DYNA

1. Introducción

Colombia reporta 253 terminales aéreos o aeropuertos de pasajeros, de los cuales aproximadamente el 67.6% (171), 20.6% (52), 6.3% (16) y 5.5% (14) son administrados por alcaldías municipales, aeronáutica civil, concesionados a cargo de la Agencia Nacional de Infraestructura Colombiana (ANI) y otros, respectivamente, de los cuales, 12 son internacionales [1]. En el año 2019 se reportaron 268 rutas aéreas (165 nacionales y 103 internacionales) que movilizaron aproximadamente 45.5 millones de personas (65.9% destino nacional y 34.1% internacional) [1].

Adicionalmente, se reporta la movilización de 808.000 toneladas de carga para el comercio nacional y exterior. En total, para el año 2022 se alcanzaron aproximadamente 1.246.135 y 149.172 operaciones nacionales e internacionales, respectivamente[2]. No se reportan datos de años siguientes, dado que estos valores fueron inferiores en años siguientes debido a la pandemia de Covid-19.

Los pavimentos aeroportuarios son estructuras de materiales que se diseñan y construyen para soportar la acción del tránsito de aeronaves y la incidencia del clima[3]. Estos pavimentos presentan similitud con los pavimentos de carreteras en lo referente a los tipos de materiales[4,5]. Sin embargo, presentan diferencias considerables en la magnitud de carga, presiones, dimensiones, numero de repeticiones de carga, velocidad de aplicación, entre otros[6]. En la Tabla 1 se observa un comparativo entre las principales características de pavimentos aeroportuarios y pavimentos de carreteras.

Los pavimentos aeroportuarios requieren mayor capacidad estructural para soportar la acción dinámica de las aeronaves[5]. Lo anterior implica mayores requerimientos técnicos en los materiales en términos de su rigidez y de espesores de las capas[6]. Adicionalmente, en las pistas de aterrizaje y despegue y rodaje o de aproximaciones se presenta mayor interacción dinámica entre la superficie y la aeronave[4]. Lo anterior implica mayor calidad en los aspectos funcionales del pavimento en términos de mayor resistencia al deslizamiento, rugosidad y menores deterioros superficiales, dado que las velocidades de operación de las aeronaves oscilan entre 260 a 280 km/hora[7,8].

El diseño de mezclas asfálticas para pavimentos aeroportuarios está regulado por las especificaciones de la Administración Federal de Aviación FAA AC 150/5370[9]. La especificación contempla mezclas tipo P-401 tipo I, II y III, las cuales hacen referencia al tamaño máximo del agregado de 25 mm, 19 mm y 12.5 mm, respectivamente. El diseño se puede realizar por medio del ensayo Marshall o metodología Superpave. El asfalto por utilizar deberá ser calificado por grado de desempeño, por sus siglas en ingles PG Performance Grade según la especificación ASTM D4318. Adicionalmente deberá proporcionar recuperación elástica de 75% obtenida en el ensayo ASTM D6084. De forma general se requiere el uso de características Cementos Asfalticos Modificados CAM con polímeros. La obtención del contenido óptimo de asfalto se establece para garantizar vacíos con aire Va en la mezcla de 3.5%. Asimismo, se debe garantizar la adherencia al daño por humedad inducida en la mezcla asfáltica, la cual es establecida por el parámetro TSR (Tensile Strength Ratio, por sus siglas en inglés) mínimo del 80%. Ese parámetro se obtiene a partir del ensayo ASTM D4867. Adicionalmente, se deben realizar ensayos para evaluar la resistencia a la deformación permanente que se puede evaluar mediante los ensayos de rueda de carga de Hamburg según AASHTO T-324 o el equipo APA (Asphalt Pavement Analyzer) conforme AASHTO T-340, los cuales establecen un valor máximo de desplazamiento final en la mezcla de 10 mm a 20000 y 40000 pasadas de carga a 50ºC y 64ºC, respectivamente.

