Experimental and Life Cycle assessment of RAP modified with Fe2O3 and Waste Cooking Oil Admixtures

Resumen Técnico: Evaluación Experimental y de Ciclo de Vida de RAP Modificado con Aditivos de Fe2O3 y Aceite de Cocina Usado

Planteamiento del Problema
Los pavimentos asfálticos sufren frecuentemente de fallas como el agrietamiento térmico a bajas temperaturas, la ahuellamiento (rutting) a altas temperaturas y daños por humedad, impulsados por el tráfico pesado, deficiencias de construcción y factores ambientales. Si bien los aditivos asfálticos pueden mejorar el rendimiento, los modificadores únicos rara vez mejoran todas las propiedades simultáneamente. Además, la industria de la construcción de carreteras depende en gran medida de los recursos naturales y de procesos que consumen mucha energía, lo que contribuye significativamente a la contaminación ambiental. Aunque el Pavimento Asfáltico Recuperado (RAP), el Aceite de Cocina Usado (WCO) y el Nano Fe2O3 han sido investigados individualmente, existe una falta de investigación con respecto a su aplicación compuesta en mezclas de RAP y la cuantificación sistemática de sus impactos mecánicos y ambientales combinados.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque de modificación de doble aditivo para evaluar mezclas de asfalto con RAP. Se prepararon y probaron cinco mezclas distintas:

1. Mezcla de control (asfalto virgen).
2. Mezcla con RAP (20% de RAP).
3. Mezcla con RAP modificada con Aceite de Cocina Usado (WCO) en dosis variables (5%, 7%, 9%).
4. Mezcla con RAP modificada con Nano Fe2O3 en dosis variables (2%, 3%, 4%).
5. Mezcla con RAP con un compuesto de Nano Fe2O3 y WCO.

Evaluación Experimental:

• Preparación de las Muestras: Se utilizó un método de mezclado en seco. Los agregados se calentaron a 175 °C, se mezclaron con los aditivos, seguido del betún virgen (grado 60/70) a 160–170 °C, y finalmente el relleno (filler).
• Pruebas Mecánicas:
  • Ensayo Marshall: Determinó el contenido óptimo de ligante, estabilidad, fluidez, densidad y vacíos de aire.
  • Seguimiento de Rueda (Hamburg): Evaluó la resistencia al ahuellamiento a 60 °C bajo una presión de 0.7 MPa.
  • Inmersión Marshall: Evaluó la resistencia al daño por humedad (Relación de Susceptibilidad a la Humedad - MSR).
  • Resistencia a la Tracción Indirecta (ITS): Midió la resistencia al agrietamiento por baja temperatura a -5 °C.
• Evaluación del Ciclo de Vida (LCA):
  • Unidad Funcional: Longitud de 1 km × ancho de 1 m de la capa de rodadura (vida de diseño de 15 años, 20,000 vehículos/día).
  • Límites del Sistema: Incluyó la producción de materia prima, la fabricación de la mezcla bituminosa, el transporte y la construcción de la capa de rodadura. Se excluyeron las fases de diseño, uso y fin de vida.
  • Herramientas y Datos: Software SimaPro 9.1.0 con la base de datos Ecoinvent (V 3.6) y el método de evaluación de impacto CML2001.
  • Categorías de Impacto: Se evaluaron 10 categorías, incluyendo Potencial de Calentamiento Global (GWP), Acidificación (AP), Eutrofización (EP), Agotamiento de la Capa de Ozono (OLD) y diversas potencialidades de toxicidad.

Resultados Clave

• Desempeño Mecánico:
  • Resistencia al Ahuellamiento: El Nano Fe2O3 mejoró significativamente la resistencia al ahuellamiento. La mezcla compuesta (M8) logró la mayor mejora, reduciendo la profundidad del ahuellamiento en un 38.60% en comparación con el control. El WCO por sí solo aumentó ligeramente la profundidad del ahuellamiento.
  • Agrietamiento por Baja Temperatura: El WCO demostró un efecto superior en la resistencia al agrietamiento térmico en comparación con el Nano Fe2O3. La mezcla compuesta (M8) registró la mayor Resistencia a la Tracción Indirecta (ITS), mejorando en un 30.21% respecto al control.
  • Resistencia a la Humedad: El Nano Fe2O3 mostró un mayor efecto en la resistencia al daño por humedad que el WCO. La mezcla compuesta (M8) alcanzó la mayor Relación de Susceptibilidad a la Humedad (MSR), incrementándola en un 8.24% sobre el control.
  • Dosificaciones Óptimas: Basándose en los resultados del ensayo Marshall, se identificaron como dosificaciones óptimas para mezclas de modificador único el 4% de Nano Fe2O3 (M4) y el 9% de WCO (M7).
• Desempeño Ambiental (LCA):
  • Modificadores Únicos: La mezcla con RAP (M1) mejoró los impactos ambientales en todas las categorías en comparación con el control. La mezcla con Nano Fe2O3 (M4) mostró el mejor perfil ambiental general entre las mezclas modificadas, aunque exhibió impactos negativos menores en las categorías EP, GWP, TETP y OLD. La mezcla con WCO (M7) también mejoró el perfil, pero mostró impactos negativos en categorías similares.
  • Modificador Compuesto: La mezcla compuesta (M8) generalmente mejoró el perfil ambiental en comparación con el control, pero mostró los mayores impactos negativos en varias categorías (TETP, AP, EP, OLD, GWP) en relación con otras mezclas modificadas.
  • Contribuciones de Procesos: La producción de betún fue el principal impulsor para AP, EP, GWP, HTP, FWETP, MAETP y POFP. La fabricación de la mezcla asfáltica impulsó los impactos de OLD, mientras que el transporte impulsó ADP y TETP.
  • Ponderación: Utilizando un método de ponderación de panel canadiense, todas las mezclas modificadas mostraron impactos ambientales generales menores que la mezcla de control. La mezcla modificada con Nano Fe2O3 (M4) tuvo el impacto ambiental general más bajo, seguida de la mezcla compuesta (M8).

Significancia y Afirmaciones
Los autores afirman que este estudio constituye la primera investigación sistemática sobre la modificación compuesta de asfalto con RAP utilizando tanto WCO como Nano Fe2O3. La investigación demuestra que, si bien los aditivos individuales tienen fortalezas específicas (Nano Fe2O3 para ahuellamiento y humedad; WCO para agrietamiento por baja temperatura), un enfoque compuesto produce el mejor desempeño mecánico general, mejorando significativamente la resistencia al ahuellamiento, la estabilidad ante la humedad y la resistencia al agrietamiento térmico de forma simultánea.

Respecto a la sostenibilidad ambiental, el estudio concluye que, aunque la mezcla compuesta ofrece propiedades mecánicas superiores, la modificación con un solo componente (Nano Fe2O3) ofrece el perfil ambiental general más favorable cuando se consideran las categorías de impacto ponderadas. El artículo sostiene que los aditivos compuestos son una estrategia viable para mejorar la eficiencia general y la vida útil de las mezclas asfálticas sin comprometer la sostenibilidad ambiental, proporcionando datos para apoyar la toma de decisiones en las políticas de construcción de carreteras en Egipto y contextos similares. Los autores enfatizan que ningún aditivo único puede mejorar todas las propiedades de la mezcla, lo que justifica la necesidad de soluciones compuestas.