Iglesias, G.R., Rubio-Gámez, M.C. (2019). Automation in Construction. Encoded asphalt materials for the guidance of autonomous vehicles. Vol. 99, pp. 109-113.

8

Moreno-Navarro, F., Rubio-Gámez, M.C., Sierra, F.J. (2021). MASAI, los materiales de la próxima generación de carreteras andaluzas. Caminos Andalucía. Pp. 24-27.

9

Tauste, R., Moreno-Navarro, F., Sol-Sánchez, M., Rubio-Gámez, M.C. (2018). Understanding the bitumen ageing phenomenon: A review. Journal of Construction and Building Materiales. Vol. 192, pp. 593-609.

10

Tauste, R., Moreno-Navarro, F., Sol-Sánchez, M., Rubio-Gámez, M.C. (2021). Multiscale evaluation of the effect of recycled polymers on the long-term performance of bituminous materials. Road Materials and Pavement Design. Vol. 22, pp. 99-116.

11

Rubio-Gámez, M.C., Moreno-Navarro, F., Belmonte, A., Menéndez, A. (2010). Reuse of waste material from decorative quartz solid surfacing in the manufacture of hot bituminous mixes. Journal of Construction and Building Materials. Vol. 24, pp. 610-618.

12

Rubio-Gámez, M.C., Martínez-Montes, G., Baena, L., Moreno-Navarro, F. (2012). Warm Mix Asphalt: An overview. Journal of Cleaner Production. Vol. 24, pp. 76-84.

13

Sol-Sánchez, M., García-Travé, G., Moreno-Navarro, F., Rubio-Gámez, M.C. (2015). Laboratory study of the long-term climatic deterioration of asphalt mixtures. Journal of Construction and Building Materials. Vol. 88, pp. 32-40.