Por lo anterior, para el diseño de mezclas asfálticas generalmente se requiere el uso de asfaltos modificados, a fin de generar mayor rigidez, resistencia a la deformación permanente y durabilidad de los pavimentos. Usualmente, se emplean modificadores del asfalto que pueden ser polímeros de tipo plastómeros o elastómeros, a fin de generar mayor rigidez o recuperación elástica[10]. En los últimos se investigado el uso de materiales alternativos para la modificación de asfalto. El uso de residuos plásticos para la fabricación de mezclas asfálticas contribuye a la preservación y conservación del medio ambiente por proponer una forma de disposición final de residuos sólidos[11-13]. La incorporación de plástico se puede realizar mediante la vía seca o húmeda, las cuales consisten en la adición sobre los agregados o modificación del asfalto, respectivamente[14]. Algunas investigaciones recomiendan el uso de plástico por vía seca empleando partículas cuadradas de tamaño inferior a 2.36 mm[15-17]. De forma general, el uso de plástico genera un incremento de la resistencia ante carga monotónica y cíclica, evidenciada por en el ensayo Marshall, resistencia a tensión indirecta, módulo resiliente, deformación permanente, resistencia a la fatiga. en referencia a las mezclas convencionales (sin incorporación de plásticos) [18-22]. En la literatura no se reporta un contenido específico de plástico a incorporar, dado que depende del tipo de asfalto, agregados, granulometrías, tipo de mezcla, entre otras. Sin embargo, los rangos típicos de incorporación oscilan entre 2% a 10% en referencia a la masa del asfalto (vía húmeda)[23-25]y entre 0.1% y 1.0% en referencia a la masa total[15-18]. De forma general, diversos estudios se han realizado -para evaluar la incorporación de residuos plásticos en mezclas asfálticas para pavimentos de carreteras. Sin embargo, pocos estudios se reportan para mezclas asfálticas de pavimentos aeroportuarios.

El objetivo de este estudio fue evaluar el desempeño físico-mecánico de una mezcla asfáltica P-402 tipo II fabricada con cemento asfaltico modificado CAM con residuos de plástico tipo PET para buscar un aprovechamiento de residuos sólidos y contribuir su disposición final y ambientalmente segura. Lo anterior, con el fin de ser comparada con una mezcla convencional elaborada con CAM polímero tipo SBS, la cual es de común uso para la construcción de pavimentos aeroportuarios. Para tal fin fueron realizados los diseños de mezcla según el ensayo Marshall. Fueron realizados ensayos de resistencia ante carga monotónica (resistencia a tracción indirecta RTI), cíclica repetida (módulo resiliente y fatiga a esfuerzo controlado) y estática (fluencia estática). Asimismo, se analizó la durabilidad mediante ensayos de susceptibilidad al agua definida por la relación del RTI en condiciones húmedas/secas y el ensayo cantabro.

2. Materiales y metodología

La metodología de este estudio se fraccionó en tres fases. La primera fase corresponde a la caracterización de materiales empleados para la fabricación de la mezcla asfáltica P401. La segunda fase corresponde al diseño de dos mezclas mediante la metodología Marshall, las cuales fueron denotadas como MDC P-401 CAM plástico y MDC P-401 CAM polímero. Finalmente, la tercera etapa se evaluó el comportamiento mecánico mediante ensayos de carga monotónica, cíclica y estática.

2.1. Materiales

Fueron empleados dos CAMs con residuos plástico tipo PET y con polímero (Ver Fig. 1). Estos materiales fueron denominados como: CAM plástico y CAM Polímero. CAM plástico se empleó el 6% de PET (contenido sobre el peso del asfalto) y Cemento Asfáltico tipo CA 60-70. La modificación se realizó empleando un agitador rotacional, con una velocidad de agitación de 3000 rpm durante 45 minutos a una temperatura de 175 °C. El CAM polímero corresponde a un material manufacturado según los lineamientos del artículo INVIAS 414 2022[23-25].

Figura 1: Materiales modificadores del cemento asfáltico.

