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Rheological Benchmarking of GTR-Modified Asphalt Binder as a Sustainable Alternative to SBS Modification

Este estudio demuestra que la incorporación de un 10% de caucho de neumático triturado (GTR) en el betún AC-20 produce un rendimiento reológico comparable al de un ligante modificado con SBS al 1%, estableciendo al GTR como una alternativa viable y sostenible a la modificación con SBS patentada, que es más costosa.

Autores originales: Michael Suma Appiah, Kenneth Adomako Tutu, Opeyemi Antoinette Gbadewole, Ahmed Kudu Mohammed, Yaw Adubofour Tuffour, Daniel Atuah Obeng

Publicado 2026-06-25

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CC BY 4.0

Autores originales: Michael Suma Appiah, Kenneth Adomako Tutu, Opeyemi Antoinette Gbadewole, Ahmed Kudu Mohammed, Yaw Adubofour Tuffour, Daniel Atuah Obeng

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que estás horneando un tipo especial de "pastel de carretera" (asfalto) que debe ser lo suficientemente resistente para soportar camiones pesados sin derretirse bajo el sol del verano, pero lo suficientemente flexible para no agrietarse en el invierno sin romperse.

Durante mucho tiempo, el ingrediente secreto para hacer este pastel de carretera súper fuerte ha sido un plástico sofisticado y costoso llamado SBS (Estireno-Butadieno-Estireno). Es como el "chocolate premium" del mundo de las carreteras: funciona de maravilla, pero cuesta mucho dinero porque es un producto patentado.

Por otro lado, existe un producto de desecho llamado GTR (Caucho de Neumático Molido), que no es más que neumáticos viejos picados en trozos diminutos. Es gratis (o muy barato) y ayuda al medio ambiente al mantener los neumáticos fuera de los vertederos. Pero, los constructores de carreteras en algunos lugares no estaban seguros de si el GTR era realmente tan bueno como el costoso SBS. Se mostraban reticentes a usarlo porque no tenían una "receta" clara para comparar ambos.

El Gran Experimento
Los investigadores de este artículo decidieron actuar como "chefs de carreteras" para encontrar la receta perfecta. Tomaron un ligante de carretera estándar (AC-20) y comenzaron a añadir diferentes cantidades de caucho de neumático picado (desde un 2% hasta un 12%). Luego compararon estos "pasteles de caucho de neumático" contra los "pasteles de ligante modificado con SBS" (los de chocolate premium) para ver cuál de ellos funcionaba mejor.

Esto es lo que encontraron, desglosado de forma sencilla:

1. La Prueba de Calor (Rodadura)

El Problema: En climas cálidos, el asfalto blando puede quedar aplastado por camiones pesados, dejando surcos permanentes (como una huella de neumático atrapada en el lodo).
La Prueba: Calentaron los ligantes para ver qué tan bien mantenían su forma.
El Resultado: Añadir más caucho de neumático hizo que el ligante fuera más rígido y mejor para resistir el calor.
- El Punto Dulce: Cuando añadieron un 10% de caucho de neumático, el ligante se volvió tan resistente al calor como el ligante con un 1% del costoso SBS.
- La Advertencia: Cuando añadieron un 12% de caucho de neumático, se volvió demasiado sensible. Era como una banda elástica que se rompe si la estiras demasiado; reaccionaba de forma demasiado errática ante diferentes pesos. Así que el 12% era demasiado, pero el 10% era perfecto.

2. La Prueba de Fatiga (Agrietamiento por Tráfico)

El Problea: A lo largo de los años de tráfico, las carreteras se cansan y desarrollan grietas, de forma similar a cómo un trozo de metal se dobla hacia atrás y hacia adelante hasta que se rompe.
La Prueba: Simularon años de envejecimiento por tráfico y comprobaron qué tan bien resistía el ligante el agrietamiento.
El Resultado: El ligante con 10% de caucho de neumático fue una superestrella aquí. Fue en realidad mejor resistiendo las grietas por fatiga que el ligante con 1% de SBS. De hecho, funcionó tan bien que superó incluso a los ligantes con 2% y 3% de SBS en algunas pruebas. Es como si el caucho de neumático le hubiera dado a la carretera una capa extra de "elasticidad" que le ayudaba a recuperarse del estrés.