Fuente: Autores

En la Tabla 2 se evidencian los resultados de caracterización física en la condición original y sometida a envejecimiento a corto plazo. Estos indican que los materiales cumplen con los requisitos de calidad dispuestos en el artículo INVIAS 414 2022[26]. Por otro lado, los agregados pétreos son de origen natural obtenidos de roca triturada en cantera para la ciudad de Bogotá. En la Tabla 3 se exponen los resultados de los ensayos de caracterización física. Según los valores obtenidos, es posible evidenciar que los mismos cumplen con las especificaciones de la Administración Federal de Aviación FAA AC 150/5370 para la fabricación de mezclas asfálticas tipo P-401 para capas de aeropuertos[9].

Tabla 2: Caracterización física de CAM plástico y polímero.

Ensayo	Especificación	CAM Polímero	CAM Plástico	Requisitos
Condición original
Penetración (0.1 mm)	INV-E 706	56	56	55 - 70
Punto de ablandamiento (ºC)	INV-E 712	87	86	mínimo 65
Ductilidad (cm)	INV-E 702	24	31	mínimo 15
Recuperación elástica por torsión (%)	INV-E 727	75	74.4	mínimo 70
Estabilidad al almacenamiento (ºC)	INV-E 726	2.5	5	máximo 5
Punto de ignición (ºC)	INV-E 709	286	294	mínimo 230
Envejecimiento a corto plazo
Pérdida de masa (%)	INV-E 720	0.4	0.57	máximo 1
Penetración, en referencia al valor original (%)	INV-E 706	67.2	75.4	mínimo 65
Incremento del punto de ablandamiento (ºC)	INV-E 712	5	5	máximo 10

Fuente: Autores.

Tabla 3: Caracterización de los agregados para el diseño de mezclas.

Ensayo	Procedimiento	Especificación AC150/5370-10H	Resultado
Desgaste en la Maquina de los Ángeles (%)	ASTM C131	Máximo 40	21.2
Solidez en sulfato de Magnesio agregado grueso (%)	ASTM C88	Máximo 18	4.5
Terrones de arcilla en agregado grueso (%)	ASTM C142	Máximo 1	0.5
Caras fracturadas (1 cara)	ASTM D5821	Máximo 85	100
Caras fracturadas (2 caras)	ASTM D5821	Máximo 75	100
Partículas planas y alargadas (Relación 5:1)	ASTM D4791	Máximo 8	4.1
Limite Líquido (%)	ASTM D4318	Máximo 25	NL
Índice de Plasticidad (%)	ASTM D4318	Máximo 4	0
Solidez en sulfato de Magnesio en agregado fino (%)	ASTM C88	Máximo 15	9.5
Terrones de arcilla en agregado fino (%)	ASTM C142	Máximo 1	0.8
Equivalente de arena (%)	ASTM D1073	Mínimo 45	49

Fuente: Autores.

Para la fabricación de mezclas asfálticas se empleó la granulometría tipo 2 de especificación AC 150/5370-10H[9] conforme se presenta en la Tabla 4.

Tabla 4: Granulometría tipo 2 para MDC P-401.

Tamiz	3/4"	1/2"	3/8"	4	8	16	30	50	100	200
Pasa (%)	100	95	80	63	49	37	28	19	12	4.5

Fuente: FAA AC 150/5370-10H [9]

3. Resultados

3.1. Ensayo Marshall

Resultados del diseño Marshall para las mezclas MDC P401 se presentan en la Fig. 2.

Figura 2: Resultados del diseño de mezclas MDC P-401 con CAM polímero y plástico: a) Va; b) VAM; c) VFA; d) E; e) F; f) E/F Marshall.

Fuente: Autores.

Las evoluciones de Va y VFA para los contenidos de CAM son similares para las dos mezclas, lo cual indica que existen el mismo recubrimiento de las partículas en la MDC P401 al emplear CAM modificado con polímero con residuos plásticos tipo PET. Sin embargo, la mezcla con CAM polímero presenta aumento de VAM en aproximadamente 1% para todos los contenidos de CAM evaluados. Lo anterior, puede indicar que existe un leve incremento de la lámina de recubrimiento del agregado con CAM al emplear polímero. En ambos casos, las mezclas asfálticas cumplen con el valor mínimo establecido en la FAA AC 150/5370 2018 de 15%. En términos de los parámetros de resistencia ante carga monotónica, para 6.5% de CAM se evidencia que la MDC P 401 CAM plástico experimentó un aumento en aproximadamente 7% y 9% de E y rigidez Marshall (E/F), en referencia a la MDC P 401 CAM polímero. Lo anterior, indica que el uso de residuos plásticos puede mejorar levemente la resistencia a la acción de carga monotónica a temperatura de 60°C, es decir, puede contribuir a mejorar la resistencia a la deformación permanente en pavimentos sometidos a climas cálidos. Basados en los lineamientos FAA AC 150/5370 2018 para Va de 3.5%, se estableció que el contenido óptimo de asfalto para la MDC P-401 con CAM modificado con polímero y plástico corresponde a 6.6%.

3.2. Ensayo de tensión indirecta RTI

En la Figura 3 se presentan los resultados de RTI en condiciones secas, húmedas y RRTI para las mezclas MDC P-401 con CAM polímero y plástico.

Figura 3: Resultados de ensayos de tensión indirecta.

Fuente: Autores.

De forma general, los resultados indican que la MDC P-401 CAM polímero experimentó mayor RTI en condiciones secas y húmedas. Sin embargo, análisis ANOVA reportaron que esas variaciones no son significativas para las condiciones secas (F_o=3.00 < F_0.05=7.71) y húmedas (F_o=0.88 < F_0.05=7.71). Lo anterior permite deducir que los valores de RTI son similares, lo cual puede ser explicado por tener el mismo contenido de CAM y la misma composición volumétrica (Va y VFA). Resultados similares se determinaron al analizar la susceptibilidad mediante RRTI. Es decir, el uso de CAM modificado con plástico no afecta la adherencia y susceptibilidad al agua de la mezcla. Adicionalmente, los valores de RRTI cumplen con el valor mínimo establecido por FAA AC 150/5370 de 80%[9].

3.3. Ensayo de módulo resiliente

En la Figura 4 se presentan los resultados de módulo resiliente para las dos mezclas de estudio a frecuencias de 2.5, 5.0 y 10 Hz a 20°C. De forma general, la MDC P-401 CAM polímero experimentó mayor módulo resiliente para todas las frecuencias analizadas. Resultados ANOVA indican que para las frecuencias de 2.5 y 5.0 Hz no se presentan variaciones significativas entre las dos muestras, dado que Fo=3.35 < F0.05=7.71 y Fo=4.64 < F0.05=7.71, respectivamente. Sin embargo, para frecuencia de 10 Hz las variaciones son significativas Fo=22.24 < F0.05=7.71. Lo anterior indica que la presencia del polímero genera mayor rigidez en la mezcla ante la acción carga repetida cíclica a 10 Hz.

Figura 4: Resultados de ensayos de Módulo Resiliente.

Fuente: Autores.

3.4. Ensayo de resistencia a fatiga

En la Figura 5 se exponen los resultados de la resistencia a la fatiga a esfuerzo controlado de 450 kPa.

Figura 5: Resultados de ensayos de tensión indirecta.

Fuente: Autores.

Los resultados indican que la MDC P-401 CAM polímero experimentó un leve aumento de ciclos hasta de ruptura. Estos resultados son coherentes con los obtenidos en los ensayos de tensión indirecta ante carga monotónica (RTI) y carga repetida cíclica (módulo resiliente). Sin embargo, análisis ANOVA indican que las variaciones de los resultados de las dos mezclas no son significativas (F_o=0.29 < F_0.05=5.31). Lo anterior indica que la incorporación de los residuos plásticos como material alternativo para CAM no reduce la resistencia al agrietamiento en mezclas asfálticas.