3. La Prueba de Frío (Agrietamiento Térmico)

El Problema: En climas gélidos, el asfalto puede volverse demasiado duro y quebradizo, agrietándose como una galleta congelada.
La Prueba: Enfriaron los ligantes para ver si mantenían su flexibilidad.
El Resultado: El ligante con 10% de caucho de neumático se mantuvo más flexible en el frío que los ligantes con SBS. Los ligantes con SBS se volvieron más rígidos (duros) en el frío, lo que los hace más propensos a agrietarse. El caucho de neumático mantuvo la carretera lo suficientemente "suave" para manejar la helada sin romperse.

4. El Control de la "Magia" (Química)

La Pregunta: ¿Cambió el caucho de neumático químicamente el asfalto para convertirlo en algo nuevo, o simplemente se mezcló físicamente?
La Herramienta: Utilizaron un escáner especial (FTIR) para observar la estructura molecular.
El Resultado: El escáner mostró que no hubo cambios químicos. El caucho de neumático no se convirtió en un nuevo compuesto químico; simplemente se mezcló físicamente, como añadir chispas de chocolate a la masa de una galleta. La mejora provino de la interacción física de las partículas de caucho con el asfalto, haciéndolo más elástico y fuerte sin cambiar su receta fundamental.

El Veredicto Final

El estudio concluye que no necesitas el costoso "chocolate premium" (SBS) para obtener una carretera de alto rendimiento. Si tomas un ligante de carretera estándar y mezclas un 10% de caucho de neumático molido, obtienes un producto que:

Maneja el calor tan bien como la opción costosa.
Resiste la fatiga por tráfico incluso mejor que la opción costosa.
Maneja el clima frío mejor que la opción costosa.
Es mucho más barato y ayuda al medio ambiente al reciclar neumáticos de desecho.

En resumen: Los investigadores descubrieron que la cantidad "Goldilocks" (el punto ideal) de caucho de neumático (10%) hace que un ligante de carretera funcione tan bien como, o incluso mejor que, la costosa alternativa comercial, demostrando que los neumáticos de desecho pueden ser un ingrediente superpotente, sostenible y efectivo para nuestras carreteras.

Resumen Técnico: Evaluación Comparativa Reológica de Ligante Asfáltico Modificado con GTR

Planteamiento del Problema
El estireno-butadieno-estireno (SBS) es un elastómero termoplástico de base petrolera ampliamente utilizado para modificar el betún con el fin de mejorar sus propiedades reológicas, específicamente mejorando la resistencia al agrietamiento y a la formación de roderas bajo tráfico pesado y condiciones ambientales desafiantes. Sin embargo, el SBS es un producto patentado con altos costos que pueden incrementar significativamente los gastos de los proyectos de construcción. Por el contrario, el caucho de neumáticos triturados (GTR, por sus siglas en inglés), derivado de neumáticos de desecho, ofrece una alternativa sostenible y rentable que mejora el rendimiento del asfalto y reduce las emisiones de gases de efecto invernadero durante su ciclo de vida. A pesar de estos beneficios potenciales, los ligantes modificados con GTR no han visto una aplicación generalizada en ciertas regiones, debido en parte a una comprensión empírica limitada de cómo sus características de rendimiento se comparan con los ligantes modificados con SBS ya establecidos. Existe una falta de investigación comparativa que evalúe el GTR frente al SBS para determinar si el GTR puede servir como un sustituto viable en aplicaciones de pavimentos de alto rendimiento.

Metodología
El estudio tuvo como objetivo identificar una dosificación óptima de GTR para un ligante asfáltico de grado AC-20 que produzca características reológicas comparables a los ligantes comerciales modificados con SBS.

Materiales: Los investigadores utilizaron un betún base AC-20. El GTR fue producido a partir de un neumático Yokohama de seis años de antigüedad, procesado en partículas con un rango de 75 µm a 300 µm. Los ligantes comerciales modificados con SBS que contenían entre 1%, 2% y 3% de SBS (correspondientes a los grados Superpave PG 70-22, PG 76-22 y PG 82-22) sirvieron como controles.
Preparación: El GTR se mezcló en el betún AC-20 en dosificaciones del 2% al 12% (en incrementos del 2%) utilizando un mezclador de cizallamiento de alta velocidad (5000 rpm durante 45 minutos), seguido de un periodo de digestión a 165 °C durante 2 horas.
Acondicionamiento: Las muestras se sometieron al acondicionamiento de envejecimiento Superpave, incluyendo el horno de película delgada con rodillos (RTFO) para el envejecimiento a corto plazo y el vaso de envejecimiento por presión (PAV) para el envejcción a largo plazo.
Pruebas: La caracterización reológica se llevó a cabo de acuerdo con los estándares AASHTO y ASTM:
- Resistencia a la formación de roderas: Evaluada mediante el reómetro de corte dinámico (DSR) para el módulo de cizallamiento complejo ( $|G^*|/\sin\delta$ ) en muestras no envejecidas y envejecidas por RTFO, y la prueba de recuperación de fluencia por esfuerzo múltiple (MSCR) (AASHTO M332) para determinar la complacencia de fluencia no recuperable ( $J_{nr}$ ) y la sensibilidad al esfuerzo.
- Agrietamiento por fatiga: Evaluado mediante DSR en muestras envejecidas por PAV utilizando el parámetro de fatiga ( $|G^*|\cdot\sin\delta$ ).
- Agrietamiento térmico: Evaluado mediante el reómetro de viga de flexión (BBR) para medir la rigidez ( $S$ ) y la tasa de cambio de rigidez (valor $m$ ).
- Análisis químico: Se realizó espectroscopía de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) para detectar cambios estructurales moleculares o interacciones químicas.

Resultos Clave

Resistencia a la formación de roderas: El aumento de la dosificación de GTR mejoró la resistencia a la formación de roderas. A 70 °C, los ligantes modificados con GTR al 10% (G10) y al 12% (G12) cumplieron con el criterio de rodadura Superpave para ligantes no envejecidos, desempeñándose de manera comparable a los ligantes modificados con SBS. En las pruebas MSCR en muestras envejecidas por RTFO, los G10 y G12 alcanzaron grados de carga de tráfico "Extremo" (E), similares a todos los controles de SBS. Sin embargo, el G12 exhibió una diferencia de $J_{nr}$ del 99.57%, superando el umbral del 75% para la sensibilidad al esfuerzo, lo que indica una potencial inestabilidad. El G10 mantuvo una diferencia de $J_{nr}$ aceptable (50.60%) cumpliendo al mismo tiempo con los requisitos de tráfico Extremo.
Agrietamiento por fatiga: La modificación con GTR redujo consistentemente el parámetro de fatiga ( $|G^*|\cdot\sin\delta$ ), indicando una mejor resistencia a la fatiga. A 31 °C, el ligante G10 mostró una reducción del 124.9% en el parámetro de fatiga en comparación con el ligante SBS al 1% (PG 70-22). El G10 cumplió con éxito los criterios de agrietamiento Superpave a 22 °C, mientras que los ligantes SBS al 1% y 2% fallaron.
Agrietamiento térmico: El ligante G10 demostró una menor rigidez (98 MPa) y un valor $m$ favorable (0.36) en comparación con el ligante SBS al 1% (rigidez de 156 MPa, valor $m$ de 0.34). Esta combinación sugiere una mayor flexibilidad y relajación de esfuerzos, lo que conduce a una mejor resistencia al agrietamiento térmico que los controles de SBS.
Interacción química: El análisis FTIR no reveló alteraciones químicas detectables ni nuevos grupos funcionales en los ligantes modificados con GTR en comparación con el ligante base. Las mejoras en el rendimiento se atribuyeron a interacciones físicas, tales como la dispersión y el hinchamiento de las partículas, en lugar de una modificación química.

Conclusiones y Significado
El estudio concluye que una dosificación de GTR del 10% (G10) representa el contenido óptimo para modificar el ligante AC-20. Esta dosificación proporciona una mejora equilibrada en la resistencia a la formación de roderas, al agrietamiento por fatiga y al agrietamiento térmico, comparándose eficazmente con un ligante SBS al 1% (PG 70-22). Si bien el GTR al 12% ofreció una resistencia a la formación de roderas similar, su alta sensibilidad al esfuerzo hace que el 10% sea el umbral superior práctico.

La importancia de esta investigación radica en demostrar la viabilidad de utilizar el GTR como una alternativa sostenible al SBS. Los hallazgos sugieren que la modificación con GTR puede lograr características reológicas comparables o superiores a la modificación con SBS de baja dosificación sin alteración química del ligante. Esto ofrece una vía para reducir los costos de construcción y desviar los neumáticos de desecho de los vertederos manteniendo altos estándares de rendimiento del pavimento. Los autores señalan que, aunque se determinó el 10% como óptimo en este estudio específico, las aplicaciones prácticas pueden requerir la determinación experimental basada en fuentes de materiales locales.

1. La Prueba de Calor (Rodadura)

2. La Prueba de Fatiga (Agrietamiento por Tráfico)

3. La Prueba de Frío (Agrietamiento Térmico)

4. El Control de la "Magia" (Química)

El Veredicto Final

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