3.5. Ensayo de fluencia estática

En la Fig. 6 se presentan los resultados del ensayo de fluencia estática para las dos mezclas de estudio.

Figura 6: Resultados de ensayos de fluencia estática.

Fuente: Autores.

A partir de los resultados, es posible evidenciar que las briquetas tipo MDC P-401 polímero experimentaron mayor deformación vertical durante el ensayo, lo cual puede indicar menor resistencia a la deformación permanente en referencia a las mezclas con plástico. Lo anterior, también es evidenciado con la velocidad de deformación, dado que la MDC P-401 CAM polímero y con plástico experimentaron valores de 2.267 μm/minuto y 2.067 μm/minuto. Lo anterior indica que la presencia del plástico tipo PET puede mejorar el comportamiento de la mezcla al ser sometida ante carga de compresión. Estos resultados son coherentes con los obtenidos en el ensayo Marshall, donde también se evidenció incremento de E y E/F ante la acción de carga monotónica a compresión.

3.6. Ensayo cantabro

En la Figura 7 se presentan los resultados del ensayo cantabro realizado sobre las mezclas MDC P-401 CAM polímero y plástico. Los resultados muestran que existe aumento en el desgaste a la abrasión en la MDC P-401 CAM plástico, lo cual indica mayor desprendimiento de las partículas durante el ensayo, pudiendo afectar la durabilidad de la mezcla. Estos resultados son coherentes con los evidenciados en los ensayos RTI, RRTI, módulo resiliente y resistencia a la fatiga, donde las briquetas MDC P-401 CAM plástico experimentaron una leve reducción de sus valores en comparación a MDC P-401 plástico. Sin embargo, los análisis estadísticos ANOVA reportan F_o=0.46 < F_0.05=7.70, lo cual indica que las diferencias entre los ensayos no son significativas.

Figura 7: Resultados del ensayo cantabro.

Fuente: Autores.

4. Conclusiones

El objetivo de este estudio fue evaluar el desempeño físico-mecánico de dos mezclas asfálticas tipo P-401 fabricadas con asfalto modificado con residuos de plástico y polímero a fin de ser empleadas para la construcción de capas de pavimentos de aeropuertos. A partir de los ensayos realizados, es posible concluir que

La utilización de CAM plástico en el diseño de una mezcla tipo MDC P-401 generó el mismo contenido óptimo de asfalto, volumen de vacíos y vacíos llenos de asfalto que la mezcla fabricada con CAM polímero. Adicionalmente, mejoró la resistencia ante la acción de carga monotónica, definido por la estabilidad y rigidez Marshall (E/F). Lo anterior originó incremento de la resistencia a la deformación permanente mediante el ensayo de fluencia estática.}

La MDC P-401 plástico experimentó leve reducción de la resistencia a la tensión indirecta ante carga monotónica y cíclica repetida (módulo resiliente y resistencia a la fatiga). Adicionalmente, se evidenció un leve aumento en el desgaste cantabro. Sin embargo, análisis estadísticos indican que esas variaciones no son significativas. Por lo anterior, el uso del CAM plástico no afecta el desempeño físico mecánico y la durabilidad de la mezcla asfáltica para aeropuertos.

El uso de residuos plásticos tipo PET puede ser viable desde el punto de vista técnico, ambiental, social y económico por permitir la incorporación de materiales reciclados en la fabricación de mezclas de concreto asfáltico para capas de pavimentos aeroportuarios. Adicionalmente, promover prácticas de reciclaje para buscar la disposición final y segura ambientalmente de residuos sólidos. Mayores estudios se deben realizar con el objetivo de mejorar la adherencia entre el asfalto y el plástico, a fin de incrementar la resistencia a tensión (p.e. Uso de promotores de adherencia, pretratamientos al residuo plástico, entre otros). Asimismo, se debe validar lo hallazgos encontrados en este estudio a mediana y gran escala mediante ensayos de campo y laboratorio. Adicionalmente, se recomienda evaluar diferentes fuentes de agregados, materiales asfalticos y tipos de granulometrías.